Реферат: Углерод и его основные неорганические соединения
Реферат: Углерод и его основные неорганические соединения
МОУ «Никифоровская средняя
общеобразовательная школа №1»
Углерод и его основные неорганические
соединения
Реферат
Выполнил: ученик 9В класса
Сидоров Александр
Учитель: Сахарова Л.Н.
Дмитриевка 2009
Содержание
Введение
Глава I. Всё
об углероде
1.1. Углерод в природе
1.2. Аллотропные модификации углерода
1.3. Химические свойства углерода
1.4. Применение углерода
Глава II.
Неорганические соединения углерода
Заключение
Литература
Введение
Углерод (лат. Carboneum) С – химический элемент IV
группы периодической системы Менделеева: атомный номер 6, атомная масса
12,011(1). Рассмотрим строение атома углерода. На наружном энергетическом
уровне атома углерода находятся четыре электрона. Изобразим графически:
1s22s22p2
Углерод был известен с глубокой древности, и имя
первооткрывателя этого элемента неизвестно.
В конце XVII
в. флорентийские ученые Аверани и Тарджони пытались сплавить несколько мелких
алмазов в один крупный и нагрели их с помощью зажигательного стекла солнечными
лучами. Алмазы исчезли, сгорев на воздухе. В 1772 г. французский химик А.
Лавуазье показал, что при сгорании алмаза образуется СО2. Лишь в
1797 г. английский ученый С. Теннант доказал идентичность природы графита и
угля. После сгорания равных количеств угля и алмаза объемы оксида углерода (IV) оказались одинаковыми.
Многообразие соединений углерода, объясняющееся способностью
его атомов соединяться друг с другом и атомами других элементов различными
способами, обуславливает особое положение углерода среди других элементов.
Глава I. Всё об углероде
1.1. Углерод в природе
Углерод находится в природе, как в свободном состоянии, так и
в виде соединений.
Свободный углерод встречается в виде алмаза, графита и карбина.
Алмазы очень редки. Самый большой из известных алмазов –
«Куллинан» был найден в 1905 г. в Южной Африке, весил 621,2 г и имел размеры
10×6,5×5 см. В Алмазном фонде в Москве хранится один из самых больших
и красивых алмазов в мире – «Орлов» (37,92 г).
Свое название алмаз получил от греч. «адамас» – непобедимый,
несокрушимый. Самые значительные месторождения алмазов находятся в Южной
Африке, Бразилии, в Якутии.
Крупные залежи графита находятся в ФРГ, в Шри-Ланке, в
Сибири, на Алтае.
Главными углеродсодержащими минералами являются: магнезит МgСО3, кальцит (известковый
шпат, известняк, мрамор, мел) СаСО3, доломит СаМg(СО3)2 и др.
Все горючие ископаемые – нефть, газ, торф, каменные и бурые
угли, сланцы – построены на углеродной основе. Близки по составу к углероду
некоторые ископаемые угли, содержащие до 99% С.
На долю углерода приходится 0,1% земной коры.
В виде оксида углерода (IV) СО2 углерод входит в состав атмосферы. В
гидросфере растворено большое количество СО2.
1.2. Аллотропные модификации углерода
Элементарный углерод образует три аллотропные модификации:
алмаз, графит, карбин.
1. Алмаз – бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество,
чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Атомы углерода в алмазе находятся в
состоянии sр3-гибридизации. В возбуждённом
состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и
образование четырёх неспаренных электронов. При образовании химических связей
электронные облака приобретают одинаковую вытянутую форму и располагаются в пространстве
так, что их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдра. При
перекрывании вершин этих облаков с облаками других атомов углерода возникают
ковалентные связи под углом 109°28', и образуется атомная кристаллическая
решетка, характерная для алмаза.
Каждый атом углерода в алмазе окружён четырьмя другими,
расположенными от него в направлениях от центра тетраэдров к вершинам. Расстояние
между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм. Прочность всех связей одинакова.
Таким образом, атомы в алмазе «упакованы» очень плотно. При 20°С плотность
алмаза составляет 3,515 г/см3. Этим объясняется его исключительная
твердость. Алмаз плохо проводит электрический ток.
В 1961 г. в Советском Союзе было начато промышленное
производство синтетических алмазов из графита.
При промышленном синтезе
алмазов используются давления в тысячи МПа и температуры от 1500 до 3000°С.
Процесс ведут в присутствии катализаторов, которыми могут служить некоторые
металлы, например Ni. Основная масса
образующихся алмазов – небольшие кристаллы и алмазная пыль.
Алмаз при нагревании без доступа
воздуха выше 1000°С превращается в графит. При 1750°С превращение алмаза в
графит происходит быстро.
Структура
алмаза
2. Графит – серо-чёрное кристаллическое вещество с
металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступающее даже бумаге.
