Реферат: Подгруппа углерода. Углерод

Реферат

 по теме:

«Подгруппа углерода. Углерод.»

ученицы 9-г класса

средней школы №9

Слабодчиковой Валентины

Учитель:

Белокопытов Ю. С.

Июнь 1999

г. Чехов

Содержание.

1. Общаяхарактеристика элементов подгруппы углерода..............................................................................3

2. Аллотропныевидоизмененияуглерода..............................................................................6

3. Адсорбция..........................................................................9

4. Списокиспользованнойлитературы....................................................................10

Общая характеристика элементов подгруппы углерода.

Главнуюподгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева  образуют пятьэлементов — углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи с тем, что отуглерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают,способность к присоединению электронов, а следовательно, и неметаллическиесвойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов — возрастать. Уже угермания проявляются металлические свойства, а у олова и у свинца онипреобладают над неметаллическими. Таким образом, углерод и кремний относят кнеметаллам, германий причисляют как к металлам, так и к неметаллам, а олово исвинец — металлы.

 Германийпо внешнему виду похож на металлы, но хрупок. Как и кремний, германийпринадлежит к полупроводникам, т. е. к веществам, занимающим промежуточноеположение между непроводниками электрического тока, или изоляторами (многиенеметаллы),  и проводниками (металлы). В качестве полупроводника германийшироко применяется в радиоэлектронике.

Простыевещества, образованные оловом и свинцом- следующими элементами подгруппы,проявляют уже все типичные свойства металлов:  металлический блеск, высокуюэлектрическую проводимость и  теплопроводность, пластичность. Как правило,олово и свинец образуют соединения, в которых они проявляют степени окисления+2 и +4.  На внешнем энергетическом уровне атомов элементов главной подгруппыIV группы содержатся четыре электрона: два спаренных s-электрона и  дванеспаренных р-электрона. Поэтому при образовании соединений атомы этихэлементов могут или отдавать все  четыре электрона, проявляя высшую степеньокисления +4, или принимать четыре электрона, проявляя при этом степеньокисления -4.

Средиэлементов IV группы наибольшее значение имеют углерод, входящий в состав всехживых организмов, и кремний — важнейший элемент земной коры.

Двухвалентныесоединения  для кремния менее характерны, чем для углерода. Это связано сменьшим значением энергии возбуждения атомов кремния благодаря большейудаленности наружных электронов от ядра. При обычных условиях углерод и кремнийочень инертны и практически не взаимодействуют ни с какими простыми и сложнымивеществами.

Приобычных условиях углерод и кремний очень инертны и практически невзаимодействуют ни с какими простыми и сложными веществами. Исключениесоставляет аморфный кремний, реагирую­щий с фтором.

Принагревании углерод и кремний взаимодействуют с галоге­нами, с элементамиподгруппы серы, азотом, водородом и многими металлами. В последнем случаеобразуются соединения, называ­емые карбидами и силицидами. С углеродом икремнием взаимо­действуют лишь некоторые кислоты, являющиеся сильными окис­лителями.Например, в присутствии окислителей (KClO3, MnO­2)аморфный углерод растворяется в концентрированных азотной и серной кислотах принагревании. Кремний же растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 18HF + 4HNO­3 = 3H2SiF6+ 4NO + 8Н2О

Щелочипереводят кремний в соли кремниевой кислоты с выде­лением водорода:

Si + 2КОН + H2O= К2Si03+ 2Н2­

Сводой углерод и кремний реагируют лишь при высоких тем­пературах:

С + Н2О ®¬ СО + Н2

Si + ЗН2О = Н2SiO3 +2Н2

Перваяиз этих реакций имеет большое практическое значение. Она лежит в основепроцесса газификации твердого топлива.

Углеродв отличие от кремния непосредственно взаимодейству­ет с водородом:

С + 2Н2 = СН4

Реакцияосуществляется при нагревании в присутствии ката­лизатора (мелкий раздробленныйникель). Продукт взаимодействия — метан — является первым членом рядапредельных угле­водородов, состав которых выражается формулой CnH2n+2.

