Конспект урока: Общая характеристика элементов IVА-группы. Углерод

На внешнем электронном слое элементов IVA-группы располагаются четыре электрона. Чтобы достичь устойчивого восьмиэлектронного состояния, им можно как присоединить четыре электрона, так и отдать четыре электрона. От чего это зависит: будет элемент отдавать электроны или принимать? От радиуса атома. Если радиус больше, электроны слабее связаны с ядром, следовательно, элементу легче их отдать. К таким элементам из IVA-группы относятся олово и свинец — металлы. Кремний и углерод имеют небольшие радиусы и относятся к неметаллам. А германий сочетает в себе свойства металла и неметалла.

Строение атома углерода

Рис. 1. Строение атома углерода

Углерод находится под шестым порядковым номером.

В его ядре содержится шесть протонов, а в электронной оболочке — шесть электронов. Как уже было сказано, элементы IVA-группы, в том числе углерод, могут отдавать электроны, приобретая степень окисления +4 (она является максимальной). Также углерод может отдать только два электрона, приобретая степень окисления +2. 

Минимальная степень окисления равна −4. Её могут принимать из 
IVA-группы только углерод и кремний.

Нахождение углерода в природе

В свободном состоянии на Земле углерод встречается в виде алмаза и графита.

Рис. 2. Графит

В виде соединений углерод можно обнаружить в составе:

• нефти;
• природного газа;
• горючих сланцев;
• карбонатных минералов;
• органических веществ.

Хорошо известный вам углекислый газ — это оксид углерода (IV). Он содержится в атмосфере планеты и в природных водах в растворённом виде. Играет важную роль в круговороте углерода, участвуя в процессах дыхания и фотосинтеза.

Углерод как простое вещество

Рис. 3. Алмаз и огранённый алмаз — бриллиант

Важнейшими и самыми распространёнными аллотропными модификациями углерода являются графит и алмаз. На данный момент исследованы ещё такие аллотропные модификации, как графен, карбин, фуллерены и пр.

Алмаз — прозрачное кристаллическое вещество, самое твёрдое из всех природных веществ. В чём причина такой твёрдости алмаза? Всё дело в особой структуре атомной решётки, в которой каждый атом окружён четырьмя такими же атомами, расположенными в вершинах тетраэдра (рис. 4).

Рис. 4. Модели кристаллических решёток алмаза и графита

По цвету кристаллы алмаза чаще всего бесцветные, но за счёт различных примесей могут приобретать окраску: синюю, голубую, красную или чёрную. Обладают очень сильным блеском.

Алмазы используют не только для изготовления ювелирных изделий. Благодаря высокой твёрдости их применяют для изготовления буров, свёрл, шлифовальных инструментов.

Графит — вещество тёмно-серого цвета, жирное на ощупь, имеет металлический блеск. В отличие от алмаза, графит очень мягкий, обладает хорошей тепло- и электропроводностью. Такая структура объясняется слоистым строением кристаллической решётки (рис. 4). Атомы в кристаллической решётке лежат в одной плоскости и образуют прочные шестиугольники, но сами связи между слоями достаточно слабые.

Также различают аморфный углерод. По структуре он напоминает графит, но главное отличие в том, что в аморфном углероде атомы расположены не упорядоченно, а хаотично. К разновидностям аморфного углерода относятся сажа и древесный уголь.

Сажу получают при термическом разложении метана $CH_{4}$ — вещества, которое является основной составляющей природного газа. Её используют в промышленности для изготовления резины и химических источников тока.

Древесный уголь получают при нагревании кусочков древесины при высокой температуре без доступа воздуха. По структуре он пористый с большим количеством полостей, каналов и пустот. Благодаря этому у древесного угля есть способность к адсорбции, то есть к поглощению газов и растворённых веществ. Уголь с повышенной способностью к адсорбции называют активированным.

В металлургии углерод используют как восстановитель. Его получают из коксующихся углей — это особый вид каменного угля. Кокс — практически чистый углерод.

В результате коксования каменного угля получают коксовый газ, каменноугольную смолу, аммиачную воду.

Химические свойства углерода

При нормальных условиях углерод — малоактивное вещество. При температуре 600–700 °С горит, образуя углекислый газ:
 

$C(\text{алмаз})+O_2=CO_2$.

Углерод — хороший восстановитель в реакциях со сложными веществами-окислителями:

$C+4HNO_3(\text{конц}.,\text{гор}.)=CO_2\uparrow+4NO_2\uparrow+2H_2O$.

Как мы уже говорили, углерод используют в качестве восстановителя в металлургии:

$3 C + Fe_{2} O_{3} = 2 Fe + 3 CO \uparrow$.

Углерод — окислитель:

1. Взаимодействие с металлами с образованием карбидов:

$Ca + 2 C \overset{t}{=} CaC_{2}$;

2. Взаимодействие с неметаллами с меньшим значением электроотрицательности:

$Si^{0} + C^{0} = Si^{+ 4} C^{- 4}$,

$C^0+2H_2^0=C^{-4}H_4^{+1}$.

При взаимодействии углерода и водорода образуется метан. Также метан образуется при гидролизе карбида алюминия.