Атомы углерода в
кристаллах графита находятся в состоянии sр2-гибридизации: каждый из них образует три
ковалентные σ-связи с соседними атомами. Углы между направлениями связей
равны 120°. В результате образуется сетка, составленная из правильных
шестиугольников. Расстояние между соседними ядрами атомов углерода внутри слоя
составляет 0,142 нм. Четвёртый электрон внешнего слоя каждого атома углерода в
графите занимает р-орбиталь, не участвующую в гибридизации.
Негибридные электронные
облака атомов углерода ориентированы перпендикулярно плоскости слоя, и перекрываясь
друг с другом, образуют делокализованные σ-связи. Соседние слои в
кристалле графита находятся друг от друга на расстоянии 0,335 нм и слабо
связаны между собой, в основном силами Ван-дер-Ваальса. Поэтому графит имеет
низкую механическую прочность и легко расщепляется на чешуйки, которые сами по
себе очень прочны. Связь между слоями атомов углерода в графите частично имеет
металлический характер. Этим объясняется тот факт, что графит хорошо проводит
электрический ток, но все, же не так хорошо, как металлы.
Структура графита
Физические свойства в
графите сильно различаются по направлениям – перпендикулярному и параллельному
слоям атомов углерода.
При нагревании без
доступа воздуха графит не претерпевает никаких изменений до 3700°С. При
указанной температуре он возгоняется, не плавясь.
Искусственный графит
получают из лучших сортов каменного угля при 3000°С в электрических печах без
доступа воздуха.
Графит термодинамически
устойчив в широком интервале температур и давлений, поэтому он принимается в
качестве стандартного состояния углерода. Плотность графита составляет 2,265
г/см3.
3. Карбин – мелкокристаллический
порошок чёрного цвета. В его кристаллической структуре атомы углерода соединены
чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепочки:
−С≡С−С≡С−С≡С−
Это вещество впервые
получено В.В. Коршаком, А.М. Сладковым, В.И. Касаточкиным, Ю.П. Кудрявцевым в
начале 60-х годов XX века.
Впоследствии было
показано, что карбин может существовать в разных формах и содержит как
полиацетиленовые, так и поликумуленовые цепочки, в которых углеродные атомы
связаны двойными связями:
=С=С=С=С=С=С=
Позднее карбин был найден
в природе – в метеоритном веществе.
Карбин обладает
полупроводниковыми свойствами, под действием света его проводимость сильно
увеличивается. За счёт существования разных типов связи и разных способов
укладки цепей из углеродных атомов в кристаллической решетке физические
свойства карбина могут меняться в широких пределах. При нагревании без доступа
воздуха выше 2000°С карбин устойчив, при температурах около 2300°С наблюдается
его переход в графит.
Природный углерод состоит
из двух изотопов  (98,892%) и  (1,108%). Кроме того, в атмосфере обнаружены
незначительные примеси радиоактивного изотопа  , который получают искусственным
путём.
Раньше считали, что древесный
уголь, сажа и кокс близки по составу чистому углероду и отличающиеся по
свойствам от алмаза и графита, представляют самостоятельную аллотропную
модификацию углерода («аморфный углерод»). Однако было установлено, что эти
вещества состоят из мельчайших кристаллических частиц, в которых атомы углерода
связаны так же, как в графите.
4. Уголь – тонко
измельчённый графит. Образуется при термическом разложении углеродсодержащих
соединений без доступа воздуха. Угли существенно различаются по свойствам в
зависимости от вещества, из которого они получены и способа получения. Они
всегда содержат примеси, влияющие на их свойства. Наиболее важные сорта угля –
кокс, древесный уголь, сажа.
Кокс получается при
нагревании каменного угля без доступа воздуха.
Древесный уголь образуется при нагревании дерева без
доступа воздуха.
Сажа – очень мелкий графитовый
кристаллический порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного
газа, ацетилена, скипидара и др.) при ограниченном доступе воздуха.
Активные угли — пористые промышленные адсорбенты,
состоящие в основном из углерода. Адсорбцией называют поглощение поверхностью
твёрдых веществ газов и растворённых веществ. Активные угли получают из
твердого топлива (торфа, бурого и каменного угля, антрацита), дерева и продуктов
его переработки (древесного угля, опилок, отходов бумажного производства),
отходов кожевенной промышленности, материалов животного происхождения, например
костей. Угли, отличающиеся высокой механической прочностью, производят из
скорлупы кокосовых и других орехов, из косточек плодов. Структура углей
представлена порами всех размеров, однако адсорбционная ёмкость и скорость
адсорбции определяются содержанием микропор в единице массы или объёма гранул.
При производстве активного угля вначале исходный материал подвергают
термической обработке без доступа воздуха, в результате которой из него
удаляется влага и частично смолы. При этом образуется крупнопористая структура
угля. Для получения микропористой структуры активацию производят либо окислением
газом или паром, либо обработкой химическими реагентами.
Страницы: 1, 2, 3 |
