Чем объясняется исключительная твёрдость алмаза?

Каждый атом углерода прочно связан с четырьмя соседями в объёмной сетке

Атомы углерода связаны в слои из шестиугольников

В алмазе есть примеси металлов

Алмаз состоит из молекул C₆₀

Элементы IVA-группы. Углерод — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Общая характеристика неметаллов

Коротко о главном

В IVA-группе стоят углерод, кремний, германий, олово и свинец; у их атомов по 4 внешних электрона. Углерод — неметалл, его степени окисления от −4 до +4. Простое вещество существует в виде алмаза, графита и других аллотропных модификаций. В реакциях углерод бывает и восстановителем, и окислителем.

\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2} \qquad \mathrm{C + 2H_2 \xrightarrow{t} CH_4}

Подробное объяснение

Грифель карандаша, бриллиант в кольце, сажа на дне закопчённой кастрюли и таблетка активированного угля — всё это почти чистый углерод. Почему же они так непохожи? Чтобы ответить, начнём с атома.

Подгруппа углерода

В IVA-группе пять элементов: углерод C, кремний Si, германий Ge, олово Sn и свинец Pb. У всех на внешнем уровне 4 электрона. До устойчивой восьмиэлектронной оболочки атому нужно либо отдать 4 электрона, либо принять 4.

Что выберет атом, зависит от его радиуса. У маленьких атомов углерода и кремния внешние электроны сильно притягиваются к ядру — это неметаллы. Большие атомы олова и свинца легко отдают электроны — это металлы. Германий стоит посередине и сочетает свойства обоих.

Высшая степень окисления у всех элементов группы +4, высший оксид имеет вид $\mathrm{\text{Э}O_2}$ : $\mathrm{CO_2}$ , $\mathrm{SiO_2}$ , $\mathrm{PbO_2}$ . Низшую степень окисления −4 принимают только неметаллы — углерод и кремний ( $\mathrm{CH_4}$ , $\mathrm{SiH_4}$ ).

Атом углерода

Углерод — элемент № 6, 2-й период. В атоме 6 электронов: 2 на первом уровне и 4 на втором (электронная формула $\mathrm{1s^2 2s^2 2p^2}$ ). Отсюда возможные степени окисления: −4, 0, +2, +4.

Углерод в природе

Свободный углерод — это алмаз и графит. Гораздо больше его в соединениях: в природном газе, нефти, каменном угле, известняке и мраморе ( $\mathrm{CaCO_3}$ ), во всех живых организмах. Углекислый газ есть в воздухе и в природной воде. Растения поглощают его при фотосинтезе, а все живые организмы выделяют при дыхании; ещё больше его даёт сжигание топлива. Моллюски строят из растворённого углекислого газа раковины, и после их гибели углерод снова уходит в горные породы. Так идёт круговорот углерода.

Алмаз, графит и аморфный углерод

Одно и то же вещество может существовать в нескольких формах — это аллотропия. У углерода главные формы — алмаз и графит; позже открыли карбин, фуллерены, графен.

Алмаз — прозрачный и самый твёрдый природный минерал (10 по шкале Мооса). Каждый атом связан с четырьмя соседями, расположенными по вершинам тетраэдра. Ток не проводит. Огранённый алмаз — бриллиант; массу камней измеряют в каратах (1 карат = 200 мг). Алмазы идут на буры, свёрла и шлифовальные круги.
Графит — тёмно-серый, мягкий, жирный на ощупь, проводит ток и тепло, тугоплавкий. Атомы связаны в плоские слои из шестиугольников, слои держатся слабо и легко скользят. Из графита делают электроды, грифели, смазки, замедлители нейтронов.
Аморфный углерод — сажа и древесный уголь. Крошечные кристаллики в нём расположены беспорядочно. Сажу получают разложением метана: $\mathrm{CH_4 \xrightarrow{t} C + 2H_2}$ , её добавляют в резину и краски.

Древесный уголь пронизан порами, поэтому поглощает поверхностью газы и растворённые вещества. Это явление называют адсорбцией. Обработанный паром, особенно пористый уголь называют активированным: он работает в противогазах, очищает сахарный сироп, помогает при отравлениях.

