Підгрупа вуглецю. 
Вуглець

Реферат по теме:

«Підгрупа вуглецю. Вуглець.» учениці 9-г класу середньої школи № 9.

Слабодчиковой Валентины.

Учитель:

Белокопытов Ю. С.

Червень 1999 р. Чехов.

1. Загальна характеристика елементів підгрупи углерода…

…3.

2. Аллотропные видозміни углерода…

…6.

3.

Адсорбция…

…9.

4. Список використаної литературы…

…10.

Загальна характеристика елементів підгрупи углерода.

Головну підгрупу IV групи періодичної системи Д. І. Менделєєва утворюють п’ять елементів — вуглець, кремній, германій, олово і свинець. У зв’язку з, що з вуглецю до свинцю радіус атома збільшується, розміри атомів зростають, спроможність до приєднання електронів, отже, і неметалеві властивості будуть слабшати, легкість ж віддачі електронів — зростати. Вже в германію виявляються металеві властивості, а й у олова і в свинцю вони переважають над неметаллическими. Отже, вуглець і кремній належать до неметаллам, германій зараховують як до металам, і до неметаллам, а олово і свинець — металлы.

Німеччин по зовнішнім виглядом нагадує метали, але крихкий. Як багато і кремній, германій належить до напівпровідників, т. е. до речовин, котрий обіймав проміжне становище між непроводниками електричного струму, чи ізоляторами (багато неметаллы), і провідниками (метали). Як напівпровідника германій широко застосовується у радиоэлектронике.

Прості речовини, освічені оловом і свинцемтакими елементами підгрупи, виявляють вже всі типові властивості металів: металевий блиск, високу електричну провідність і теплопровідність, пластичність. Зазвичай, олово і свинець утворюють сполуки, у яких вони виявляють ступеня окислення +2 і +4. На зовнішньому енергетичному рівні атомів елементів головною підгрупи IV групи містяться чотири електрона: два спарених s-электрона і двоє неспаренных р-электрона. Тому, за освіті сполук атоми цих елементів можуть або віддавати чотири електрона, проявляючи вищу ступінь окислення +4, або приймати чотири електрона, проявляючи у своїй ступінь окислення -4.

Серед елементів IV групи найбільше значення мають вуглець, вхідний у складі всіх живих організмів, і кремній — найважливіший елемент земної коры.

Двухвалентные сполуки для кремнію менш характерні, ніж для вуглецю. Це з меншим значенням енергії порушення атомів кремнію завдяки більшої віддаленості зовнішніх електронів від ядра. При умовах вуглець і кремній дуже інертні та практично не взаємодіють ні з якими простими й складними веществами.

При умовах вуглець і кремній дуже інертні та практично не взаємодіють ні з якими простими й складними речовинами. Виняток становить аморфний кремній, реагує з фтором.

При нагріванні вуглець і кремній взаємодіють із галогенами, з елементами підгрупи сірки, азотом, воднем і багатьма металами. У цьому разі утворюються сполуки, звані карбидами і силицидами. З вуглецем і кремнієм взаємодіють лише ті кислоти, є сильними окислювачами. Наприклад, у присутності окислювачів (KClO3, MnO2) аморфний вуглець розчиняється в концентрованих азотної і сірчаної кислотах при нагріванні. Кремній ж розчиняється лише суміші азотної і плавикової кислот:

3Si + 18HF + 4HNO3 = 3H2SiF6 + 4NO + 8Н2О Луги переводять кремній в солі кремнієвої кислоти із водорода:

Si + 2КОН + H2O= К2Si03 + 2Н2 З водою вуглець і кремній реагують лише за високих температурах:

З + Н2О ® ЗІ + Н2.

Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2 Перша з цих реакцій має велику практичного значення. Вона лежать у основі процесу газифікації твердих палив. Вуглець на відміну кремнію безпосередньо взаємодіє зі водородом:

З + 2Н2 = СН4.

Реакція здійснюється за нагріванні у присутності каталізатора (дрібний роздроблений нікель). Продукт взаємодії — метан — є першим членом низки граничних вуглеводнів, склад яких виявляється формулою CnH2n+2.

