Общая характеристика углерода.

Химическая активность

Сравнительная характеристика

СН₄ SiH₄ GeH₄ SnH₄ PbH₄

^{метан силан герман станнан не получен}

Прочность молекул ↓

Химическая активность ↑

Восстановительная способность ↑

Метан химически малоактивен, остальные гидриды очень реакционноспособны, они полностью разлагаются водой с выделением водорода:

ЭH₄ + 2H₂O = ЭO₂ + 4H₂↑

или

ЭH₄ + 6H₂O = H₂[Э(OH)₆] + 4H₂↑

Углерод с водородом, кроме СН₄, образует бесчисленное множество соединений C_xH_y – углеводородов (предмет изучения органической химии).

Получены также кремневодороды и германоводороды общей формулы Э_nH_2n+2 , где n≤8. Практического значения не имеют.

По значимости два элемента главной подгруппы IV группы занимают особое положение. Углерод является основой органических соединений, следовательно – главным элементом живой материи. Кремний– главный элемент всей неживой природы.

Углерод не принадлежит к самым распространенным в природе элементам – на его долю приходится 0,15 % от общего числа атомов земной коры. Формы нахождения углерода в природе многообразны. Кроме тканей всех живых организмов и продуктов их разрушения, он находится в составе карбонатных минералов (прежде всего CaCO₃ и MgCO₃), каменного угля, нефти, а также в виде графита и реже алмаза. Атмосфера содержит углерод в виде углекислого газа, который в растворенном состоянии находится также во всех природных водах. Углерод – главная составная часть животного и растительного мира.

Углерод – типичный неметаллический элемент, относящийся к р-элементам IV группы. В зависимости от числа σ-связей координационное число углерода равно четырем (sp³-гибридизация), трем (sp²-гибридизация) или двум (sp-гибридизация валентных орбиталей):

В большинстве неорганических соединений углерод проявляет степени окисления – 4; + 4; + 2. В атоме углерода число валентных электронов равно числу валентных орбиталей. Это одна из основных причин большой устойчивости связи С-С и исключительной склонности углерода к образованию гомоцепей. Гомоцепные молекулы, содержащие связь С-С, бывают самых разнообразных типов: линейные, разветвленные, сшитые и циклические. В зависимости от этого мы можем выделить три аллотропные модификации углерода – алмаз, графит и карбин.

Алмаз – бесцветное кристаллическое вещество с атомной координационной кубической решеткой (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения атомов углерода в алмазе

Каждый атом в алмазе образует равноценные прочные σ-связи с четырьмя соседними. Это обуславливает исключительную твердость и отсутствие электронной проводимости в обычных условиях.

Графит– слоистое кристаллическое вещество с гексагональной структурой, серого цвета и металлическим блеском. В соответствии с sp²-гибридизацией орбиталей атомы углерода объединяются в макромолекулы, представляющие собой бесконечные слои из шестичленных колец (рис. 2).

Рис. 2. Структура графита

Прочность химических связей в плоскости макромолекулы значительно больше, чем между слоями. Поэтому графит довольно мягок, легко расслаивается, химически несколько активнее алмаза.

Карбин– черный порошок; его решетка гексагональная, построена из прямолинейных цепочек. sp-гибридизация орбиталей углерода отвечает объединению атомов в цепи вида:

-С≡С-С≡С-С≡ (полиин)

или

=С=С=С=С=С (поликумулен).

Карбин – полупроводник. Под влиянием света его электрическая проводимость резко возрастает.

Сочетание атомов углерода разных гибридных состояний в единой полимерной структуре порождает множество аморфных форм углерода. Типичным примером аморфного углерода является стеклоуглерод и фуллерен, кокс, древесный уголь и сажа.

Уголь (особенно древесный) обладает большой адсорбционной способностью (т. е. поглощением на поверхности газов, паров и растворенных веществ). Такая способность угля обусловливается его пористостью. Чем больше пор, тем больше поверхность угля и тем больше адсорбционная способность. Обычно поры древесного угля частично заполнены различными веществами, что снижает его адсорбционную способность. Для усиления адсорбции уголь подвергают специальной обработке – нагревают в струе водяного пара, чтобы освободить его поры от загрязняющих веществ. Обработанный таким образом уголь называют активным. В медицине таблетки из активного угля используют для удаления вредных веществ из организма.