Химические свойства углерода

Химический элемент углерод расположен во 2-м периоде, главной подгруппе IV группы периодической системы химических элементов, наиболее характерные степени окисления –4, +2, +4.

На внешнем энергетическом уровне у углерода 4 электрона: 2 парных и 2 непарных. Это состояние атома называется основным. По числу неспаренных электронов можно сказать, что углерод проявляет валентность равную II. Однако такая валентность проявляется только в некоторых соединениях.

В органических соединениях и некоторых органических веществах углерод проявляет валентность равную IV. Эта валентность характерна для возбужденного состояния С. Из основного в возбужденное состояние, он может переходить при получении дополнительной энергии.   Один электрон с s-подуровня переходит на p-подуровень, где есть свободная орбиталь.

Возможные степени окисления: -4, 0, +2, +4

В связи со всем выше сказанным углерод проявляет окислительные и восстановительные свойства.

I. Окислительные свойства

1. Свойства окислителя углерод проявляет в реакциях с металлами при высоких температурах с образованием карбидов.

    Са + 2С → CaC₂
    4Al + 3C → Al₄C₃

2. В присутствии катализатора и высоких температур протекает процесс взаимодействия углерода и водорода, при этом образуется метан.

    C + 2H₂ → CH₄↑

II. Восстановительные свойства

1. Как восстановитель углерод вступает в реакцию с кислородом. Продуктом реакции будет углекислый газ – при избытке кислорода, при недостатке – угарный газ.

    C + O₂ → CO₂↑
    2C + O₂ → 2CO

2. При комнатной температуре углерод вступает в реакцию взаимодействия только с одним галогеном – фтором, с образованием фторида углерода.

     C + 2F₂ → CF₄

3. С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя соединение, получившее название дициан. Представляет собой бесцветный высокотоксичный и огнеопасный газ с резким запахом.

    N₂ + 2C → (CN)₂

4. Реакция с серой и кремнием углерода протекает при повышенных температурах. С серой продуктом реакции является сероуглерод  - бесцветная жидкость, легко воспламеняется, хороший растворитель для некоторых органических соединений.

    C + 2S → CS₂

    С кремнием углерод образует каброрунд – соединение по твердости сравнимое с алмазом.

    Si + C → SiC

5. При пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) и водород. 

   

6. Из кислотного оксида, в данном случае оксида кремния, углерод восстанавливает кремний.

   

7. Углерод взаимодействует с оксидом кальция с образованием карбида кальция и угарного газа. Таким образом, углерод диспропорционирует в данной реакции.

    C + CaO → CaC₂ + CO↑

8. Углерод используют для получения металлов из их оксидов (цинк, медь, железо, свинец). Это один из способов промышленного получения металлов.

    2ZnO + C → 2Zn + CO

9. Углерод в качестве восстановителя вступает в реакции со сложными веществами, проявляющими свойства окислителей. Такими веществами являются концентрированная серная и азотная кислоты. 

    Продуктом реакции серной кислоты и углерода являются оксид серы (IV), оксид углерода (IV) и вода.

    C + 2H₂SO₄ (конц.) → CO₂↑ + 2SO₂ + 2H₂O

    Вследствие реакции углерода с азотной кислотой образуются оксид азота (IV), оксид углерода (IV) и вода.

    C + 4HNO₃ (конц.) → CO₂↑ + 4NO₂ + 2H₂O