Аналогічно вуглецю кремній теж утворює з воднем сполуки, але вони менш стійкі. Надійно ідентифіковані лише шість нижчих гомологов граничного низки. Їх називають силанами. Найпростіший представник моносилан SiH4 має будова, аналогічне СН4. Силаны — вкрай реакционноспособные сполуки, займисті надворі. Низька міцність зв’язку Si—Si (DH = -220 кДж/моль) порівняно з зв’язком С—С (DH = -340 кДж/моль) обумовила можливість освіти лише обмеженої кількості силанов проти углеводородами.

Схильність вуглецю до утворення полімерних ланцюгів пояснює то обставина, що він у умовах твердий, нелетуч і хімічно инертен.

При нагріванні надворі вуглець і кремній згоряють із заснуванням оксидів. Проте процеси окислення йдуть по-різному. Коли кисню вуглець утворює оксид вуглецю (II), а при надлишку — оксид вуглецю (IV). Кремній з киснем завжди утворює оксид кремнію (IV). Оксид кремнію (II) можна отримати лише непрямим путем:

Si + SiO2 = 2SiO.

У природі кремнезем (SiO2) зустрічають у вигляді включень в граніти і інші породи. Такі включення за уламках породи, він нагадує шматочки оплавленого скла. Звільняючись при выветривании породи, вони нагромаджуються в руслах річок як білого піску. Зустрічається оксид кремния (IV) і у вигляді прекрасних кристалів кварцу розміром, іноді перевищують людський зростання. Радянські вчені України та інженери розробили методи, дозволяють штучно вирощувати кристали кварцу довжиною до $ 1,5- 2 м.

При плавленні аморфний кварц розм’якшується які і також поступово при охолодженні твердне. Це полегшує виготовлення з кварцу виробів, наприклад хімічної посуду. Кварц обмаль розширюється при нагріванні. Тому кварцову посуд можна, розжаривши до краю, кидають у холодну воду, вона растрескается.

Оксид кремнію (IV) практично нерозчинимо у питній воді. Відповідна йому кремнієва кислота виходить витісненням їх із розчинів солей іншими кислотами, зокрема та вугільної. Зверніть увагу, що у розчині вугільна кислота витісняє кремнієву з його солей, а при прокаливании відбувається зворотне явище. Перший процес зумовлено тим, що кремнієва кислота слабша, ніж вугільна. Другий ж процес пояснюється меншою летучестью оксиду кремнію (IV).

Вищі солеобразующие оксиди вуглецю і кремнію дуже відрізняються як. Оксид вуглецю (IV) — газ, який вони вбирають лише за сильному охолодженні, створюючи кристалічну масу, а оксид кремнію (IV), навпаки, кристалічний речовина, що надибуємо у природі як мінералу кварца.

Оксид вуглецю (IV) розчиняється у питній воді (1:1 за обсягом), причому він частково взаємодіє зі ній, створюючи вугільну кислоту:

СО2 + Н2О ® Н2СО3.

Оксид углерода (II) не реагує ні із жовтою водою, ні з розчинами лугів і кислот. Подібно оксиду азота (II) NO, ставиться до несолеобразующим оксидам.

Оксид углерода (II) виходить при взаємодії оксиду углерода (IV) із дуже розпеченим углем:

З + СО2 = 2CO — 160 кДж.

У цьому переконатися, зазирнувши на добре розтоплену піч. Над розпеченими до краю видами вугілля спалахують блакитні вогники. Це полум’я оксиду углерода (II), сгорающего повітря, поступающем через відчинені дверцята печі. Коли вугілля кілька остигають, блакитні вогники зникають: реакція між вугіллям і оксидом углерода (IV) припинилося й оксид углерода (II) не образуется.

Тепер ясно, чому сильно розпечений вугілля згоряє синім полум’ям, а слабко розпечений — без пламени.

Оксид углерода (II) міститься у деяких видах газоподібного палива, зокрема генераторному газе.

Оксид углерода (IV) утворюється у природі при подиху тварин і звинувачують рослин, при гнитті органічних залишків у грунті, при пожежі. Оксид углерода (IV) важче атмосферного повітря і тому може нагромаджуватися в небезпечних концентраціях у льоху і криницях. У вугільних шахтах через повільного окислення вугілля зміст вуглекислого газу також вище, ніж свіжому повітрі. Служба охорони праці стежить те, щоб він не перевищувало доведену норму (30 мг/м3).

