Hiili (C) on tyypillinen ei-metallinen; jaksollisessa järjestelmässä on IV ryhmän 2. jaksossa, pääalaryhmässä. Järjestysluku 6, Ar = 12,011 amu, ydinvaraus +6.

Fyysiset ominaisuudet: hiili muodostaa monia allotrooppisia modifikaatioita: timantti- yksi kovimmista aineista grafiitti, kivihiili, noki.

Hiiliatomissa on 6 elektronia: 1s 2 2s 2 2p 2 . Kaksi viimeistä elektronia sijaitsevat erillisissä p-orbitaaleissa ja ovat parittomia. Periaatteessa tämä pari voisi miehittää yhden kiertoradan, mutta tässä tapauksessa elektronien välinen hylkiminen kasvaa voimakkaasti. Tästä syystä toinen niistä ottaa 2p x ja toinen joko 2p y , tai 2p z-orbitaalit.

Ulkokerroksen s- ja p-alatasojen energioiden ero on pieni, joten atomi siirtyy melko helposti virittyneeseen tilaan, jossa toinen 2s-orbitaalin kahdesta elektronista siirtyy vapaaseen. 2r. Syntyy valenssitila, jolla on konfiguraatio 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Juuri tämä hiiliatomin tila on tyypillinen timanttihilalle - hybridiorbitaalien tetraedrinen tilajärjestely, sama sidoksen pituus ja energia.

Tämä ilmiö tunnetaan nimellä sp 3 -hybridisaatio, ja tuloksena olevat funktiot ovat sp 3 -hybridi . Neljän sp3-sidoksen muodostuminen antaa hiiliatomille stabiilimman tilan kuin kolme rr- ja yksi s-s-sidos. Sp3-hybridisaation lisäksi sp2- ja sp-hybridisaatiota havaitaan myös hiiliatomissa . Ensimmäisessä tapauksessa on olemassa keskinäinen päällekkäisyys s- ja kaksi p-orbitaalia. Muodostuu kolme ekvivalenttia sp 2 -hybridiorbitaalia, jotka sijaitsevat samassa tasossa 120 ° kulmassa toisiinsa nähden. Kolmas kiertorata p on muuttumaton ja suunnattu kohtisuoraan tasoon nähden sp2.

Sp-hybridisaatiossa s- ja p-orbitaalit menevät päällekkäin. Muodostuneiden kahden ekvivalentin hybridiorbitaalin välille syntyy 180° kulma, kun taas kummankin atomin kaksi p-orbitaalia pysyvät muuttumattomina.

Hiilen allotropia. timantti ja grafiitti

Grafiittikiteessä hiiliatomit sijaitsevat yhdensuuntaisissa tasoissa, miehittäen niissä kärjet. säännölliset kuusikulmiot. Kukin hiiliatomeista on liittynyt kolmeen vierekkäiseen sp2-hybridisidokseen. Yhdensuuntaisten tasojen välinen kytkentä tapahtuu van der Waalsin voimien vuoksi. Jokaisen atomin vapaat p-orbitaalit on suunnattu kohtisuoraan kovalenttisten sidosten tasoihin nähden. Niiden päällekkäisyys selittää ylimääräisen π-sidoksen hiiliatomien välillä. Siis alkaen Valenssitila, jossa hiiliatomit ovat aineessa, tämän aineen ominaisuudet riippuvat.

Hiilen kemialliset ominaisuudet

Tyypillisimmät hapetustilat: +4, +2.

Matalissa lämpötiloissa hiili on inerttiä, mutta kuumennettaessa sen aktiivisuus lisääntyy.

Hiili pelkistimenä:

- hapella
C 0 + O 2 - t ° \u003d CO 2 hiilidioksidi
hapen puutteella - epätäydellinen palaminen:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O hiilimonoksidi

- fluorilla
C + 2F 2 = CF 4

- höyryllä
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 vesikaasu

- metallioksidien kanssa. Tällä tavalla metalli sulatetaan malmista.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2

- happojen kanssa - hapettimia:
C 0 + 2H 2SO 4 (väk.) \u003d C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (konsentr.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- muodostaa rikin kanssa hiilidisulfidia:
C + 2S 2 \u003d CS 2.

Hiili hapettavana aineena:

- muodostaa karbideja joidenkin metallien kanssa

4Al + 3C 0 \u003d Al 4 C 3

Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4

- vedyllä - metaanilla (sekä valtavalla määrällä orgaanisia yhdisteitä)

C 0 + 2H 2 \u003d CH 4

- piin kanssa muodostaa karborundia (2000 °C:ssa sähköuunissa):

Hiilen löytäminen luonnosta

Vapaa hiili esiintyy timanttina ja grafiittina. Yhdisteiden muodossa hiiltä löytyy mineraaleista: liitu, marmori, kalkkikive - CaCO 3, dolomiitti - MgCO 3 *CaCO 3; bikarbonaatit - Mg (HCO 3) 2 ja Ca (HCO 3) 2, CO 2 on osa ilmaa; hiili on luonnollisten orgaanisten yhdisteiden pääkomponentti - kaasu, öljy, kivihiili, turve, on osa orgaanisia aineita, proteiineja, rasvoja, hiilihydraatteja, aminohappoja, jotka ovat osa eläviä organismeja.

Epäorgaaniset hiiliyhdisteet

C4+- eikä C4--ioneja ei muodostu missään tavanomaisissa kemiallisissa prosesseissa: hiiliyhdisteissä on kovalenttisia sidoksia, joilla on eri polaarisuus.

