Углерод и его характеристики
Общая характеристика углерода
Углерод находится в природе как в свободном состоянии, так и в виде многочисленных соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти. В земной коре встречаются в огромных количествах соли угольной кислоты, особенно карбонат кальция. В воздухе всегда имеется диоксид углерода. Наконец, растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых участие принимает углерод. Таким образом, этот элемент – один из распространенных на Земле, хотя общее его содержание в земной коре составляет всего около 0,1% (масс.).
Атомная и молекулярная масса углерода
Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии углерод существует в виде одноатомных молекул С, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 12,0064.
Аллотропия и аллотропные модификации углерода
В свободном состоянии углерод существует в виде алмаза, кристаллизующегося в кубической и гексагональной (лонсдейлит) системе, и графита, принадлежащего к гексагональной системе (рис. 1). Такие формы углерода, как древесный уголь, кокс или сажа имеют неупорядоченную структуру. Также есть аллотропные модификации, полученные синтетическим путем – это карбин и поликумулен – разновидности углерода, построенные из линейных цепных полимеров типа -C= C- или = C = C= .
Рис. 1. Аллотропные модификации углерода.
Известны также аллотропные модификации углерода, имеющие следующие названия: графен, фуллерен, нанотрубки, нановолокна, астрален, стеклоуглерож, колоссальные нанотрубки; аморфный углерод, углеродные нанопочки и углеродная нанопена.
Изотопы углерода
В природе углерод существует в виде двух стабильных изотопов 12С (98,98%) и 13С (1,07%). Их массовые числа равны 12 и 13 соответственно. Ядро атома изотопа углерода 12С содержит шесть протонов и шесть нейтронов, а изотопа 13С – такое же количество протонов и пять нейтронов.
Существует один искусственный (радиоактивный) изотоп углерода 14Сс периодом полураспада равным 5730 лет.
Ионы углерода
На внешнем энергетическом уровне атома углерода имеется четыре электрона, которые являются валентными:
1s22s22p2.
В результате химического взаимодействия углерод может терять свои валентные электроны, т.е. являться их донором, и превращаться в положительно заряженные ионы или принимать электроны другого атома, т.е. являться их акцептором, и превращаться в отрицательно заряженные ионы:
С0 –2e → С2+;
С0-4e → С4+;
С0+4e → С4-.
Молекула и атом углерода
В свободном состоянии углерод существует в виде одноатомных молекул С. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу углерода:
Энергия ионизации атома, эВ |
11,25 |
Относительная электроотрицательность |
2,55 |
Радиус атома, нм |
0,077 |
Сплавы углерода
Наиболее известные сплавы углерода во всем мире – это сталь и чугун. Сталь – это сплав железа с углеродом, содержание углерода в котором не превышает 2%. В чугуне (тоже сплав железа с углеродом) содержание углерода выше – от 2-х до 4%.
Примеры решения задач
Задание | Какой объем оксида углерода (IV) выделится (н.у.) при обжиге 500 г известняка, содержащего 0,1 массовую долю примесей. |
Решение | Запишем уравнение реакции обжига известняка:
CaCO3 = CaO + CO2. Найдем массу чистого известняка. Для этого сначала определим его массовую долю без примесей: wclear(CaCO3) = 1 — wimpurity = 1 – 0,1 = 0,9. mclear(CaCO3) = m(CaCO3) ×wclear(CaCO3); mclear(CaCO3) = 500 ×0,9 = 450 г. Рассчитаем количество вещества известняка: M(CaCO3) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3×Ar(O); M(CaCO3) = 40 + 12 + 3×16 = 52 + 48 = 100 г/моль. n(CaCO3) = mclear(CaCO3) / M(CaCO3); n(CaCO3) = 450 / 100 = 4,5 моль. Согласно уравнению реакции n(CaCO3) :n(CO2) = 1:1, значит n(CaCO3) = n(CO2) = 4,5 моль. Тогда, объем выделившегося оксида углерода (IV) будет равен: V(CO2) = n(CO2) ×Vm; V(CO2) = 4,5 × 22,4 = 100,8 л. |
Ответ | 100,8 л |
Задание | Сколько потребуется раствора, содержащего 0,05 массовых долей, или 5% хлороводорода, для нейтрализации 11,2 г карбоната кальция? |
Решение | Запишем уравнение реакции нейтрализации карбоната кальция хлороводородом:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2. Найдем количество вещества карбоната кальция: M(CaCO3) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3×Ar(O); M(CaCO3) = 40 + 12 + 3×16 = 52 + 48 = 100 г/моль. n(CaCO3) = m (CaCO3) / M(CaCO3); n(CaCO3) = 11,2 / 100 = 0,112 моль. Согласно уравнению реакции n(CaCO3) :n(HCl) = 1:2, значит n(HCl) = 2 ×n(CaCO3) = 2 ×0,224 моль. Определим массу вещества хлороводорода, содержащуюся в растворе: M(HCl) = Ar(H) + Ar(Cl) = 1 + 35,5 = 36,5 г/моль. m(HCl) = n(HCl) ×M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 г. Рассчитаем массу раствора хлороводорода: msolution(HCl) = m(HCl)× 100 / w(HCl); msolution(HCl) = 8,176 × 100 / 5 = 163,52 г. |
Ответ | 163,52 г |