Для рослин вуглекислий газ є джерелом вуглецю, і збагачення їм повітря на парники і теплицях приводить до підвищення врожаю. Оксид углерода (IV) застосовують також і газирования води та напоїв, рідким CO2 заряджають вогнегасники. Твердий оксид углерода (IV) під назвою сухого льоду застосовують для охолодження продуктів. Перевага сухого льоду перед звичайним у тому, що він підтримує в навколишньому просторі значно більше низьку температуру і випаровується, не переходячи на рідке состояние.

Розчиняючись у питній воді оксид углерода (IV) майже сполучається з нею. Його гидроксид — вугільна кислота Н2СО3 — існує у момент освіти, вона вже практично нацело розкладається на вуглекислий на газ і воду:

Н2СО3 = Н2О + СО2[pic].

З огляду на, що вугільна кислота є двухосновной, рівновагу між різними формами молекул і іонів у водному розчині оксиду вуглецю (IV) можна сформулювати уравнением:

Н2О + СО2 ® Н2СО3 ® H+ + НСО3- ® 2H+ + CO32- .

При нагріванні оксид вуглецю (IV) зникає, і рівновагу зміщується вліво, а при додаванні луги відбувається зв’язування іонів М+ і усунення рівноваги вправо.

Вугільна кислота слабка. У водному розчині солі вугільної кислоти гидролизуются. Розчини середніх солей карбонатів мають сильної лужної реакцией:

CO32- + H2O = HCO3- + OH;

Найбільш поширений у природі карбонат кальция (известняк, мармур, крейда тощо.). Поклади порід, містять карбонат кальцію, особливо вапняку, трапляються досить часто. Тому з завдань краєзнавчої роботи у районах з кислими ґрунтами мали бути зацікавленими пошуки родовищ известняка.

З штучно одержуваних карбонатів велике значення має тут карбонат натрію Na2CO3. Безводний карбонат натрію відомий під назвою кальцинованої соди, а кристаллогидрат Na2CO3*10H2O — кристалічною соди. Соду застосовують для мила, скла, а побуті для прання белья.

При насиченні розчину соди вуглекислим газом вона перетворюється на гидрокарбонат натрію NaHCO3. Гидрокарбонат натрію продають в аптеках і продовольчих магазинах під назвою питної соди. Отож її приймають всередину при изжоге, викликаної надлишком в шлунковому соку соляної кислоти. Питну соду застосовують у кондитерському справі і хлебопечении.

При нагріванні вона розкладається із вуглекислого газу та парів воды:

2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O[pic] + СО2[pic] Тому питну соду вводять у склад хлібопекарських порошків, добавляемых до тесту. Таке тісто підходить не залучаючи дріжджів і заквасок, повнячись бульбашками вуглекислого газу, і випечений потім із нього продукт виходить пористим і мягким.

Аллотропные видозміни углерода.

Рис. 1 Модель грати алмазу. [pic].

Вуглець існує у трьох аллотропных модифікаціях: алмаз, графіт і карбин.

Дві основні різновиду вуглецю — графіт і алмаз — істотно відрізняються як. М’який графіт має шарувате будова (рис. 2).Все атоми вуглецю перебувають може sp2-гибридизации: кожен із новачків утворює три ковалентные через відкликання сусідніми атомами, причому кути між напрямами зв’язку рівні 120°. Графіт электропроводен і добре розколюється по площині. У умовах графіт і є найбільш стійкою модифікацією. Перехід графіту в алмаз може бути за дуже високих тисках (порядку 125 000 атм) і температурах (близько 3 тис °З). Проте дослідження цього процесу спочатку з теоретичних позицій, та був експериментальним шляхом показало, що у присутності каталізаторів (залізо, платина) графіт перетворюється на алмаз вже за часів тиску 60 000—80 000 атм і температурі 1400—1600 °З. Нині налагоджено виробництво штучних алмазів для технічних цілей, причому площі їхніх зазвичай коливаються від 0,5 до запланованих 4 мм; у випадках вдасться одержати і покладають великі екземпляри. Структура алмазу (рис. 1) типово тетраэдрическая; атоми вуглецю міцно з'єднані з допомогою перекриття sp3-орбиталей. Хоча у звичайних умовах алмаз нестабільний, але може зберігатися невизначено довгий час. При сильному накаливании алмазу відбувається його поступова графитизация.