Аналогичноуглероду кремний тоже образует с водородом со­единения, но они менее устойчивы.Надежно идентифицированы только шесть низших гомологов предельного ряда. Ихназывают силанами. Простейший представитель моносилан SiH4 имеетстрое­ние, аналогичное СН4. Силаны — крайне реакционноспособныесоединения, воспламеняющиеся на воздухе. Низкая прочность связи Si—Si (DH= -220 кДж/моль) по сравнению со связью С—С (DH = -340 кДж/моль) обусловила возможность образова­ния лишьограниченного числа силанов по сравнению с углево­дородами. 

Склонностьуглерода к образованию полимерных цепей объясняет то обстоятельство, что он вобычных условиях тверд, нелетуч и химически инертен.

Принагревании на воздухе углерод и кремний сгорают с обра­зованием оксидов. Однакопроцессы окисления идут по-разному. При недостатке кислорода углерод образуетоксид углерода (II), а при избытке — оксид углерода (IV). Кремний с кислородомво всех случаях образует оксид кремния (IV). Оксид кремния (II) может бытьполучен лишь косвенным путем:

Si + SiO2 =<sub/>2SiO.

            В природе кремнезем(SiO2) встречается ввиде включений в граниты и другие породы. Такие включения заметны на осколкахпороды, они напоминают кусочки оплавленного стекла. Освобождаясь привыветривании породы, они скапливаются в руслах рек в виде белого песка.Встречается оксид кремния(IV) и в виде прекрасных кристаллов кварца размером,иногда превышающим человеческий рост. Советские ученые и инженеры разработалиметоды, позволяющие искусственно выращивать кристаллы кварца длиной до 1,5-2 м.

            При плавленииаморфный кварц размягчается постепенно и также постепенно при охлаждениизатвердевает. Это облегчает изготовление из кварца изделий, например химическойпосуды. Кварц очень мало расширяется при нагревании. Поэтому кварцевую посудуможно, раскалив добела, бросить в холодную воду, и она не растрескается. 

Оксидкремния (IV) практически нерастворим в воде. Соответ­ствующая ему кремниеваякислота получается вытеснением ее из растворов солей другими кислотами, в томчисле и угольной. Обра­тите внимание, что в растворе угольная кислота вытесняеткремни­евую из ее солей, а при прокаливании происходит обратное явле­ние.Первый процесс обусловлен тем, что кремниевая кислота бо­лее слабая, чем угольная.Второй же процесс объясняется меньшей летучестью оксида кремния (IV).

Высшиесолеобразующие оксиды углерода и кремния довольно сильно отличаются посвойствам. Оксид углерода (IV) — газ, ко­торый конденсируется лишь при сильномохлаждении, образуя кри­сталлическую массу, а оксид кремния (IV), напротив,кристалли­ческое вещество, встречающееся в природе в виде минерала кварца.

Оксидуглерода (IV) растворяется в воде (1:1 по объему), при­чем он частичновзаимодействует с ней, образуя угольную кислоту:

СО2 + Н2О ®¬<sub/>Н2СО3

            Оксид углерода(II)не реагирует ни с водой, ни с растворами щелочей и кислот. Подобно оксидуазота(II) NO, он относится к несолеобразующим оксидам.

            Оксид углерода(II)получается при взаимодействии оксида углерода(IV) с сильнораскаленным углем:

С + СО2 = 2CO — 160 кДж

            В этом можноубедиться, заглянув в хорошо растопленную печь. Над раскаленными добела углямивспыхивают голубые огоньки. Это пламя оксида углерода(II), сгорающегов воздухе, поступающем через открытую дверцу печи. Когда угли несколькоостывают, голубые огоньки исчезают: реакция между углем и оксидом углерода(IV)прекратилась и оксид углерода(II) не образуется.

            Теперь понятно,почему сильно раскаленный уголь сгорает синим пламенем, а слабо раскаленный — без пламени.

            Оксид углерода(II)содержится в некоторых видах газообразного топлива, в частности генераторномгазе.

            Оксид углерода(IV)образуется в природе при дыхании животных и растений, при гниении органическихостатков в почве, при пожарах. Оксид углерода(IV) тяжелееатмосферного воздуха и поэтому может скапливаться в опасных концентрациях впогребах и колодцах. В угольных шахтах из-за медленного окисления углясодержание углекислого газа также выше, чем на открытом воздухе. Служба охранытруда следит за тем, чтобы оно не превышало установленной нормы (30 мг/м3).

