Глава ХI. Углерод

Электронная конфигурация атома углерода 1s²2s²2p². При возбуждении легко достигается состояние, где на четырех внешних атомных орбиталях будет находиться четыре неспаренных электрона. Это объясняет, почему углерод в соединениях обычно четырехвалентен. Симметричная электронная конфигурация, а также уникальное соотношение заряда ядра и радиуса атома сообщают атому углерода способность одинаково легко присоединять и отдавать электроны. Вследствие этого для него характерны различные степени окисления от -4 до +4. Кроме того, это дает ему возможность образовывать одинарные, двойные и тройные связи не только между собой, но и с атомами других элементов. В молекуле органического соединения степени окисления атомов углерода могут быть различны:

(С^-3Н₃)₃С⁰ – С^-2Н₂ – С^-1Н₂ – ОН

Углерод встречается в природе в свободном и связанном состояниях. В свободном состоянии он образует четыре аллотропные модификации, отличающиеся друг от друга кристаллической структурой: графит (слоистая), алмаз (тетраэдрическая), фуллерен (сферическая) и карбин (линейная). Природный каменный уголь, древесный уголь, кокс и сажа относятся к аморфному углероду, так как они не имеют определенной кристаллической структуры.

В отличие от большинства неметаллов, для углерода более характерны восстановительные свойства, чем окислительные. При нагревании на воздухе вначале образуется оксид углерода (II) – СО. При избытке кислорода и высокой температуре образуется оксид углерода (IV) – СО₂

Углерод при высокой температуре восстанавливает Ме и неМе из их оксидов:

C + Fe → Fe + CO C + H₂O ↔ H₂ + CO

Концентрированные серная и азотная кислоты окисляют углерод до СО₂:

С + 2H₂SO_4(конц.) = CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O

C + 4HNO_3(конц.) = CO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O

Окислительные свойства углерод проявляет в реакциях с активными Ме и водородом. С Ме он реагирует при высоких температурах, образуя карбиды. Карбиды – неустойчивые соединения, легко разлагаются водой и, в зависимости от состава и строения карбида Ме, образует различные углеводороды:

Са + 2С = СаС₂ СаС₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + С₂Н₂↑

4Al + 3C = Al₄C₃ Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄↑

При нагревании углерода с водородом в присутствии катализатора образуются различные углеводороды, что используется при синтезе бензина из угля:

nC + (n+1)H₂ = C_nH_2n+2