Файл: Сравнение структуры и свойств водородных соединений s и рэлементов i и iv групп.docx

---

3.2. Углерод и его соединения

В зависимости от числа σ-связей координационное число углерода равно четырем (sp³ - гибридизация), трем (sp² - гибридизация), или двум (sp - гибридизация) валентных орбиталей:

Таблица 3 – Гибридизации валентных орбиталей атома углерода

Характер гибридизации орбиталей атома углерода	Пространственное расположение σ-связей	Примеры соединений
sp3	Тетраэдрическое	Алмаз, СН4, С(Наℓ)4
sp2	Треугольное	Графит, С6Н6
sp	Линейное	Карбин, СО2, СS2

В соответствии с характерными гибридными состояниями орбиталей атомы углерода могут объединятся в полимерные образования координационной (sp³), слоистой (sp²) и линейной (sp) структуры.

Этому соответствует три простых типа веществ: алмаз, графит, карбин. В продуктах конденсации паров графита выделена новая модификация углерода - фуллерен.

Алмаз (sp³) - кристаллическое вещество с атомной координационной решеткой, обладающее большой твердостью и значительной плотностью. Он тверже всех веществ. Его широко используют для резки стекол, бурения горных пород, шлифования особо твердых материалов. Образцы его в чистом виде сильно преломляют свет (светятся). При специальной огранке прозрачных кристаллов получают бриллианты. Это самый дорогой из драгоценных камней. Массу алмаза выражают в каратах (1 карат соответствует 0,2 грамма). Стоимость алмаза растет пропорционально квадрату его массы.

При sp² гибридизации образуется плоская структура графита. Графит - черно-серое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Расстояние между слоями очень велико (0,335 нм), а межмолекулярные силы между слоями в графите очень малы. Графит расщепляется на тонкие чешуйки, которые сами по себе очень прочны и легко прилипают к бумаге. Графит тугоплавок, из него готовят тигли для металлургии. В ядерных реакторах графит используют в качестве замедлителя нейтронов. Встречается в виде залежей (Алтай), получается из кокса. Переход графита в алмаз осуществляется при температуре

---

1800°С и давлении 6 ГПа в присутствии растворителей (расплавленный FeS, Та, Ni и др.).

При sp гибридизации образуется карбин. Карбин получают путем каталитического окисления ацетилена.

Карбин - мелкокристаллический порошок черного цвета. Кристаллы карбина состоят из линейных цепочек углеродных атомов, соединенных чередующимися одинарными и тройными связями:

С С - С С - … (- С С -) _n

По твердости карбин превосходит графит, но уступает алмазу. Обладает полупроводниковыми свойствами. При нагревании (Т=2880°C) без доступа воздуха превращается в графит.

Типы графита включают сажу и древесный уголь. Уголь получают термическим разложением углеродистых соединений. Древесный уголь представляет собой мелкодисперсный графит. Древесный уголь получают путем сжигания древесины. Древесный уголь (особенно древесный уголь) содержит много пор и поэтому обладает высокой адсорбционной способностью. Адсорбция – это свойство углерода и других твердых тел удерживать пары, газы и растворенные вещества на своей поверхности. Вещества, на которых происходит поверхностная адсорбция, называются адсорбентами. Если пропустить чернила через измельченный древесный уголь (уголь — адсорбент, чернила — адсорбат), они обесцвечиваются. В технике алюмосиликаты используются в качестве адсорбентов. В медицине таблетки активированного угля используются для выведения вредных веществ.

1) Химические свойства. При обычной температуре углерод весьма инертен, при определенных условиях проявляет окислительные и восстановительные свойства. Окислительные свойства проявляются в реакциях:

4А1 + 3 = Al₄⁺³С₃^-4 (карбид Аℓ);

СаО + 3С = С⁺²О + СаС₂ (карбид Са);

С + 2Н₂ = С^-4H₄ (метан).

Восстановительные свойства для угля более характерны:

С° + О₂ = СО_2.

