Химические
свойства Углерода. Конфигурация
внешней электронной оболочки атома
Углерода 2s22p2. Для Углерода
характерно образование четырех
ковалентных связей, обусловленное
возбуждением внешней электронной
оболочки до состояния 2sp3. Поэтому
Углерод способен в равной степени как
притягивать, так и отдавать электроны.
Химическая связь может осуществляться
за счет sp3-, sp2- и sp- гибридных
орбиталей, которым соответствуют
координационные числа 4, 3 и 2. Число
валентных электронов Углерода и число
валентных орбиталей одинаково; это одна
из причин устойчивости связи между
атомами Углерода.
Уникальная
способность атомов Углерода соединяться
между собой с образованием прочных и
длинных цепей и циклов привела к
возникновению громадного числа
разнообразных соединений Углерода,
изучаемых органической химией.
В
соединениях Углерод проявляет степени
окисления -4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Å,
ковалентные радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å
соответственно в одинарной, двойной и
тройной связях; ионный радиус С4- 2,60Å,
С4+ 0,20Å. При обычных условиях
Углерод химически инертен, при высоких
температурах он соединяется со многими
элементами, проявляя сильные
восстановительные свойства. Химическая
активность убывает в ряду: "аморфный"
Углерод, графит, алмаз; взаимодействие
с кислородом воздуха (горение) происходит
соответственно при температурах выше
300-500 °С, 600-700 °С и 850-1000 °С с образованием
оксида углерода (IV) СО2 и оксида
углерода (II) СО.
СО2 растворяется
в воде с образованием угольной кислоты.
В 1906 году О. Дильс получил недооксид
Углерода С3О2. Все формы
Углерода устойчивы к щелочам и кислотам
и медленно окисляются только очень
сильными окислителями (хромовая смесь,
смесь концентрированных HNO3 и
КСlO3 и других). "Аморфный"
Углерод реагирует с фтором при комнатной
температуре, графит и алмаз - при
нагревании. Непосредственное соединение
Углерода с хлором происходит в
электрической дуге; с бромом и иодом
Углерод не реагирует, поэтому многочисленные
галогениды углерода синтезируют
косвенным путем. Из оксигалогенидов
общей формулы СОХ2(где X - галоген)
наиболее известна хлороксид СОСl
(фосген). Водород с алмазом не
взаимодействует; с графитом и "аморфным"
Углеродом реагирует при высоких
температурах в присутствии катализаторов
(Ni, Pt): при 600-1000 °С образуется в основном
метан СН4, при 1500-2000 °С - ацетилен
С2Н2; в продуктах могут
присутствовать также других углеводороды,
например этан С2Н6, бензол
С6Н6. Взаимодействие серы с
"аморфным" Углеродом и графитом
начинается при 700-800 °С, с алмазом при
900-1000 °С; во всех случаях образуется
сероуглерод CS2. Другие соединения
Углерода, содержащие серу (тиооксид CS,
тионедооксид С3S2, серооксид
COS и тиофосген CSCl2), получают
косвенным путем. При взаимодействии
CS2 с сульфидами металлов
образуются тиокарбонаты - соли слабой
тиоугольной кислоты. Взаимодействие
Углерода с азотом с получением циана
(CN)2происходит при пропускании
электрического разряда между угольными
электродами в атмосфере азота. Среди
азотсодержащих соединений Углерода
важное практическое значение имеют
цианистый водород HCN (Синильная кислота)
и его многочисленные производные:
цианиды, галогенцианы, нитрилы и других
При температурах выше 1000 °С Углерод
взаимодействует со многими металлами,
давая карбиды. Все формы Углерода при
нагревании восстанавливают оксиды
металлов с образованием свободных
металлов (Zn, Cd, Cu, Рb и других) или карбидов
(СаС2, Мо2С, WC, ТаС и других).
Углерод реагирует при температурах
выше 600-800 °С с водяным паром и углекислым
газом (Газификация топлив). Отличительной
особенностью графита является способность
при умеренном нагревании до 300-400 °С
взаимодействовать со щелочными металлами
и галогенидами с образованием соединений
включения типа С8Ме, С24Ме,
С8Х (где X - галоген, Me - металл).
Известны соединения включения графита
с HNO3, H2SO4, FeCl3и
другие (например, бисульфат графита
C24SO4H2). Все формы
Углерода нерастворимы в обычных
неорганических и органических
растворителях, но растворяются в
некоторых расплавленных металлах
(например, Fe, Ni, Co).
Народнохозяйственное
значение Углерода определяется тем,
что свыше 90% всех первичных источников
потребляемой в мире энергии приходится
на органическое топливо, главенствующая
роль которого сохранится и на ближайшие
десятилетия, несмотря на интенсивное
развитие ядерной энергетики. Только
около 10% добываемого топлива используется
в качестве сырья для основного
органического синтеза и нефтехимического
синтеза, для получения пластических
масс и других.