Hiilimonoksidi (II) NIIN

Hiilimonoksidi; väritön, hajuton, niukkaliukoinen veteen, liukenee orgaanisiin liuottimiin, myrkyllinen, kp = -192°C; t neliötä = -205 °C.

Kuitti
1) Teollisuudessa (kaasugeneraattoreissa):
C + O 2 = CO 2

2) Laboratoriossa - muurahaishapon tai oksaalihapon lämpöhajoaminen H 2 SO 4:n (konsentraatio) läsnä ollessa:
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 \u003d CO + CO 2 + H 2 O

Kemiallisia ominaisuuksia

Tavallisissa olosuhteissa CO on inertti; kuumennettaessa - pelkistävä aine; ei-suolaa muodostava oksidi.

1) hapella

2C +2 O + O 2 \u003d 2C +4 O 2

2) metallioksideilla

C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O 2

3) kloorilla (valossa)

CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (fosgeeni)

4) reagoi alkalisulatteiden kanssa (paineessa)

CO + NaOH = HCOONa (natriumformiaatti)

5) muodostaa karbonyylejä siirtymämetallien kanssa

Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5

Hiilimonoksidi (IV) CO2

Hiilidioksidi, väritön, hajuton, liukenee veteen - 0,9 V CO 2 liukenee 1 V:aan H 2 O (normaaliolosuhteissa); raskaampaa kuin ilma; t°pl. = -78,5°C (kiinteää C02:ta kutsutaan "kuivajääksi"); ei tue palamista.

Kuitti

1. Suolojen lämpöhajoaminen hiilihappo(karbonaatit). Kalkkikiven poltto:

CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2

1. Vahvojen happojen vaikutus karbonaatteihin ja bikarbonaatteihin:

CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2

KemiallinenominaisuuksiaCO2
Happooksidi: reagoi emäksisten oksidien ja emästen kanssa muodostaen hiilihapposuoloja

Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 \u003d Na 2CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 \u003d NaHC03

Saattaa osoittaa hapettavia ominaisuuksia korotetuissa lämpötiloissa

C +4 O 2 + 2Mg - t ° \u003d 2Mg +2O + C 0

Laadullinen reaktio

Kalkkiveden sameus:

Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 3 ¯ (valkoinen sakka) + H 2 O

Se häviää, kun CO 2 johdetaan kalkkiveden läpi pitkän aikaa, koska. liukenematon kalsiumkarbonaatti muuttuu liukoiseksi bikarbonaatiksi:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2

hiilihappo ja sensuola

H2CO3 - Heikko happo, esiintyy vain vesiliuoksessa:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Kaksoispohja:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Happamat suolat - bikarbonaatit, bikarbonaatit
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Keskimääräiset suolat - karbonaatit

Kaikki happojen ominaisuudet ovat ominaisia.

Karbonaatit ja bikarbonaatit voidaan muuntaa toisikseen:

2NaHCO 3 - t ° \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d 2NaHCO 3

Metallikarbonaatit (paitsi alkalimetallit) dekarboksyloituvat kuumennettaessa muodostaen oksidin:

CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2

Laadullinen reaktio- "keittäminen" vahvan hapon vaikutuksesta:

Na 2 CO 3 + 2HCl \u003d 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO32- + 2H+ = H20 + CO2

Karbidit

kalsiumkarbidi:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

Asetyleenia vapautuu, kun sinkki-, kadmium-, lantaani- ja ceriumkarbidit reagoivat veden kanssa:

2 LaC 2 + 6 H 2 O \u003d 2La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C ja Al 4 C 3 hajoavat veden vaikutuksesta muodostaen metaania:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O \u003d 4 Al (OH) 3 \ u003d 3 CH 4.

Tekniikassa käytetään titaanikarbideja TiC, volframi W 2 C (kovametalliseokset), pii SiC (karborundi - hioma-aineena ja lämmittimien materiaalina).

syanidit

saatu kuumentamalla soodaa ammoniakin ja hiilimonoksidin ilmakehässä:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Syaanivetyhappo HCN on tärkeä kemianteollisuuden tuote, jota käytetään laajalti orgaanisessa synteesissä. Sen maailmanlaajuinen tuotanto saavuttaa 200 tuhatta tonnia vuodessa. Elektroninen rakenne syanidianionia, kuten hiilimonoksidia (II), tällaisia ​​hiukkasia kutsutaan isoelektronisiksi:

C = O:[:C = N:]-

Syanideja (0,1-0,2 % vesiliuosta) käytetään kullankaivoksessa:

2 Au + 4 KCN + H 2O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

Kun syanidiliuoksia keitetään rikin kanssa tai kun kiintoaineet sulatetaan, tiosyanaatit:
KCN + S = KSCN.

Kun matala-aktiivisten metallien syanideja kuumennetaan, saadaan syanidia: Hg (CN) 2 \u003d Hg + (CN) 2. syanidiliuokset hapettuvat syanaatit:

2KCN + O2 = 2KOCN.

Syaanihappoa on kahdessa muodossa:

H-N=C=O; H-O-C = N:

Vuonna 1828 Friedrich Wöhler (1800-1882) sai ureaa ammoniumsyanaatista: NH 4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 haihduttamalla vesiliuosta.

Tätä tapahtumaa pidetään yleensä synteettisen kemian voittona "vitalistisesta teoriasta".

Siinä on syaanihapon isomeeri - fulmiinihappo

H-O-N=C.
Sen suoloja (elohopeafulminaatti Hg(ONC) 2) käytetään iskusytyttimissä.

Synteesi urea(karbamidi):

CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O. 130 0 C:ssa ja 100 atm:ssä.

Urea on hiilihapon amidi, ja siellä on myös sen "typpianalogi" - guanidiini.

