Углерод: элемент жизни, топлива и современных материалов

1.

6
C
углерод
УГЛЕРОД
элемент жизни, топлива и современных
материалов
14 группа
2 период
атомный № 6
• образует несколько аллотропных модификаций:
алмаз, графит, графен, фуллерены
• способен создавать прочные ковалентные связи и
огромное число органических веществ
Алмаз — одна из самых известных форм
углерода
в
природе свойства углерода сильно зависят от строения
вещества

2.

Положение в периодической системе
Углерод находится во 2м периоде (ряду),
в 14-й группе (IV A),
относится к pэлементам.
неметалл
валентность IV
Группа
Период
Электронная конфигурация
14 (IV A)
2
1s² 2s² 2p²
Внешний слой
Степени окисления
4 электрона
−4, +2, +4
Почему элемент особенный?
Короткие и прочные связи C–C позволяют строить длинные цепи,
кольца и каркасы.

3.

Аллотропные модификации
У одного и того же элемента свойства могут резко меняться из-за
разного строения.
Алмаз
Графит
Фуллерен C₆₀
Прозрачный, очень твёрдый,
электрический ток почти не
проводит.
Тёмный, мягкий, слоистый,
хорошо проводит ток.
Полые молекулы-сферы;
интересны для
наноматериалов.
Почему свойства
разные?
В алмазе каждый атом связан с четырьмя соседями в
прочную пространственную решётку.
В графите атомы образуют слои, которые легко
сдвигаются.
У графена такой слой всего один, а у фуллеренов
решётка замкнута в молекулу.
Графен
Один атомный слой
углерода:
лёгкий, прочный и
проводящий.

4.

Физические свойства
Общие свойства
простого вещества
твёрдое вещество
Сравнение двух самых
известных форм
Свойство
Алмаз
Графит
Графен
Строение
3D решётка
слоистая решётка
один слой
Твёрдость
очень высокая
низкая
очень высокая
Проводимость
почти нет
хорошая
очень хорошая
Внешний вид
прозрачный
тёмно-серый
тонкая плёнка
Применение
резцы, украшения
карандаши, электроды
сенсоры,
электроника
высокая температура
сублимации
в воде не растворяется
образует прочные
ковалентные связи
свойства зависят от строения
Самое важное: у разных
аллотропов физические свойства
очень разные.
Именно строение объясняет, почему один и тот же элемент может быть и
сверхтвёрдым, и мягким, и очень проводящим.

5.

Химические свойства и основные реакции
Что характерно для
углерода
• при нагревании реагирует с
кислородом
• восстанавливает некоторые
оксиды металлов
• с металлами образует
карбиды
• при высокой температуре
взаимодействует с CO₂ и
водяным паром
Часто степени окисления
углерода в соединениях: −4,
+2 и +4.
Поэтому углерод может проявлять и
окислительные, и
восстановительные свойства.
Горение
Неполное горение
C + O₂ → CO₂
2C + O₂ → 2CO
При избытке кислорода образуется
углекислый газ.
При недостатке кислорода получается
угарный газ.
Восстановление оксидов
Образование карбидов
2CuO + C → 2Cu + CO₂
Ca + 2C → CaC₂
Углерод отнимает кислород у оксида
металла.
При нагревании с некоторыми металлами
образуются карбиды.
Реакция с углекислым газом при нагревании
C + CO₂ → 2CO
Так образуется CO — важный восстановитель в металлургии.

6.

Значение и применение углерода
От живых клеток до наноматериалов — углерод нужен и природе, и
промышленности.
Основа жизни
Топливо и металлургия
Материалы
Нанотехнологии
Белки, жиры, углеводы,
нуклеиновые кислоты —
все они построены на
углеродном каркасе.
Уголь и кокс используются
как топливо и как
восстановители в
металлургических
процессах.
Алмаз применяют в
режущих инструментах,
графит — в карандашах,
электродах и смазках.
Графен и фуллерены
изучают для сенсоров,
аккумуляторов и
электроники.
Итог: углерод — один из главных элементов химии, потому что сочетает разнообразие форм, важные
реакции и огромную практическую ценность.