Уголь восстанавливает Fe, Cu, Zn, Pb и другие металлы из их оксидов, например:

---

ZnO + С° = 2Zn + С⁺⁴О_2.
При высоких температурах углерод взаимодействует с кислородом, азотом, галогенами и многими другими металлами.

Оксид углерода (II) СО образуется в процессе сгорания угля при недостатке кислорода:

С + O₂ = 2СО.

В молекуле монооксида тройная химическая связь, поэтому СО характеризуется низкой температурой плавления и малой растворимостью в воде. В промышленности СО получают пропусканием диоксида углерода над раскалённым углём при высокой температуре:

СО₂ + С = 2СО.

Вследствие протекания этой реакции выхлопные газы автомобилей содержат СО, также содержат СО, отходящие газы печей при плохой тяге.

В лаборатории оксид углерода СО получают, добавляя по каплям муравьиную кислоту к концентрированной серной кислоте, которая отнимает от неё воду:

НСООН СО + Н₂О.

Щавелевая кислота при нагревании с серной кислотой даёт смесь двух оксидов:

Н₂С₂0₄ = СО + С0₂ + Н₂О.

Смесь полученных газов пропускают через раствор гидроксида бария, который поглощает только CO₂.

2) Свойства.

Оксид углерода (СО) - бесцветный газ, тяжелее воздуха, мало растворим в воде. Поглощается активированным углём, а также фильтрующим слоем, содержащим I₂O₅. Оксид углерода при обычных температурах химически инертен, однако при участии катализаторов реагирует с водородом с образованием углеводородов. Из-за наличия неподеленных пар у углерода и кислорода монооксид углерода является лигандом и образует прочные комплексы с переходными металлами, например, [Ni(CO)₄], [Co₂(CO)₉], [Fe(CO)₅]. При высоких температурах СО восстанавливает многие металлы из их оксидов:

CO + CuO = Cu + CO_2. [12]

---

4. Сравнительная характеритика структуры и свойств водородных соединений s- и р-элементов I и IV групп.

Гидриды - это соединения элементов с водородом. В соответствии с характером связи различают ионные, ковалентные и металлические гидриды.

Ионные (или солеобразные) гидриды образованы щелочными или щелочноземельными металлами, их получает нагреванием металла в атмосфере водорода.

Это белые кристаллические вещества, структура которых построена из ионов Н‒ и катионов металла.

Свойства водородных соединений s- и р-элементов весьма разнообразны. В соответствии с названием иона Н - (гидрид-ион) водородные соединения s - элементов называют гидридами.

Ионные гидриды - сильные восстановители. При растворении на воздухе воспламеняются.

Гидриды s-элементов I группы имеют кристаллическую структуру типа NaCl. С увеличением размера катиона резко уменьшается энергия кристаллической решетки, а следовательно, и термическая устойчивость. Так, LiH плавится без разложения, a CsH разлагается уже при 170 °С.

Ионные гидриды металлов обладают восстановительными свойствами:

NaH + C₂H₅OH = C₂H₅ONa + H₂.

Благодаря восстановительным свойствам ионные гидриды используют для получения металлов из их оксидов или галогенидов, удаления окалины с поверхности тугоплавких металлов.

Сравниваясвойства водородных соединений элементов IVA-группы нетрудно установить, что в ряду СН4 (метан), SiH4 (силан) окисляется легче, чем метан, и в отличие от них вступает во взаимодействие с водой.

Таким образом, свойства водородных соединений зависят от зарядов и радиусов ионов. Водородные соединения в ней размещены в таком же порядке, как размещены образующие их элементы в периодической системе.



Рисунок 4 – Закономерность свойств гидридов в зависимости от положения элемента в периодической системе
Рассекающие таблицы линии последовательно - слева направо - отграничивают:

а - гидриды металлов от летучих водородных соединений неметаллов;

б - водородные соединения неметаллов с малой полярностью связей от соединений с высокой полярностью,

---