Karbonaatit

Tärkeimmät hiilen epäorgaaniset yhdisteet ovat hiilihapon suolat (karbonaatit). H 2 CO 3 - heikko happo(K 1 \u003d 1,3 10 -4; K 2 \u003d 5 10 -11). Karbonaattipuskuri tukee hiilidioksiditasapaino ilmakehässä. Valtamerillä on valtava puskurikapasiteetti, koska ne ovat avoin järjestelmä. Pääpuskurireaktio on tasapaino hiilihapon dissosioitumisen aikana:

H 2CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

Happamuuden vähentyessä hiilidioksidin ylimääräinen imeytyminen ilmakehästä tapahtuu hapon muodostuessa:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

Happamuuden lisääntyessä karbonaattikivet (kuoret, liitu ja kalkkikivikertymät meressä) liukenevat; tämä kompensoi hiilikarbonaatti-ionien menetystä:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (tv.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Kiinteät karbonaatit muuttuvat liukoisiksi hiilivedyiksi. Tämä ylimääräisen hiilidioksidin kemiallinen liukenemisprosessi estää "kasvihuoneilmiön" - ilmaston lämpenemisen, joka johtuu maapallon lämpösäteilyn absorptiosta hiilidioksidilla. Noin kolmasosa maailman soodan (natriumkarbonaatti Na 2 CO 3) tuotannosta käytetään lasin valmistukseen.

Hiilimonoksidi (IV) (hiilidioksidi, hiilidioksidi) on normaaleissa olosuhteissa väritön kaasu, ilmaa raskaampi, termisesti stabiili, ja se muuttuu puristettuna ja jäähdytettynä helposti nestemäiseksi ja kiinteäksi olomuodoksi.

Tiheys - 1,997 g / l. Kiinteä CO2, jota kutsutaan kuivajääksi, sublimoituu huoneenlämpötilassa. Liukenee huonosti veteen, reagoi osittain sen kanssa. Näyttää happamia ominaisuuksia. Sitä palauttavat aktiiviset metallit, vety ja hiili.

Hiilimonoksidin kemiallinen kaava 4
Hiilimonoksidin (IV) CO2 kemiallinen kaava. Se osoittaa, että tämä molekyyli sisältää yhden hiiliatomin (Ar = 12 a.m.u.) ja kaksi happiatomia (Ar = 16 a.m.u.). Kemiallisen kaavan mukaan voit laskea hiilimonoksidin molekyylipainon (IV):

Mr(CO2) = Ar(C) + 2 x Ar(O);

Mr(CO2) = 12 + 2 × 16 = 12 + 32 = 44.

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta
ESIMERKKI 1
Tehtävä Kun poltetaan 26,7 g aminohappoa (CxHyOzNk) yli hapen, muodostuu 39,6 g hiilimonoksidia (IV), 18,9 g vettä ja 4,2 g typpeä. Määritä aminohappokaava.
Ratkaisu Tehdään kaavio aminohapon palamisreaktiosta, jossa hiili-, vety-, happi- ja typpiatomien lukumäärä merkitään "x", "y", "z" ja "k" vastaavasti:
CxHyOzNk+ Oz→CO2 + H2O + N2.

Määritämme tämän aineen muodostavien alkuaineiden massat. Suhteellisten atomimassojen arvot on otettu D.I.:n jaksollisesta taulukosta. Mendelejev, pyöristetty kokonaislukuihin: Ar(C) = 12 a.m.u., Ar(H) = 1 a.m.u., Ar(O) = 16 a.m.u., Ar(N) = 14 a.m.u.

M(C) = n(C) x M(C) = n(CO2) x M(C) = x M(C);

M(H) = n(H) x M(H) = 2 x n(H20) x M(H) = x M(H);

Laske hiilidioksidin ja veden moolimassat. Kuten tiedetään, molekyylin moolimassa on yhtä suuri kuin molekyylin muodostavien atomien suhteellisten atomimassojen summa (M = Mr):

M(CO2) = Ar(C) + 2 x Ar(O) = 12+ 2 x 16 = 12 + 32 = 44 g/mol;

M(H20) = 2 x Ar(H) + Ar(O) = 2 x 1 + 16 = 2 + 16 = 18 g/mol.

M(C) = x 12 = 10,8 g;

M(H) = 2 x 18,9 / 18 x 1 = 2,1 g.

M(O) = m (CxHyOzNk) - m (C) - m (H) - m (N) = 26,7 - 10,8 - 2,1 - 4,2 \u003d 9,6 g.

Määritellään aminohapon kemiallinen kaava:

X:y:z:k = m(C)/Ar(C): m(H)/Ar(H): m(O)/Ar(O): m(N)/Ar(N);

X:y:z:k = 10,8/12:2,1/1:9,6/16: 4,2/14;

X:y:z:k = 0,9: 2,1: 0,41: 0,3 = 3: 7: 1,5: 1 = 6: 14: 3: 2.

Joten aminohapon yksinkertaisin kaava on C6H14O3N2.

Vastaus C6H14O3N2
ESIMERKKI 2
Tehtävä Tee yksinkertaisin kaava yhdisteestä, jossa alkuaineiden massaosuudet ovat suunnilleen yhtä suuret: hiili - 25,4%, vety - 3,17%, happi - 33,86%, kloori - 37,57%.
Ratkaisu Alkuaineen X massaosuus koostumuksen HX molekyylissä lasketaan seuraavalla kaavalla:
ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100 %.

Merkitään molekyylin hiiliatomien lukumäärä "x", vetytyppiatomien lukumäärä "y", happiatomien lukumäärä "z" ja klooriatomien lukumäärä "k".