Кокс — почти чистый углерод. Его получают, нагревая каменный уголь выше 1000 °C без доступа воздуха (коксование). Попутно образуются коксовый газ, каменноугольная смола и аммиачная вода.

Химические свойства

При обычных условиях углерод малоактивен, но при нагревании реагирует со многими веществами.

Шкала степеней окисления углерода. В центре простое вещество C (0); стрелки вверх к CO (+2) и CO₂ (+4) — углерод восстановитель; стрелка вниз к CH₄, Al₄C₃, SiC (−4) — углерод окислитель. — С кислородом и оксидами металлов углерод отдаёт электроны, с водородом, металлами и кремнием — принимает.

Углерод — восстановитель (отдаёт электроны, степень окисления растёт):

\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2}

\mathrm{ZnO + C \xrightarrow{t} Zn + CO\uparrow}

\mathrm{C + 2H_2SO_4\,\text{(конц.)} \rightarrow CO_2\uparrow + 2SO_2\uparrow + 2H_2O}

Именно поэтому кокс — главный восстановитель в металлургии.

Углерод — окислитель (принимает электроны, степень окисления −4) в реакциях с металлами и с менее электроотрицательными неметаллами:

\mathrm{4Al + 3C \xrightarrow{t} Al_4C_3} \qquad \mathrm{Si + C \xrightarrow{t} SiC} \qquad \mathrm{C + 2H_2 \xrightarrow{t} CH_4}

Соединения углерода с металлами и кремнием называют карбидами; карбид кремния SiC (карборунд) очень твёрд и идёт на абразивы.

Как решать задачи

Запишите уравнение реакции с коэффициентами; для окислительно-восстановительной реакции проверьте электронный баланс.
Если дана руда или кокс с примесями, найдите массу чистого вещества: $m = m_{\text{смеси}} \cdot w$ .
Найдите количество вещества $n = \dfrac{m}{M}$ и перейдите к искомому по коэффициентам.
Если вещество берут в избытке (например, кокс в двукратном), умножьте найденное количество на этот множитель.

Разобранные примеры

База

Характеристика углерода по положению в таблице

Условие

Опишите элемент углерод: место в Периодической системе, строение атома, степени окисления, формулы высшего оксида и водородного соединения.

Решение

Углерод — элемент № 6, 2-й период, IVA-группа. Заряд ядра +6, электронов 6: по уровням 2 и 4, формула $\mathrm{1s^2 2s^2 2p^2}$ . На внешнем уровне 4 электрона, поэтому углерод может отдавать их (до +4) или принимать (до −4). Это неметалл: его неметаллические свойства сильнее, чем у кремния (радиус меньше), но слабее, чем у азота. Высший оксид $\mathrm{CO_2}$ — кислотный, ему соответствует угольная кислота $\mathrm{H_2CO_3}$ ; водородное соединение — метан $\mathrm{CH_4}$ .

Ответ: Неметалл, 2-й период, IVA-группа; электроны 2, 4; степени окисления от −4 до +4; CO₂ и CH₄

Средний

Электронный баланс для реакции с серной кислотой

Условие

Расставьте коэффициенты в схеме $\mathrm{C + H_2SO_4\,\text{(конц.)} \rightarrow CO_2 + SO_2 + H_2O}$ методом электронного баланса. Что окислитель, что восстановитель?

Решение

Меняют степени окисления углерод и сера:

$\mathrm{\overset{0}{C} - 4e^- \rightarrow \overset{+4}{C}}$ — множитель 1, углерод — восстановитель.

$\mathrm{\overset{+6}{S} + 2e^- \rightarrow \overset{+4}{S}}$ — множитель 2, сера(+6) в серной кислоте — окислитель.

Перед $\mathrm{H_2SO_4}$ и $\mathrm{SO_2}$ ставим 2, водород уравниваем водой:

\mathrm{C + 2H_2SO_4 \rightarrow CO_2\uparrow + 2SO_2\uparrow + 2H_2O}

Проверка по кислороду: слева $2 \cdot 4 = 8$ , справа $$2 + 4 + 2 = 8$$ .