            Для растенийуглекислый газ служит источником углерода, и обогащение им воздуха в парниках итеплицах приводит к повышению урожая. Оксид углерода(IV) применяюттакже для газирования воды и напитков, жидким CO2 заряжают огнетушители. Твердый оксид углерода(IV)под названием сухого льда применяют для охлаждения продуктов. Преимуществосухого льда перед обыкновенным заключается в том, что он поддерживает вокружающем пространстве значительно более низкую температуру и испаряется, непереходя в жидкое состояние.

            Растворяясь вводе оксид углерода(IV) почти не соединяется с нею. Его гидроксид — угольнаякислота Н2СО3  - существует лишь в момент образования,она практически нацело разлагается на углекислый газ и воду:

Н2СО3 = Н2О + СО2/> 

Учитывая,что угольная кислота является двухосновной, равно­весие между различнымиформами молекул и ионов в водном раство­ре оксида углерода (IV) можно выразитьуравнением:

Н2О + СО2®¬ Н2СО3®¬<sub/> H++ НСО3-®¬ 2H+ + CO32- .

Принагревании оксид углерода (IV) улетучивается, и равно­весие смещается влево, апри прибавлении щелочи происходит свя­зывание ионов Н+ и смещениеравновесия вправо.   

Угольнаякислота слабая. В водном растворе соли угольной кислоты гидролизуются. Растворысредних солей карбонатов обладают сильной щелочной реакцией:

CO32- + H2O = HCO3-+ OH-      

            Наиболее распространен в природе карбонаткальция(известняк, мрамор, мел и т.д.). Залежи пород, содержащих карбонаткальция, особенно известняка, встречаются довольно часто. Поэтому одной иззадач краеведческой работы в районах с кислыми почвами должны быть поискиместорождений известняка.

            Из искусственнополучаемых карбонатов большое значение имеет карбонат натрия Na2CO3. Безводный карбонат натрия известен под названиемкальцинированной соды, а кристаллогидрат Na2CO3*10H2O — кристаллической соды. Соду применяют дляпроизводства мыла, стекла, а в быту для стирки белья.

            При насыщениираствора соды углекислым газом она переходит в гидрокарбонат натрия NaHCO3. Гидрокарбонат натрияпродают в аптеках и продовольственных магазинах под названием питьевой соды. Еепринимают внутрь при изжоге, вызванной избытком в желудочном соке солянойкислоты. Питьевую соду применяют в кондитерском деле и хлебопечении.

            При нагреванииона разлагается с выделением углекислого газа и паров воды:

 2NaHCO3= Na2CO3 + H2O/>+ СО2/>

Поэтому питьевую соду вводятв состав хлебопекарных порошков, добавляемых к тесту. Такое тесто подходит безприменения дрожжей и заквасок, наполняясь пузырьками углекислого газа, ивыпеченный из него продукт получается пористым и мягким.

Аллотропные видоизменения углерода.

Рис.1 Модель решетки алмаза.

/>

Углеродсуществует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и карбин.

Двеосновные разновидности углерода — графит и алмаз — существенно отличаются посвойствам. Мягкий графит имеет слоистое строение (рис. 2).Все атомы углероданаходятся здесь в состоянии sp2-гибридизации:каждый из них образует три ковалентные связи с соседними атомами, причем углымежду направлениями связи равны 120°. Графит электропроводен и хорошо раскалыва­етсяпо плоскости. В обычных условиях графит и является наи­более устойчивоймодификацией. Переход графита в алмаз воз­можен при очень высоких давлениях(порядка 125000 атм) и температурах (около 3000 °С). Однако исследование этогопро­цесса сначала с теоретических позиций, а затем эксперимен­тальным путемпоказало, что в присутствии катализаторов (же­лезо, платина) графит превращаетсяв алмаз уже при давлении 60000—80000 атм и температуре 1400—1600 °С. Внастоящее время налажено производство искусственных алмазов для тех­ническихцелей, причем размеры их обычно колеблются от 0,5 до 4 мм; в отдельных случаяхудается получить и большие эк­земпляры. Структура алмаза (рис. 1) типичнотетраэдрическая; атомы углерода прочно соединены за счет перекрытия sp3-орбиталей.Хотя в обычных условиях алмаз нестабилен, но практи­чески он может сохранятьсянеопределенно долгое время. При сильном накаливании алмаза происходит егопостепенная графитизация.