Etsitään elementtien hiili, vety, happi ja kloori vastaavat suhteelliset atomimassat (D.I. Mendelejevin jaksollisesta taulukosta otetut suhteelliset atomimassat pyöristetään kokonaislukuihin).

Ar(C) = 12; Ar(H) = 14; Ar(O) = 16; Ar(Cl) = 35,5.

Jaamme alkuaineiden prosenttiosuuden vastaavilla suhteellisilla atomimassoilla. Siten löydämme suhteen yhdisteen molekyylin atomien lukumäärän välillä:

X:y:z:k = ω(C)/Ar(C): ω(H)/Ar(H): ω(O)/Ar(O): ω(Cl)/Ar(Cl);

X:y:z:k = 25,4/12: 3,17/1: 33,86/16: 37,57/35,5;

X:y:z:k = 2,1: 3,17: 2,1: 1,1 = 2: 3: 2: 1.

Tämä tarkoittaa, että yksinkertaisin kaava hiilen, vedyn, hapen ja kloorin yhdistelmälle on C2H3O2Cl.

Hiili

Vapaassa tilassa hiili muodostaa 3 allotrooppista modifikaatiota: timantti, grafiitti ja keinotekoisesti saatu karbiini.

Timanttikiteessä jokainen hiiliatomi on sidottu vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla neljään muuhun, jotka on sijoitettu saman etäisyyden päähän sen ympäriltä.

Kaikki hiiliatomit ovat sp3-hybridisaatiotilassa. Timantin atomikidehilassa on tetraedrirakenne.

Timantti on väritön, läpinäkyvä, erittäin taittava aine. Sillä on suurin kovuus kaikista tunnetuista aineista. Timantti on hauras, tulenkestävä, johtaa huonosti lämpöä ja sähköä. Pienet etäisyydet vierekkäisten hiiliatomien välillä (0,154 nm) määräävät timantin melko suuren tiheyden (3,5 g/cm 3 ).

Grafiitin kidehilassa jokainen hiiliatomi on sp 2 -hybridisaatiotilassa ja muodostaa kolme vahvaa kovalenttista sidosta samassa kerroksessa sijaitsevien hiiliatomien kanssa. Jokaisesta atomista kolme elektronia, hiili, osallistuu näiden sidosten muodostumiseen, ja neljännet valenssielektroni muodostavat n-sidoksia ja ovat suhteellisen vapaita (liikkuvia). Ne määrittävät grafiitin sähkön ja lämmönjohtavuuden.

Samassa tasossa olevien vierekkäisten hiiliatomien välisen kovalenttisen sidoksen pituus on 0,152 nm ja C-atomien välinen etäisyys eri kerroksissa on 2,5 kertaa suurempi, joten niiden väliset sidokset ovat heikkoja.

Grafiitti on läpinäkymätön, pehmeä, kosketukselle rasvainen aine, jonka väri on harmaa-musta ja jossa on metallinhohto; johtaa hyvin lämpöä ja sähköä. Grafiitin tiheys on pienempi kuin timantilla, ja se halkeaa helposti ohuiksi hiutaleiksi.

Hienorakeisen grafiitin epäjärjestynyt rakenne on amorfisen hiilen eri muotojen rakenteen taustalla, joista tärkeimmät ovat koksi, ruskea ja musta hiili, noki, aktiivihiili.

Tämä hiilen allotrooppinen modifikaatio saadaan asetyleenin katalyyttisellä hapetuksella (dehydropolykondensaatiolla). Carbyne on ketjupolymeeri, jolla on kaksi muotoa:

C=C-C=C-... ja...=C=C=C=

Karbiinilla on puolijohdeominaisuuksia.

Tavallisessa lämpötilassa molemmat hiilen muunnelmat (timantti ja grafiitti) ovat kemiallisesti inerttejä. Grafiitin hienokiteiset muodot - koksi, noki, Aktiivihiili- reaktiivisempia, mutta pääsääntöisesti niiden alustavan kuumentamisen jälkeen korkeaan lämpötilaan.

1. Vuorovaikutus hapen kanssa

C + O 2 \u003d CO 2 + 393,5 kJ (yli O 2)

2C + O 2 \u003d 2CO + 221 kJ (O 2:n puutteella)

Hiilen poltto on yksi tärkeimmistä energianlähteistä.

2. Vuorovaikutus fluorin ja rikin kanssa.

C + 2F 2 = CF 4 hiilitetrafluoridi

C + 2S \u003d CS 2 hiilidisulfidi

3. Koksi on yksi tärkeimmistä teollisuudessa käytetyistä pelkistysaineista. Metallurgiassa sitä käytetään metallien valmistukseen oksideista, esimerkiksi:

ZS + Fe 2 O 3 \u003d 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. Kun hiili on vuorovaikutuksessa alkali- ja maa-alkalimetallien oksidien kanssa, pelkistetty metalli yhdistyy hiilen kanssa muodostaen karbidia. Esimerkiksi: 3C + CaO \u003d CaC 2 + CO kalsiumkarbidi

5. Koksia käytetään myös piin saamiseksi:

2C + SiO 2 \u003d Si + 2CO

6. Ylimääräisellä koksilla muodostuu piikarbidia (karborundi) SiC:tä.

"Vesikaasun" saaminen (kaasutus kiinteä polttoaine)

Ohjaamalla vesihöyryä kuuman hiilen läpi saadaan CO:n ja H2:n palava seos, jota kutsutaan vesikaasuksi:

C + H 2 O \u003d CO + H 2

7. Reaktiot hapettavien happojen kanssa.

Aktiivihiili tai hiili vähentää kuumennettaessa anioneja NO 3 - ja SO 4 2 - väkeviä happoja:

C + 4HNO 3 \u003d CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2SO 4 \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

8. Reaktiot sulan alkalimetallinitraattien kanssa

KNO 3 - ja NaNO 3 -sulaissa murskattu kivihiili palaa intensiivisesti muodostaen sokaisevan liekin:

5C + 4KNO 3 \u003d 2K 2CO 3 + ZSO 2 + 2N 2

1. Suolamaisten karbidien muodostuminen aktiivisten metallien kanssa.

Hiilen ei-metallisten ominaisuuksien merkittävä heikkeneminen ilmenee siinä, että sen tehtävät hapettavana aineena ilmenevät paljon vähemmän kuin pelkistävät toiminnot.