Ответ: C + 2H₂SO₄ → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O; окислитель H₂SO₄ (S⁺⁶), восстановитель C

Сложный

Сколько кокса нужно для получения меди

Условие

Медь восстанавливают коксом из 50 т концентрата, содержащего 80 % оксида меди(II): $\mathrm{2CuO + C \rightarrow 2Cu + CO_2}$ . Кокс (считать чистым углеродом) берут в полуторном избытке. Сколько тонн кокса нужно?

Дано

$m(\text{конц.}) = 50$ т
$w(\mathrm{CuO}) = 0{,}8$
избыток в 1,5 раза

Найти

$m(\mathrm{C})$

Решение

$m(\mathrm{CuO}) = 50 \cdot 0{,}8 = 40$ т, $n(\mathrm{CuO}) = \dfrac{40}{80} = 0{,}5$ Ммоль.

По уравнению углерода вдвое меньше: $n(\mathrm{C}) = 0{,}25$ Ммоль, $m = 0{,}25 \cdot 12 = 3$ т.

С избытком: $3 \cdot 1{,}5 = 4{,}5$ т.

Ответ: 4,5 т

Типичные ошибки

Считают углерод только восстановителем

Почему неверно

Чаще всего углерод действительно встречается как восстановитель — горит, восстанавливает металлы. Но в реакциях с водородом, металлами и кремнием он принимает электроны и получает степень окисления −4.

Как правильно

Смотрите на партнёра. С кислородом, оксидами металлов, концентрированными серной и азотной кислотами углерод — восстановитель. С водородом, металлами и кремнием, которые менее электроотрицательны, — окислитель.

Путают свойства алмаза и графита

Почему неверно

Раз оба вещества — чистый углерод, кажется, что и свойства у них должны быть одинаковыми. Тогда непонятно, почему грифель мажется, а алмаз режет стекло.

Как правильно

Свойства определяет строение кристалла. Алмаз — объёмная сетка, где каждый атом связан с четырьмя: твёрдый, прозрачный, не проводит ток. Графит — слабо связанные слои: мягкий, непрозрачный, проводит ток.

Считают по массе руды, а не оксида

Почему неверно

В задачах о восстановлении металлов дана масса руды или концентрата, а в реакцию вступает только оксид. Если подставить в $$n = m/M$$ массу всей руды, ответ завышен. Так же часто забывают умножить на избыток кокса.

Как правильно

Сначала $m(\text{оксида}) = m(\text{руды}) \cdot w$ , потом количество вещества и пропорция по уравнению. Множитель избытка применяют в самом конце, к найденной массе углерода.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Какая масса углекислого газа получится при полном сгорании 6 г угля (считайте его чистым углеродом)?

Подсказка

По уравнению из 1 моль углерода получается 1 моль углекислого газа.

Решение

\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2}

$n(\mathrm{C}) = \dfrac{6}{12} = 0{,}5$ моль, $n(\mathrm{CO_2}) = 0{,}5$ моль.

$m(\mathrm{CO_2}) = 0{,}5 \cdot 44 = 22$ г.

Ответ

22 г

База Задача 2

Алмаз и графит состоят из одних и тех же атомов углерода. Почему графит проводит электрический ток и оставляет след на бумаге, а алмаз — нет?

Подсказка

Сравните, как атомы связаны в кристаллах двух веществ.

Решение

В алмазе каждый атом углерода прочно связан с четырьмя соседями, расположенными по вершинам тетраэдра. Все электроны внешнего уровня заняты в этих связях, а прочная объёмная сетка делает кристалл очень твёрдым.

В графите атомы связаны в плоские слои из шестиугольников, а слои держатся друг за друга слабо. Слои легко сдвигаются и отслаиваются — поэтому графит мягкий и пишет. Часть электронов в слоях подвижна, поэтому графит проводит ток.

Ответ

Из-за разного строения кристаллов — у графита слабо связанные слои и подвижные электроны, у алмаза жёсткая объёмная сетка

Средний Задача 3

Расставьте коэффициенты методом электронного баланса в схеме $\mathrm{CuO + C \rightarrow Cu + CO_2}$ . Укажите окислитель и восстановитель.

Подсказка

Медь меняет степень окисления с +2 до 0, углерод — с 0 до +4.

