1.4 Фізичні та хімічні властивості Карбону

Відомі чотири кристалічні модифікації вуглецю: графіт, алмаз, карбін і лонсдейліт. Графіт – сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, луската, дуже м'яка маса з металевим блиском. При кімнатній температурі і нормальному тиску графіт термодинамічно стабільний. Алмаз – дуже тверда, кристалічна речовина. Кристали мають кубічні гранецентричні гратки. При кімнатній температурі і нормальному тиску алмаз метастабільний. Помітне перетворення алмаза в графіт спостерігається при температурах вище 1400°С у вакуумі або в інертній атмосфері. При атмосферному тиску і температурі близько 3700°С графіт переганяється. Рідкий карбон може бути отриманий при тиску вище за 10,5 Мн / м² (1051 кгс/см²) і температурах вище 3700°С. Для твердого вуглецю (кокс, сажа, деревне вугілля) характерно також стан з неврегульованою структурою "Аморфний" вуглець, який не являє собою самостійної модифікації; в основі його будови лежить структура дрібнокристалічного графіту. Нагрівання деяких різновидів "аморфного" вуглеводу вище за 1500-1600°С без доступу повітря викликає їх перетворення в графіт. Фізичні властивості "аморфного" вуглевцю дуже сильно залежать від дисперсності частинок і наявності домішок. Щільність, теплоємність, теплопровідність і електропровідність "аморфного" вуглецю завжди вище, ніж графіту. Карбін отриманий штучно. Він являє собою дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність 1,9 - 2 г/см³). Побудований з довгих ланцюжків атомів С, укладених паралельно один одному. Лонсдейліт знайдений в метеоритах і отриманий штучно, його структура і властивості остаточно не встановлені.

Конфігурація зовнішньої оболонки атома вуглецю 2s² 2p². Для Карбону характерне утворення чотирьох ковалентних зв'язків, зумовлене збудження зовнішньої електронної оболонки до стану 2sp³. Тому карбон здатний в рівній мірі як притягати, так і віддавати електрони. Хімічний зв'язок може здійснюватися за рахунок sp³-, sp²- і sp-гібридних орбіталей, яким відповідають координаційні числа 4,3 і 2. Число валентних електронів карбону і число валентних орбіталей однакове, це одна з причин стійкості зв'язку між атомами Карбону. [5]

Унікальна здатність атомів Карбону сполучатися між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів і циклів призвела до виникнення величезного числа різноманітних з'єднань Карбону, що вивчаються органічною хімією.

У сполуках карбон проявляє ступені окислення -4; +2; +4. Атомний радіус 0,77, ковалентні радіуси 0,77, 0,67, 0,60 відповідно в одинарному, подвійному і потрійному зв'язках. При звичайних умовах карбон хімічно інертний, при високих температурах він сполучається з багатьма елементами, виявляючи сильні відновні властивості.

Всі форми Карбону стійкі до лугів і кислот іповільно окислюються тільки дуже сильними окислювачами (хромова суміш, суміш концентрованої HNO₃ та KCIO₃ та ін.) "Аморфний" Карбон реагує з фтором при кімнатній температурі, графіт і алмаз – при нагріванні. Безпосередньо з'єднання вуглецю з хлором відбувається в електричній дузі; з бромом і йодом вуглець не реагує, тому численні вуглецю галогеніди синтезують непрямим шляхом. З оксигалогенідів загальної формули COX₂ (де Х - галоген) найбільш відома хлорокис COCI₂ (фосген).

При температурах вище 1000 °С карбон взаємодіє з багатьма металами, даючи карбіди. Всі форми карбону при нагріванні відновлюють оксиди металів з утворенням вільних металів (Zn, Cd, Cu, Pb тощо) або карбідів (CaC₂,Mo₂C, WC , TaC та ін.) Карбон реагує при температурах вище 600-800°С з водяною парою і вуглекислим газом.[16]

Всі форми карбону нерозчинні в звичайних неорганічних і органічних розчинниках, але розчиняються в деяких розплавлених металах (наприклад, Fe, Ni, Co).

Хімічні властивості Карбону.

При звичайних температурах алмаз, графіт, вугілля хімічно інертні, але при високих температурах активність їх збільшується. Як і слід з будови основних форм вуглецю, вугілля вступає в реакції легше, ніж графіт і тим більше алмаз. Графіт не тільки більш реакционноспособен, ніж алмаз, але і, реагуючи з деякими речовинами, може утворювати такі продукти, яких не утворює алмаз.

1. В якості окислювача карбон реагує з деякими металами при високих температурах, утворюючи карбіди:

ЗС + 4Аl → Аl₄С₃ (алюміній карбід).

2. З воднем вугілля і графіт утворюють вуглеводні. Найпростіший представник - метан СН 4 - може бути отриманий у присутності каталізатора N i при високій температурі (600-1000 ° С):

С + 2Н₂→ СН₄.

3. При взаємодії з киснем Карбон виявляє відновні властивості. При повному згорянні Карбону(будь-якої алотропної модифікації) утворюється Карбон (IV) оксид:

С + О₂→СО₂.

При неповному згорянні утворюється Карбон (II) оксид СО:

С + О₂→2СО

Обидві реакції екзотермічні.

4. Особливо яскраво відновні властивості вугілля проявляються при взаємодії з оксидами металів (цинку, міді, свинцю та ін), наприклад:

С + 2CuO →СО₂↑ + 2Cu

С + 2ZnO →СО₂ ↑ + 2Zn.

На цих реакціях заснований найважливіший процес металургії – виплавка металів з руд. [8]

В інших випадках, наприклад при взаємодії з оксидом кальцію, утворюються карбіди:

СаО + ЗС →СаС₂ + СО ↑.

5. Вугілля окислюється гарячими концентрованими сульфатною та нітратною кислотами:

С + 2Н₂SO₄ (конц.) → СO₂↑ + 2 SO₂↑ + 2Н₂О

ЗС + 4НNО₃ (конц.) → ЗСО₂↑ + 4NO↑ + 2Н₂О

Будь-які форми Карбону стійкі по відношенню до лугів. [9]