2. Vain reaktioissa aktiivisten metallien kanssa hiiliatomit siirtyvät negatiivisesti varautuneiksi ioneiksi C -4 ja (C \u003d C) 2- muodostaen suolan kaltaisia ​​karbideja:

ZS + 4Al \u003d Al 4 C 3 alumiinikarbidi

2C + Ca \u003d CaC 2 kalsiumkarbidi

3. Ionityyppiset karbidit ovat erittäin epästabiileja yhdisteitä, ne hajoavat helposti happojen ja veden vaikutuksesta, mikä osoittaa negatiivisesti varautuneiden hiilianionien epävakauden:

Al 4 C 3 + 12H 2 O \u003d ZSN 4 + 4Al (OH) 3

CaC 2 + 2H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2

4. Kovalenttisten yhdisteiden muodostuminen metallien kanssa

Hiilen ja siirtymämetallien seosten sulatuksissa karbideja muodostuu pääasiassa kovalenttisella sidoksella. Niiden molekyyleillä on vaihteleva koostumus, ja aineet ovat yleensä lähellä metalliseoksia. Tällaiset karbidit ovat erittäin kestäviä, ne ovat kemiallisesti inerttejä vettä, happoja, emäksiä ja monia muita reagensseja kohtaan.

5. Vuorovaikutus vedyn kanssa

Korkealla T:lla ja P:llä nikkelikatalyytin läsnä ollessa hiili yhdistyy vedyn kanssa:

C+2H2 → CH4

Reaktio on hyvin palautuva, eikä sillä ole käytännön merkitystä.

Hiilimonoksidi (II)– CO

(hiilimonoksidi, hiilimonoksidi, hiilimonoksidi)

Fyysiset ominaisuudet: väritön myrkyllinen kaasu, mauton ja hajuton, palaa sinertävällä liekillä, ilmaa kevyempi, liukenee huonosti veteen. Ilman hiilimonoksidipitoisuus 12,5-74 % on räjähtävää.

Kuitti:

1) Teollisuudessa

C + O 2 \u003d CO 2 + 402 kJ

CO 2 + C \u003d 2CO - 175 kJ

Kaasugeneraattoreissa vesihöyryä puhalletaan joskus kuuman hiilen läpi:

C + H 2 O \u003d CO + H 2 - Q,

CO + H 2 -seos, jota kutsutaan synteesikaasuksi.

2) Laboratoriossa- muurahaishapon tai oksaalihapon lämpöhajoaminen H 2 SO 4:n (konsentr.) läsnä ollessa:

HCOOH t˚C, H2SO4 → H2O + CO

H2C2O4 t˚C, H2SO4 → CO + CO 2 + H 2 O

Kemiallisia ominaisuuksia:

Tavallisissa olosuhteissa CO on inertti; kuumennettaessa - pelkistävä aine;

CO - suolaa muodostamaton oksidi.

1) hapella

2C +2 O + O 2 t ˚ C → 2C +4 O 2

2) metallioksideilla CO + Me x O y \u003d CO 2 + Me

C +2 O + CuO t ˚ C → Сu + C +4 O 2

3) kloorilla (valossa)

CO + Cl 2 light → COCl 2 (fosgeeni on myrkyllinen kaasu)

4)* reagoi alkalisulatteiden kanssa (paineessa)

CO + NaOH P → HCOONa (natriumformiaatti)

Hiilimonoksidin vaikutus eläviin organismeihin:

Hiilimonoksidi on vaarallista, koska se tekee veren mahdottomaksi kuljettaa happea tärkeisiin elimiin, kuten sydämeen ja aivoihin. Hiilimonoksidi yhdistyy hemoglobiiniin, joka kuljettaa happea kehon soluihin, minkä seurauksena se ei sovellu hapen kuljettamiseen. Sisäänhengitetystä määrästä riippuen hiilimonoksidi heikentää koordinaatiota, pahentaa sydän- ja verisuonitauteja ja aiheuttaa väsymystä, päänsärky, heikkous, Hiilimonoksidin vaikutus ihmisten terveyteen riippuu sen pitoisuudesta ja altistumisajasta keholle. Ilman yli 0,1 % hiilimonoksidipitoisuus johtaa kuolemaan tunnissa ja yli 1,2 % pitoisuus kolmessa minuutissa.

Hiilimonoksidin käyttökohteet:

Hiilimonoksidia käytetään pääasiassa typen kanssa sekoitettuna palavana kaasuna, ns. generaattori- tai ilmakaasuna tai vedyn kanssa sekoitettuna vesikaasuna. Metallurgiassa metallien talteenottoon niiden malmeista. Erittäin puhtaiden metallien saamiseksi hajottamalla karbonyylit.