Фізичні властивості алмазу і графита.

|Алмаз |Графіт | |Прозорий, безбарвним. |Непрозорий, сірого кольору, з | | |металевим блиском. | |Не проводить електричний струм, так |Досить добре проводить | |як вільних електронів. |електричний струм, завдяки | | |наявності рухливих електронів. | | |Слизький навпомацки. | |Найстрашніше тверде з природних веществ.|Одно із м’яких серед твердих | | |речовин. |.

Алмаз — найтвердіше природне речовина. Кристали алмазів високо цінуються як і технічний матеріал, як і дорогоцінний прикрасу. Добре відшліфований алмаз — діамант. Переломлюючи промені світла, він сяє чистими, яскравими квітами радуги.

Розміри світового видобутку алмазів дуже незначні - набагато менше, ніж шляхетних металів — золота і платини. З алмазів роблять наконечники бурів для свердління твердих гірських порід. Також алмази застосовують для різання скла і у вигляді «алмазного инструмента"(резцы, свердла, шліфувальні кола). Алмазним порошком шліфують діаманти і тверді сорти стали. Найбільший із будь-коли знайдених алмазів важить 602 р, має довжину 11 див, ширину 5 див, висоту 6 див. Цей алмаз знайшли у 1905 р і має ім'я «Кэллиан».

Одна з найбільш крихітних у світі гранованих алмазів, вагою лише 0,25 мг (в 4000 раз легше копійчаною монетки), демонструвався на всесвітньої виставці у Брюсселі. Попри незначний вага і розмір — зернятко обсягом 0,07 мм³ , — вправні руки гранильщика завдали у ньому у ньому 57 граней, розглянути які можна тільки під мікроскопом. Рис. 2 Модель грати графіту. [pic].

У 1967 р. Б. В. Дерягин і Д.В. Федосєєв виростили за межею алмазу нитеобразный кристал («діамантові вуса»). Зростання відбувався за високої температурі, причому джерелом вуглецю служив метан; за чотири години кристалічна нитку виростала на 1 мм, що, власне кажучи, дуже багато для процесів такого рода.

Більшість зразків аморфного вугілля складається з перекручених кристалів графіту. Характерне розташування атомів вуглецю із чотирьох кутів шестикутника у своїй сохраняется.

У ґратах графіту часто зустрічаються різноманітні дефекти структури, як структурні, і хімічні, пов’язані із захопленням іонів і атомів. У грати графіту можуть впроваджуватися (А. Убеллоде, Ф. Льюїс) атоми бору, кисню, сірки тощо. п., що утворюють зв’язок між верствами і що впливають провідність графіту. Графіт утворює своєрідні хімічні сполуки, в яких що приєднуються частки розміщуються між площинами, зайнятими атомами углерода.

При нагріванні графіту в парах лужних металів виходять легко окисляющиеся сполуки. Так, при 400 °З калій утворює з'єднання C8K. Склад сполук залежить від температури змінюється в широких межах. Відомі сполуки графіту з рубідієм, цезієм; для натрію і літію чітких результатів ми маємо; натрій, очевидно, дає поєднання C64Na фіолетового цвета.

Графіт дає також з'єднання з металами, аміаком і амінами типу MeC12(NH3)2. Решотка графіту завжди розширюється при освіті сполук, і межплоскостное відстань сягає 0,66 нм, а метиламинового комплексу літію до 0,69 нм. Отримано сполуки: C9Br, C5CI, C8CI, CF.

Тифлон (CF) сірого кольору, ізолятор, скидається інші сполуки типу сполук «впровадження». Передбачається освіту у ньому ковалентних зв’язків фтор — углерод.

Графіт раніше застосовувався як пишущее засіб. З ХІХ століття і з цей день використовують графітові електроди в металургії та хімічної промисловості, наприклад, у виробництві алюмінію: метал осаджується на графитовом катоді. Зараз застосовуються графитизированные стали, тобто почав із додаванням монокристалів графіту. Ці стали використовують при виготовленні колінчастих валів, поршнів та інших деталей, серед особливо важлива висока міцність і твердість материала.

Графіт відіграє в електротехнічній в промисловості й атомної енергетики, де його використовують як уповільнювача нейтронів. З допомогою графітових стрижнів регулюють швидкість реакції в атомних котлах.