Физические свойства алмаза и графита.

Прозрачен, бесцветен.

Не проводит электрический ток, так как нет свободных электронов.

Самое твердое из природных веществ.

Непрозрачен, серого цвета с металлическим блеском.

Довольно хорошо проводит электрический ток, благодаря наличию подвижных электронов.

Скользок на ощупь.

Одно из самых мягких среди твердых веществ.

Алмаз- самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и кактехнический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз — бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги.

Размерымировой добычи алмазов очень незначительны — гораздо меньше, чем благородныхметаллов — золота и платины. Из алмазов делают наконечники буров для сверлениятвердых горных пород. Также алмазы применяют для резки стекла и в виде«алмазного инструмента»(резцы, сверла, шлифовальные круги). Алмазным порошкомшлифуют бриллианты и твердые сорта стали. Самый крупный из когда-либо найденныхалмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмазбыл найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан».

Одиниз самых крохотных в мире граненых алмазов, весом всего лишь 0,25 мг(в 4000 разлегче копеечной монетки), демонстрировался на всемирной выставке в Брюсселе.Несмотря на ничтожный вес и размер — зернышко объемом 0,07 мм3  ,-искусные руки гранильщика нанесли на нем на нем 57 граней, рассмотреть которыеможно только под микроскопом.  

Рис.2 Модель решетки графита.

/>

В1967 г. Б.В. Дерягин и Д.В. Федосеев вырастили на грани алмаза нитеобразныйкристалл («алмазные усы»). Рост проис­ходил при высокой температуре, причемисточником углерода служил метан; за четыре часа кристаллическая нить вырасталана 1 мм, что, вообще говоря, очень много для процессов такого рода.

Большаячасть образцов аморфного угля состоит из иска­женных кристаллов графита.Характерное расположение атомов углерода по углам шестиугольника при этомсохраняется.

Врешетках графита часто встречаются разнообразные де­фекты структуры, какструктурные, так и химические, связан­ные с захватом ионов и атомов. В решеткуграфита могут внед­ряться (А. Убеллоде, Ф. Льюис) атомы бора, кислорода, серы ит. п., образующие связи между слоями и влияющие на прово­димость графита.Графит образует своеобразные химические соединения, в которых присоединяющиесячастицы размещают­ся между плоскостями, занятыми атомами углерода.

Принагревании графита в парах щелочных металлов полу­чаются легко окисляющиесясоединения. Так, при 400 °С калий образует соединение C8K. Составсоединений сильно зависит от температуры и изменяется в широких пределах.Известны со­единения графита с рубидием, цезием; для натрия и лития чет­кихрезультатов пока нет; натрий, по-видимому, дает соедине­ние C64Naфиолетового цвета.

Графитдает также соединения с металлами, аммиаком и аминами типа MeC12(NH3)2.Решетка графита во всех случаях расширяется при образовании соединений, имежплоскостное расстояние достигает 0,66 нм, а для метиламинового комплексалития даже до 0,69 нм. Получены соединения: C9Br, C5CI, C8CI,CF.

Тифлон(CF) серого цвета, изолятор, не похож на другие соединения типа соединений«внедрения». Предполагается образование в нем ковалентных связей фтор — углерод.

Графитраньше применялся как пишущее средство. С XIX века и посей день используют графитовые электроды в металлургии и химическойпромышленности, например в производстве алюминия: металл осаждается награфитовом катоде. Сейчас нашли применение графитизированные стали, то естьстали с добавлением монокристаллов графита. Эти стали используют приизготовлении коленчатых валов, поршней и других деталей, где особенно важнавысокая прочность и твердость материала.

Графитиграет важную роль в элект­ротехнической промышленности и атомной энергетике,где его используют в качестве замедлителя нейтронов. С помощью графитовыхстержней регулируют скорость реакции в атомных котлах.

