Углерод и его соединения

Углерод — основа органической химии, но и в неорганической его соединения очень важны: угарный и углекислый газы, карбонаты, карбиды. Степени окисления углерода в неорганических соединениях: −4 (карбиды), +2 (\(\ce{CO}\)), +4 (\(\ce{CO2}\), карбонаты).

Простые вещества

Углерод образует несколько аллотропных модификаций: алмаз (атомная решётка, \(sp^3\), самое твёрдое природное вещество), графит (слоистая решётка, \(sp^2\), проводит ток), карбин, фуллерены. Уголь, кокс, сажа — мелкокристаллический графит; активированный уголь с огромной поверхностью пор поглощает газы и растворённые вещества (адсорбция).

Углерод — восстановитель

Чаще всего углерод отдаёт электроны: горит, восстанавливает металлы из оксидов, окисляется кислотами-окислителями:

\[ \ce{C + O2 -> CO2}; \qquad \ce{2C + O2 -> 2CO} \ (\text{недостаток } \ce{O2}); \qquad \ce{C + CO2 ->[t^\circ] 2CO}; \qquad \ce{C + H2O(\text{пар}) ->[t^\circ] CO + H2} \]

\[ \ce{2CuO + C ->[t^\circ] 2Cu + CO2}; \qquad \ce{SiO2 + 2C ->[t^\circ] Si + 2CO}; \qquad \ce{C + 2H2SO4(\text{конц.}) -> CO2 ^ + 2SO2 ^ + 2H2O} \]

Углерод — окислитель

С металлами, водородом и кремнием при высокой температуре углерод принимает электроны, образуя карбиды и метан:

\[ \ce{C + 2H2 ->[Ni, t^\circ] CH4}; \qquad \ce{4Al + 3C ->[t^\circ] Al4C3}; \qquad \ce{CaO + 3C ->[t^\circ] CaC2 + CO}; \qquad \ce{Si + C ->[t^\circ] SiC} \]

Карбиды кальция и алюминия разлагаются водой с выделением ацетилена и метана соответственно (разделы об алкинах и алканах).

Угарный газ

Оксид углерода(II) \(\ce{CO}\) — бесцветный газ без запаха, очень ядовит: связывается с гемоглобином прочнее кислорода. Несолеобразующий оксид, с водой и щелочами в обычных условиях не реагирует. Сильный восстановитель — горит синим пламенем и восстанавливает металлы из оксидов (основа доменного процесса):

\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2}; \qquad \ce{Fe2O3 + 3CO ->[t^\circ] 2Fe + 3CO2}; \qquad \ce{CO + Cl2 -> COCl2} \ (\text{фосген}); \qquad \ce{CO + 2H2 ->[\text{кат.}] CH3OH} \]

В лаборатории угарный газ получают разложением муравьиной кислоты концентрированной серной кислотой.

Углекислый газ и карбонаты

Оксид углерода(IV) \(\ce{CO2}\) — бесцветный газ тяжелее воздуха, не горит и не поддерживает горения (кроме горения магния и натрия). Кислотный оксид: с водой даёт слабую угольную кислоту, со щелочами — карбонаты и гидрокарбонаты, с известковой водой — помутнение (качественная реакция). Получают его обжигом известняка и действием кислот на карбонаты: \(\ce{CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 + CO2 ^ + H2O}\).

Растворимы только карбонаты щелочных металлов и аммония; гидрокарбонаты растворимы все. Карбонаты реагируют с кислотами (выделение \(\ce{CO2}\) — качественная реакция на карбонат-ион), при нагревании разлагаются (кроме карбонатов натрия и калия). Нерастворимый карбонат переходит в растворимый гидрокарбонат под действием углекислого газа и воды — так в природе образуются пещеры: \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca(HCO3)2}\).