Hiilimonoksidi (IV) CO2 - hiilidioksidi

Fyysiset ominaisuudet: Hiilidioksidi, väritön, hajuton, liukenee veteen - 0,9 V CO 2 liukenee 1 V:aan H 2 O (normaaliolosuhteissa); ilmaa raskaampi; t°pl. = -78,5°C (kiinteää C02:ta kutsutaan "kuivajääksi"); ei tue palamista.

Molekyylirakenne:

Hiilidioksidilla on seuraavat elektroniset ja rakennekaavat -

3. Hiilipitoisten aineiden poltto:

CH 4 + 2O 2 → 2H2O+CO2

4. Hidas hapettuminen biokemiallisissa prosesseissa (hengitys, hajoaminen, käyminen)

Kemiallisia ominaisuuksia:

Hiilimonoksidi (IV), hiilihappo ja niiden suolat

Moduulin monimutkainen tarkoitus: tuntea menetelmät hiilen (IV) oksidin ja hydroksidin saamiseksi; kuvaile niiden fysikaalisia ominaisuuksia; tuntea happo-emäsominaisuuksien ominaisuudet; luonnehtia redox-ominaisuuksia.

Kaikki hiilen alaryhmän alkuaineet muodostavat oksideja, joilla on yleinen kaava EO 2 . CO 2:lla ja SiO 2:lla on happamia ominaisuuksia, GeO 2:lla, SnO 2:lla, PbO 2:lla on amfoteerisia ominaisuuksia, joissa happamat ominaisuudet ovat vallitseva, ja alaryhmässä ylhäältä alas happamat ominaisuudet heikkenevät.

Hiilen ja piin hapetusaste (+4) on erittäin stabiili, joten yhdisteen hapettavat ominaisuudet näkyvät erittäin vaikeasti. Germanium-alaryhmässä yhdisteiden (+4) hapettavat ominaisuudet paranevat korkeimman hapetusasteen destabiloitumisesta johtuen.

Hiilimonoksidi (IV), hiilihappo ja niiden suolat

Hiilidioksidi CO 2 (hiilidioksidi) - normaaliolosuhteissa se on väritön ja hajuton kaasu, maultaan hieman hapan, noin 1,5 kertaa ilmaa raskaampi, veteen liukeneva, nesteytyy melko helposti - huoneenlämmössä se on muodikasta muuttaa neste, jonka paine on noin 60 10 5 Pa. Jäähdytettynä 56,2 °C:seen nestemäinen hiilidioksidi jähmettyy ja muuttuu lumiksi massaksi.

Kaikkiaan aggregaatiotilat koostuu ei-polaarisista lineaarisista molekyyleistä. Kemiallinen rakenne CO 2 määräytyy keskushiiliatomin sp-hybridisaatiosta ja lisäp:n muodostumisesta rr-sidokset: O = C = O

Osa tahtiin liuenneesta CO 2:sta on vuorovaikutuksessa sen kanssa hiilihapon muodostuksessa

CO 2 + H 2 O - CO 2 H 2 O - H 2 CO 3.

Hiilidioksidi imeytyy hyvin helposti alkaliliuoksiin, jolloin muodostuu karbonaatteja ja bikarbonaatteja:

CO 2 + 2NaOH \u003d Na 2CO 3 + H 2O;

CO 2 + NaOH \u003d NaHC03.

CO 2 -molekyylit ovat erittäin stabiileja termisesti, hajoaminen alkaa vasta 2000 ºC:n lämpötilassa. Siksi hiilidioksidi ei pala eikä tue tavanomaisten polttoaineiden palamista. Mutta sen ilmapiirissä jotkut palavat yksinkertaiset aineet, jonka atomeilla on korkea affiniteetti happea kohtaan, esimerkiksi magnesium syttyy kuumennettaessa CO 2 -ilmakehässä.

Hiilihappo ja sen suolat

Hiilihappo H 2 CO 3 - yhteys on hauras, esiintyy vain vesiliuoksissa. Suurin osa veteen liuenneesta hiilidioksidista on hydratoituneiden CO 2 -molekyylien muodossa, pienempi osa muodostaa hiilihappoa.

Ilmakehän CO 2:n kanssa tasapainossa olevat vesiliuokset ovat happamia: = 0,04 M ja pH? neljä.

Hiilihappo on kaksiemäksistä, kuuluu heikkoihin elektrolyytteihin, dissosioituu vaiheittain (K 1 \u003d 4,4 10 -7; K 2 \u003d 4,8 10 -11). Kun CO 2 liuotetaan veteen, muodostuu seuraava dynaaminen tasapaino:

H 2 O + CO 2 - CO 2 H 2 O - H 2CO 3 - H + + HCO 3?

Kun hiilidioksidin vesiliuosta kuumennetaan, kaasun liukoisuus heikkenee, liuoksesta vapautuu CO 2:ta ja tasapaino siirtyy vasemmalle.

Hiilihapon suolat

Koska hiilihappo on kaksiemäksinen, se muodostaa kaksi suolasarjaa: keskisuolat (karbonaatit) ja happamat (hiilikarbonaatit). Useimmat hiilihapon suolat ovat värittömiä. Karbonaateista vain alkalimetalli- ja ammoniumsuolat liukenevat veteen.

Vedessä karbonaatit hydrolysoituvat, ja siksi niiden liuoksilla on alkalinen reaktio:

Na2C03 + H20 - NaHC03 + NaOH.

Lisähydrolyysiä hiilihapon muodostuksen kanssa ei käytännössä tapahdu normaaleissa olosuhteissa.

Bikarbonaattien liukenemiseen veteen liittyy myös hydrolyysi, mutta paljon pienemmässä määrin, ja väliaine on lievästi emäksistä (pH = 8).