Здатність графіту розщеплюватися на лусочки дозволяє робити за його основі мастильні речовини. Графіт — прекрасний провідник теплоти, у своїй може витримати значні температури до 3000 °З повагою та вище. До того ж вона хімічно досить стійкий. Ці властивості застосовуються у виробництві графітових теплообмінників й у ракетної технике (для виготовлення рулів і сопловых аппаратов.

Третя модифікація — карбинвідкрили початку 60-х років. Карбин є порошок глибокого чорного кольору, з украпленням більших частинок. Електрони в атомі вуглецю в карбине мають spгібридизацію, тобто. це цепочечный полімер, який зустрічають у вигляді двох форм.

Виявилося, що карбин — сама термодинамічно стійка форма елементарного вуглецю. За тих умов, у яких графіт перетворюється на алмаз за 30 хвилин, карбин не змінюється і після 15 годин выдержки.

Тоді ж, на початку 60-х років, був і так званий дзеркальний вуглець, має, як і графіт, шарувате будова, але зв’язку між верствами не слабкі межмолекулярные, як і графіті, а хімічні, міцніші. Одне з найважливіших особливостей дзеркального вуглецю (крім твердості, стійкості до найвищих температур тощо. буд.) — його біологічна сумісність з живими тканями.

Адсорбция.

Вільний вуглець (як, наприклад, деревного вугілля) як нелетуч, а й неплавок. Тож у такому вугіллі зберігається тонкопористое будова деревини, все найтонші канали, з яких дереві переміщалися розчини мінеральних солей. Якщо міряти поверхню всіх частинок, що у вугільному порошку масою 1 р, чи всіх пір і каналів один р деревного вугілля, вийде площа в багато десятків і навіть сотень квадратних метров.

Помістимо в колбу, що містить повітря з додатком оксиду азоту (IV), шматочки вугілля чи усипаємо у ній товчений вугілля. Бура забарвлення газу зникне: оксид азоту (IV) поглинеться вугіллям. Нагріємо вугілля, і оксид азоту (IV) в колбі з’явиться знову. Збовтаємо з вугільним порошком розчин лакмусу. Забарвлення розчину також зникне, лакмус поглинеться углем.

Утримання вугіллям та інші твердими речовинами у своїй поверхні газу чи розчиненої речовини називається адсорбцией.

Чим більший пористість вугілля, то більше вписувалося газу чи розчиненої речовини може поглинути, чи адсорбировать. Для збільшення пористости вугілля його активують повторним нагріванням без доступу повітря. Через війну видаляються залишки продуктів, закупоривающие капіляри в угле.

Вугілля адсорбирует все гази, включаючи інертні, але неоднаково. У частковості, ніж легше сжижается газ, тим більше він адсорбируется. Адсорбированный вугіллям газ можна з нього, нагріваючи вугілля. Цим користуються для регенерації вугілля, тобто повернення йому здатність до адсорбції. Вугілля застосовують у виробництві цукру й спирту очищення їхнього капіталу від домішок. У аптеках активоване вугілля продають у вигляді пігулки під назвою «карболен». Їх приймають всередину видалення з шлунка розчинених шкідливі речовини. Активоване вугілля використав фільтруючих протигазах за захистом дихальних шляхів шкідливих домішок воздуха.

Список використаної литературы.

1. М. Л. Глінка «Загальна хімія «Видавництво «Хімія «Ленінградське відділення 1973 г.

2. У. А. Крицман «Книжка для читання по неорганічної хімії «Москва «Просвітництво «1993 г.

3. Т. Є. Рудзитис, Ф. Р. Фельдман «Хімія 7- 9 «Москва «Просвітництво «1986 г.

4. Ю. У. Ходаков, Д. А. Епштейн, П. А. Глориозов «Неорганічна хімія 9 «Москва «Просвітництво «1987 г.

5. Л. А. Миколаїв «Сучасна хімія «Москва «Просвітництво «1980 г.

6. Ю. Д. Третьяков, Ю. Р. Метлин «Основи загальної хімії «Москва «Просвітництво «1980 г.

7. Є. М. Закладный, М. У. Щеголев «Розповіді про полимерах «Видавництво «Радянська Росія «1960.