Способностьграфита расщепляться на чешуйки позволяет делать на его основе смазочныевещества. Графит — прекрасный проводник теплоты, при этом он может выдержатьзначительные температуры до 3000 °С и выше. К тому же он химически довольностоек. Эти свойства нашли применение в производстве графитовых теплообменникови в ракетной технике(для изготовления рулей и сопловых аппаратов.

Третьямодификация — карбин- была открыта в начале 1960-х годов. Карбин представляетсобой порошок глубокого черного  цвета  с  вкраплением более крупных  частиц. Электроны  в  атоме  углерода  в  карбине имеют sp-гибридизацию, т.е.  этоцепочечный полимер, который встречается в виде двух форм.

Оказалось,что карбин — самая термодинамически устойчивая форма элементарного углерода. Втех условиях, при которых графит переходит в алмаз за 30 минут, карбин неизменяется и после 15 часов выдержки. 

Тогдаже, в начале 1960-х годов, был открыт и так называемый зеркальный углерод, имеющий, как и графит, слоистое строение, но связи между слоями здесь не слабыемежмолекулярные,  как в графите,  а химические, более прочные.  Одна  из важнейших особенностей зеркального углерода (кроме твердости, стойкости квысоким температурам и т. д.) — его биологическая совместимость с живымитканями.

Адсорбция.

Свободныйуглерод (в виде, например, древесного угля) не только нелетуч, но и неплавок.Поэтому в таком угле сохра­няется тонкопористое строение древесины, всетончайшие кана­лы, по которым в дереве пере­мещались растворы минераль­ныхсолей. Если изме­рить поверхность всех частиц, находящихся в угольном по­рошкемассой 1 г, или всех пор и каналов в 1 г древесного угля, получится площадь вомного де­сятков и даже сотен квадратных метров.

Поместимв колбу, содержа­щую воздух с примесью оксида азота (IV), кусочки угля иливсыплем в нее толченый уголь. Бурая окраска газа исчезнет: оксид азота (IV)поглотится углем. Нагреем уголь, и оксид азота (IV) в колбепоявится вновь. Взболтаем с угольным порошком раствор лакмуса. Окраска растворатоже исчезнет, лакмус поглотится углем.

Удержаниеуглем и другими твердыми веществами на своей поверхности газа или растворенноговещества называется адсорб­цией.

Чембольше пористость угля, тем больше газа или растворен­ного вещества он можетпоглотить, или адсорбировать. Для увеличения пористости угля его активируютповторным нагрева­нием без доступа воздуха. В результате удаляются остатки про­дуктов,закупоривающие капилляры в угле.

Угольадсорбирует все газы, включая инертные, но неодинако­во. В частности, чем легчесжижается газ, тем сильнее он адсор­бируется. Адсорбированный углем газ можноизвлечь из него, нагревая уголь. Этим пользуются для регенерации угля,то есть воз­вращения ему способности к адсорбции. Уголь применяют в произ­водствесахара и спирта для очистки их от примесей. В аптеках активированный угольпродают в виде таблеток под названием «карболен». Их принимают внутрь дляудаления из желудка раст­воренных вредных веществ. Активированный угольиспользуют в фильтрующих противогазах для защиты дыхательных путей от вредныхпримесей воздуха.

Список использованнойлитературы.

1. Н. Л. Глинка «Общая химия» Издательство «Химия»Ленинградское отделение 1973 г.

2. В. А. Крицман «Книга для чтения по неорганической

 химии» Москва«Просвещение» 1993 г.

3. Т. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман " Химия 7- 9" Москва

«Просвещение»1986 г.

          4. Ю.  В.Ходаков, Д. А. Эпштейн, П. А. Глориозов           «Неорганическая химия9» Москва   «Просвещение» 1987г.

5. Л. А. Николаев " Современная химия" Москва«Просвещение» 1980г.

6. Ю. Д. Третьяков, Ю. Г. Метлин «Основы общей химии» Москва«Просвещение» 1980г.

7. Е. М. Закладный, Н. В. Щеголев «Рассказы о полимерах»Издательство «Советская Россия» 1960.