Ammoniumkarbonaatti (NH 4) 2 CO 3 on erittäin haihtuvaa korotetuissa ja jopa normaaleissa lämpötiloissa, erityisesti vesihöyryn läsnä ollessa, mikä aiheuttaa voimakasta hydrolyysiä

Vahvat hapot ja jopa heikko etikkahappo syrjäyttävät hiilihapon karbonaateista:

K 2CO 3 + H 2 SO 4 \u003d K 2 SO 4 + H 2 O + CO 2 ^.

Toisin kuin useimmat karbonaatit, kaikki hiilivedyt liukenevat veteen. Ne ovat vähemmän stabiileja kuin samojen metallien karbonaatit ja hajoavat helposti kuumennettaessa ja muuttuvat vastaaviksi karbonaateiksi:

2KHCO 3 \u003d K 2CO 3 + H 2O + CO 2^;

Ca (HCO 3) 2 \u003d CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ^.

Vahvat hapot hajottavat bikarbonaatteja, kuten karbonaatteja:

KHCO 3 + H 2 SO 4 \u003d KHSO 4 + H 2 O + CO 2

Hiilihapon suoloista korkein arvo sisältää: natriumkarbonaatti (sooda), kaliumkarbonaatti (kalium), kalsiumkarbonaatti (liitu, marmori, kalkkikivi), natriumbikarbonaatti (ruokasooda) ja emäksinen kuparikarbonaatti (CuOH) 2 CO 3 (malakiitti).

Hiilihapon emäksiset suolat ovat käytännössä veteen liukenemattomia ja hajoavat helposti kuumennettaessa:

(CuOH) 2CO 3 \u003d 2CuO + CO 2 + H 2 O.

Yleensä karbonaattien lämpöstabiilisuus riippuu karbonaatin muodostavien ionien polarisaatioominaisuuksista. Mitä suurempi kationin polarisoiva vaikutus karbonaatti-ioniin on, sitä alhaisempi on suolan hajoamislämpötila. Jos kationi voi helposti muuttaa muotoaan, itse karbonaatti-ionilla on myös polarisoiva vaikutus kationiin, mikä johtaa suolan hajoamislämpötilan jyrkäseen laskuun.

Natrium- ja kaliumkarbonaatit sulavat hajoamatta, kun taas suurin osa jäljellä olevista karbonaateista hajoaa metallioksidiksi ja hiilidioksidiksi kuumennettaessa.

Hiilidioksidi, joka tunnetaan myös nimellä 4, reagoi useiden aineiden kanssa muodostaen yhdisteitä, joiden koostumus ja kemialliset ominaisuudet vaihtelevat. Se koostuu ei-polaarisista molekyyleistä, ja siinä on erittäin heikot molekyylien väliset sidokset ja se löytyy vain, jos lämpötila on korkeampi kuin 31 celsiusastetta. Hiilidioksidi on kemiallinen yhdiste, joka koostuu yhdestä hiiliatomista ja kahdesta happiatomista.

Hiilimonoksidi 4: kaava ja perustiedot

Hiilidioksidia on maapallon ilmakehässä pieninä pitoisuuksina ja se toimii kasvihuonekaasuna. Sen kemiallinen kaava on CO 2 . Korkeissa lämpötiloissa se voi esiintyä vain kaasumaisessa tilassa. Kiinteässä olomuodossaan sitä kutsutaan kuivajääksi.

Hiilidioksidi on tärkeä osa hiilen kiertoa. Se tulee useista luonnollisista lähteistä, mukaan lukien vulkaaninen kaasunpoisto, orgaanisen aineen palaminen ja elävien aerobisten organismien hengitysprosessit. Ihmisperäiset hiilidioksidilähteet liittyvät pääasiassa erilaisten fossiilisten polttoaineiden polttamiseen sähköntuotantoon ja -liikenteeseen.

Sitä tuottavat myös erilaiset mikro-organismit käymisestä ja soluhengityksestä. Kasvit muuttavat hiilidioksidin hapeksi fotosynteesin aikana käyttämällä sekä hiiltä että happea hiilihydraattien muodostamiseen. Lisäksi kasvit vapauttavat ilmakehään myös happea, jota heterotrofiset organismit käyttävät sitten hengitykseen.

Hiilidioksidi (CO2) kehossa

Hiilimonoksidi 4 reagoi erilaisten aineiden kanssa ja on aineenvaihdunnan kaasumainen jätetuote. Yli 90 % siitä on veressä bikarbonaattina (HCO 3). Loput ovat joko liuennutta CO 2:ta tai hiilihappoa (H2CO 3). Elimet, kuten maksa ja munuaiset, ovat vastuussa näiden yhdisteiden tasapainottamisesta veressä. Bikarbonaatti on Kemiallinen aine, joka toimii puskurina. Se pitää veren pH-tason vaaditulla tasolla välttäen happamuuden lisääntymistä.

Hiilidioksidin rakenne ja ominaisuudet

Hiilidioksidi (CO 2 ) on kemiallinen yhdiste, joka on kaasu huoneenlämpötilassa ja sitä korkeammassa lämpötilassa. Se koostuu yhdestä hiiliatomista ja kahdesta happiatomista. Ihmiset ja eläimet vapauttavat hiilidioksidia uloshengittäessä. Lisäksi sitä muodostuu aina, kun jotain orgaanista poltetaan. Kasvit käyttävät hiilidioksidia ruoan tuottamiseen. Tätä prosessia kutsutaan fotosynteesiksi.

