ГлавнаяХимияУглерод (C)

Химия - это просто

Популярно о химии
· Что такое химия
· Периодическая таблица
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
· Водород
· Бор
· Углерод
· Азот
· Кислород
· Алюминий
· Кремний
· Фосфор
· Сера
· Хром
· Марганец
· Железо
· Медь
· Цинк
· Серебро
· Золото
· Ртуть
ОБЩАЯ ХИМИЯ
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Онлайн тесты по ЕГЭ

Углерод (C)


углерод

Углерод в виде древесного угля известен человеку с незапамятных времен, поэтому, о дате его открытия говорить не имеет смысла. Собственно свое название "углерод" получил в 1787 году, когда была опубликована книга "Метод химической номенклатуры", в которой вместо французского названия «чистый уголь» (charbone pur) появился термин «углерод» (carbone).

Углерод обладает уникальной способностью образовывать полимерные цепочки неограниченной длины, порождая тем самым огромный класс соединений, изучением которых занимается отдельный раздел химии - органическая химия. Органические соединения углерода лежат в основе земной жизни, поэтому, о важности углерода, как химического элемента, говорить не имеет смысла - он основа жизни на Земле.

Сейчас рассмотрим углерод с точки зрения неорганической химии.

Углерод в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, стоит под номером "6", относится к IV группе главной подгруппы (См. Атомы IV группы).

атом углерода
Рис. Строение атома углерода.

Электронная конфигурация углерода - 1s22s22p2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у углерода находятся 4 электрона: 2 спаренных на s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома углерода в возбужденное состояние (требует энергетических затрат) один электрон с s-подуровня "покидает" свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома углерода приобретает следующий вид: 1s22s12p3.

переход атома углерода в возбужденное состояние
Рис. Переход атома углерода в возбужденное состояние.

Такая "рокировка" существенно расширяет валентные возможности атомов углерода, которые могут принимать степень окисления от +4 (в соединениях с активными неметаллами) до -4 (в соединениях с металлами).

В невозбужденном состоянии атом углерода в соединениях имеет валентность 2, например, CO(II), а в возбужденном - 4: CO2(IV).

"Уникальность" атома углерода заключается в том, что на его внешнем энергетическом уровне находятся 4 электрона, поэтому, для завершения уровня (к чему, собственно, стремятся атомы любого химического элемента) он может с одинаковым "успехом", как отдавать, так и присоединять электроны с образованием ковалентных связей (см. Ковалентная связь).

Углерод, как простое вещество

Как простое вещество углерод может находиться в виде нескольких аллотропных модификаций:

Алмаз

кристаллическая решетка алмаза
Рис. Кристаллическая решетка алмаза.

Свойства алмаза:

тетраэдр алмаза
Рис. Тетраэдр алмаза.

Исключительная твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки, которая имеет форму тетраэдра - в центре тетраэдра находится атом углерода, который связан равноценно прочными связями с четырьмя соседними атомами, образующими вершины тетраэдра (см. рисунок выше). Такая "конструкция" в свою очередь связана с соседними тетраэдрами.

Графит

кристаллическая решетка графита
Рис. Кристаллическая решетка графита.

Свойства графита:

В графите атомы углерода образуют правильные шестиугольники, лежащие в одной плоскости, организованные в бесконечные слои.

В графите химические связи между соседними атомами углерода образованы за счет трех валентных электронов каждого атома (изображены синим цветом на рисунке ниже), при этом четвертый электрон (изображен красным цветом) каждого атома углерода, расположенный на p-орбитали, лежащей перпендикулярно плоскости слоя графита, не участвует в образовании ковалентных связей в плоскости слоя. Его "предназначение" заключается в другом - взаимодействуя со своим "собратом", лежащим в соседнем слое, он обеспечивает связь между слоями графита, а высокая подвижность p-электронов обусловливает хорошую электропроводность графита.

распределение орбиталей атома углерода в графите
Рис. Распределение орбиталей атома углерода в графите.

Фуллерен

кристаллическая решетка фуллерена
Рис. Кристаллическая решетка фуллерена.

Свойства фуллерена:

Карбин

Свойства карбина:

Химические свойства углерода

При нормальных условиях углерод является инертным веществом, в реакции с металлами и неметаллами вступает при высоких температурах:

Углерод получают термическим разложением его соединений или пиролизом метана (при высокой температуре): CH4 = C + 2H.

Применение углерода

Соединения углерода нашли самое широкое применение в народном хозяйстве, перечислить все их не представляется возможным, укажем только некоторые:

В начало страницы