Хімічні властивості вуглецю

Атомна вага вуглецю 12,011. Зовнішній електронний шар атома вуглецю має 4 електрона, його електронна конфігурація 2s22p2, розподіл електронів по орбиталям.

Електронна конфігурація вуглецю

Серед елементів підгрупи вуглець володіє найбільшим значенням електронегативності.
Вуглець має три аллотропних видозміни – алмаз, графіт і аморфний вуглець. Алмаз і графіт зустрічаються в природі, а аморфний вуглець може бути отриманий лише штучним шляхом.
Алмаз – тверда кристалічна речовина, тугоплавкое і хімічно мало активне. Чистий алмаз – безбарвні прозорі кристали. Серед мінералів алмаз має найвищу твердістю, рівний 10, щільність його 3,514. Така висока твердість пояснюється будовою його кристалічної решітки атомного типу, в якій атоми вуглецю знаходяться на однаковій відстані один від одного (див. Рис. 11).
Завдяки твердості алмаз широко застосовується для різання скла, буріння твердих порід, в машинах для волочіння дроту, шліфувальних дисках і т. Д. Для цих цілей використовують алмази, забруднені різними домішками.
Чисті безбарвні кристали піддають шліфуванні алмазним порошком і перетворюють на діаманти. Чим більше граней, тим краще «грає» діамант. Діаманти бувають найчастіше невеликими, їх вага вимірюється каратами (1 карат дорівнює 0,2 г). Але зустрічаються й великі діаманти.
Графіт – дрібнокристалічний мінерал, в кристалічній решітці якого відстань між атомами однаково лише у двох напрямках, а в третьому набагато більше. Це робить кристали графіту неміцними, а сам мінерал м’яким. Твердість графіту дорівнює 1, щільність 2,22, температура плавлення близько 3000 °. Графіт має гарну електропровідність, тому застосовується для виготовлення електродів, обкладок для електролітичних ванн. Порошок графіту, змішаний з мінеральним маслом, є гарною мастилом. Оскільки графіт м’якше паперу і може залишати на ній слід, його застосовують для виготовлення олівцевих грифелів, туші, друкарської фарби, копіювального паперу. Висока термостійкість графіту дозволяє виготовляти з нього вогнетривкі тиглі. Графіт вдається отримувати штучним шляхом – нагріванням коксу до 2500- 3000 °.

■ 2. Якого типу кристалічні решітки мають алмаз і графіт?

3. Поясніть з погляду електронної конфігурації електронних шарів, чому вуглець може утворювати як дві, так і чотири валентні зв’язки. (Див. Відповідь)

Існує думка, що отримується штучно аморфний вуглець (сажа, деревне вугілля) не є самостійним аллотропную видозміною, так як його мікрокристалічна структура така ж, як у графіту.
Аморфний вуглець у вигляді деревного вугілля виходить при сухій перегонці деревини у вигляді дуже легкою тендітної пористої маси. Структура аморфного вуглецю дуже схожа із структурою графіту, але кристали в ньому розташовані безладно.
Величезна поверхню деревного вугілля обумовлює характерне для нього явище адсорбції. Молекули вуглецю, що знаходяться на поверхні шматочка вугілля, притягують до себе молекули речовин з навколишнього його середовища, долаючи енергію теплового руху молекул. Ясно, що чим більше поверхня, тим сильніше йде адсорбція, тому подрібнений адсорбент краще | адсорбує. Якщо ретельно подрібнити деревне вугілля, а потім помістити його під ковпак, де знаходяться пари брому, то можна помітити, як поступово забарвлення брому слабшає і, врешті-решт, зникає.

Якщо порошок вугілля збовтати в пробірці з розчином марганцевокислого калію, фуксину або з настойкою чаю, то незабаром ці розчини знебарвлюються. Якщо прокип’ятити адсорбент разом з адсорбованим на його поверхні речовиною в чистій воді, то забарвлення розчину з’являється знову, тому що тепловий рух молекул посилюється і вони зриваються з поверхні адсорбенту -про виходить десорбція.
Слід зазначити також, що явище каталізу, яке було розглянуто вище, тісно пов’язане з явищем адсорбції.

■ 4. Яке явище називається адсорбцією? (Див. Відповідь)
5. Де ще має місці явище адсорбції, крім процесів, пов’язаних з деревним вугіллям?
6. Дайте пояснення явищу десорбції і вкажіть причини, що сприяють цьому явищу. (Див. Відповідь)

При обробці перегрітою водяною парою з пір вугілля видаляються наявні там іноді сторонні домішки, збільшується пористість вугілля. Таке вугілля називається активованим.

Активоване вугілля дуже широко застосовується, зокрема, в протигазі, вперше запропонованому акад. Н.Д.Зелінським для захисту дихальних шляхів від отруйних газів, що знаходяться в повітрі. Вперше такий протигаз був застосований під час першої світової війни (мал. 64). Протигаз складається з гумової маски або шолома, щільно облягає обличчя і голову, гофрованої гумової трубки, що з’єднує маску з коробкою, що містить очищають повітря речовини.

Система клапанів пропускає вдихаємо повітря в маску тільки через коробку, а видихається – прямо в навколишній простір. Протигазна коробка містить розташовані шарами протидимного фільтр, що затримує тверді і краплинні частинки, хімічний поглинач, хімічно зв’язує надходять в коробку отруйні речовини, і активоване вугілля.
Активоване вугілля іноді дається у вигляді суспензії у воді всередину в разі потрапляння в шлунок отруйних речовин. Деревне вугілля застосовується також для виготовлення чорного пороху.
Аморфний вуглець у вигляді коксу застосовується в металургії. Отримують кокс в коксохімічних печах з кам’яного вугілля. Це тверде пористе речовина, що представляє собою майже чистий вуглець. Кокс є прекрасним паливом і хорошим відновником.

Сажа виходить при спалюванні газоподібних речовин з високим відсотком вмісту вуглецю. У вигляді сажі аморфний вуглець широко застосовується в гумової промисловості і в поліграфії для виготовлення друкарської фарби. Сажа найбільш високої якості виходить при спалюванні газоподібного палива, наприклад ацетилену.

Посилання на основну публікацію