Skotlantilainen tiedemies Joseph Black tutki hiilidioksidin ominaisuuksia jo 1750-luvulla. kykenee vangitsemaan lämpöenergiaa ja vaikuttamaan planeettamme ilmastoon ja säähän. Hän on ilmaston lämpenemisen ja maapallon pinnan lämpötilan nousun aiheuttaja.

Biologinen rooli

Hiilimonoksidi 4 reagoi eri aineiden kanssa ja on lopputuote organismeissa, jotka saavat energiaa sokereiden, rasvojen ja aminohappojen hajoamisesta. Tämän prosessin tiedetään olevan tyypillinen kaikille kasveille, eläimille, monille sienille ja joillekin bakteereille. Korkeammissa eläimissä hiilidioksidi kulkeutuu veressä kehon kudoksista keuhkoihin, joissa se hengitetään ulos. Kasvit saavat sen ilmakehästä käytettäväksi fotosynteesiä varten.

Kuivajää

Kuivajää tai kiinteä hiilidioksidi on kiinteää hiilidioksidia, jonka lämpötila on -78,5 °C. Luonnollisessa muodossaan tätä ainetta ei esiinny luonnossa, vaan se on ihmisen tuottama. Se on väritön ja sitä voidaan käyttää hiilihapollisten juomien valmistukseen, jäähdytyselementtinä jäätelöpakkauksissa ja kosmetologiassa esimerkiksi syylien jäädyttämiseen. Kuivajäähöyryt aiheuttavat tukehtumisen ja voivat olla hengenvaarallisia. Kuivajäätä käytettäessä tulee noudattaa huolellisuutta ja ammattitaitoa.

Normaalipaineessa se ei sula nesteestä, vaan muuttuu suoraan kiinteästä aineesta kaasuksi. Tätä kutsutaan sublimaatioksi. Se muuttuu suoraan kiinteästä kaasuksi missä tahansa lämpötilassa, joka ylittää äärimmäisen kylmiä lämpötiloja. Kuivajää sublimoituu normaalissa ilman lämpötilassa. Tämä vapauttaa hiilidioksidia, joka on hajuton ja väritön. Hiilidioksidi voidaan nesteyttää paineissa, jotka ovat yli 5,1 atm. Kuivajäästä vapautuva kaasu on niin kylmää, että se ilman kanssa sekoittuessaan jäähdyttää ilmassa olevan vesihöyryn paksulta valkoiselta savuksi näyttäväksi sumuksi.

Valmistus, kemialliset ominaisuudet ja reaktiot

Teollisuudessa hiilimonoksidia 4 saadaan kahdella tavalla:

1. Polttamalla polttoainetta (C + O 2 = CO 2).
2. Kalkkikiven termisellä hajoamisella (CaCO 3 = CaO + CO 2).

Saatu tilavuus hiilimonoksidia 4 puhdistetaan, nesteytetään ja pumpataan erityisiin sylintereihin.

Koska hiilimonoksidi 4 on hapan, se reagoi aineiden, kuten:

• Vesi. Liuotettuna muodostuu hiilihappoa (H2CO3).
• alkaliset liuokset. Hiilimonoksidi 4 (kaava CO 2) reagoi alkalien kanssa. Tässä tapauksessa muodostuu keskimääräisiä ja happamia suoloja (NaHC03).
• Nämä reaktiot muodostavat karbonaattisuoloja (CaCO 3 ja Na 2 CO 3).
• Hiili. Kun hiilimonoksidi 4 reagoi kuuman hiilen kanssa, muodostuu hiilimonoksidia 2 (hiilimonoksidia), joka voi aiheuttaa myrkytyksen. (CO 2 + C \u003d 2CO).
• Magnesium. Hiilidioksidi ei pääsääntöisesti tue palamista, vain erittäin korkeissa lämpötiloissa se voi reagoida joidenkin metallien kanssa. Esimerkiksi sytytetty magnesium jatkaa palamista CO 2:ssa redox-reaktion aikana (2Mg + CO 2 = 2MgO + C).

Hiilimonoksidin 4 kvalitatiivinen reaktio ilmenee, kun se johdetaan kalkkikiviveden (Ca (OH) 2) tai bariittiveden (Ba (OH) 2) läpi. Pilvyyttä ja saostumista voidaan havaita. Jos sen jälkeen jatkat hiilidioksidin kulkeutumista Lisäksi vesi muuttuu jälleen läpinäkyväksi, koska liukenemattomat karbonaatit muuttuvat liukoisiksi hiilivedyiksi (hiilihapon happosuoloiksi).

Hiilidioksidia syntyy myös poltettaessa kaikkia hiilipitoisia polttoaineita, kuten metaania (maakaasu), öljytisleitä (bensiini, diesel, kerosiini, propaani), hiiltä tai puuta. Useimmissa tapauksissa myös vettä vapautuu.

Hiilidioksidi (hiilidioksidi) koostuu yhdestä hiiliatomista ja kahdesta happiatomista, joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset (tai elektronien jakaminen). Puhdas hiili on erittäin harvinaista. Sitä esiintyy luonnossa vain mineraalien, grafiitin ja timanttien muodossa. Siitä huolimatta se on elämän rakennuspalikka, joka yhdessä vedyn ja hapen kanssa muodostaa perusyhdisteet, joista kaikki planeetalla muodostuu.

Hiilivedyt, kuten kivihiili, öljy ja maakaasu, ovat yhdisteitä, jotka koostuvat vedystä ja hiilestä. Tätä alkuainetta löytyy kalsiitista (CaCo 3), mineraaleista sedimentti- ja metamorfisissa kivissä, kalkkikivestä ja marmorista. Tämä on elementti, joka sisältää kaiken eloperäinen aine- fossiilisista polttoaineista DNA:han.