Решение

$\mathrm{\overset{0}{C} - 4e^- \rightarrow \overset{+4}{C}}$ — множитель 1, углерод — восстановитель, окисляется.

$\mathrm{\overset{+2}{Cu} + 2e^- \rightarrow \overset{0}{Cu}}$ — множитель 2, $\mathrm{\overset{+2}{Cu}}$ (в составе CuO) — окислитель, восстанавливается.

\mathrm{2CuO + C \xrightarrow{t} 2Cu + CO_2\uparrow}

Ответ

2CuO + C → 2Cu + CO₂; окислитель CuO (Cu⁺²), восстановитель C

Средний Задача 4

Какой объём метана (н. у.) можно получить из 3,6 г угольной пыли при нагревании с водородом? Углерод считайте чистым.

Подсказка

Из 1 моль углерода получается 1 моль метана.

Решение

\mathrm{C + 2H_2 \xrightarrow{t} CH_4}

$n(\mathrm{C}) = \dfrac{3{,}6}{12} = 0{,}3$ моль, $n(\mathrm{CH_4}) = 0{,}3$ моль.

$V(\mathrm{CH_4}) = 0{,}3 \cdot 22{,}4 = 6{,}72$ л.

Ответ

6,72 л

Сложный Задача 5

Сколько килограммов кокса, содержащего 96 % углерода, нужно для восстановления цинка из 40,5 кг оксида цинка? Реакция идёт с образованием угарного газа CO.

Подсказка

Найдите массу чистого углерода, а потом разделите её на массовую долю углерода в коксе.

Решение

\mathrm{ZnO + C \xrightarrow{t} Zn + CO\uparrow}

$n(\mathrm{ZnO}) = \dfrac{40{,}5}{81} = 0{,}5$ кмоль, $n(\mathrm{C}) = 0{,}5$ кмоль.

$m(\mathrm{C}) = 0{,}5 \cdot 12 = 6$ кг, $m(\text{кокса}) = \dfrac{6}{0{,}96} = 6{,}25$ кг.

Ответ

6,25 кг

Сложный Задача 6

Смесь 5,4 г алюминиевого порошка и 3,6 г угля прокалили. Какая масса карбида алюминия образовалась? Какое вещество осталось в избытке?

Подсказка

Сравните количества веществ с коэффициентами 4 и 3 в уравнении.

Решение

\mathrm{4Al + 3C \xrightarrow{t} Al_4C_3}

$n(\mathrm{Al}) = \dfrac{5{,}4}{27} = 0{,}2$ моль, $n(\mathrm{C}) = \dfrac{3{,}6}{12} = 0{,}3$ моль.

На 0,2 моль алюминия нужно $0{,}2 \cdot \dfrac{3}{4} = 0{,}15$ моль углерода, а взято 0,3 моль — углерод в избытке, расчёт ведём по алюминию.

$n(\mathrm{Al_4C_3}) = \dfrac{0{,}2}{4} = 0{,}05$ моль, $M(\mathrm{Al_4C_3}) = 4 \cdot 27 + 3 \cdot 12 = 144$ г/моль, $m = 0{,}05 \cdot 144 = 7{,}2$ г.

Ответ

7,2 г Al₄C₃; в избытке углерод

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Положите рядом простой карандаш и таблетку активированного угля и спросите, что у них общего: это углерод. Проведите грифелем по бумаге: слои графита отслаиваются и остаются на листе — вот почему он мягкий. Алмаз из того же углерода, но атомы в нём сцеплены «во все стороны», как в каркасе, поэтому он самый твёрдый. Затем объясните роль углерода в реакциях: с кислородом и оксидами металлов он отдаёт электроны (так из руды получают металл), а с водородом и металлами — забирает их.

Вопросы для проверки понимания: 1) Почему графит проводит ток, а алмаз нет? 2) Что такое адсорбция и где помогает активированный уголь? 3) В какой реакции углерод — окислитель: с кислородом или с водородом?

На что обратить внимание. Ребёнок должен уверенно расставлять коэффициенты методом электронного баланса и называть окислитель и восстановитель, а в расчётах — не забывать про массовую долю вещества в руде и избыток кокса.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 20	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13