Свойства углерода, его взаимодействие с кислородом

Углерод — химический элемент, формирующий множество соединений органической и неорганической природы. Это главный биогенный элемент Земли, который присутствует в составе всех населяющих планету живых существ. Этот элемент может существовать в кардинально отличающихся по своим параметрам формах, состоящих исключительно из атомов углерода.

История открытия углерода и основные характеристики элемента

Углерод известен людям еще с древности, ведь каменный уголь — один из основных минералов в природе. Кроме угля, люди использовали графит и алмазы.

В 1725 году коммерческое значение приобрели драгоценные камни (алмазы), а в 1970 году люди освоили технологию получения алмазов искусственным путем. В 1779 году ученые приступают к исследованию химических свойств углерода, используя работы химика Карла Шееле. Так, им удалось сделать ряд важнейших открытий, которые послужили основой для выяснения всех уникальных особенностей химического элемента углерод.

В периодической системе Менделеева углерод располагается в 4 группе, главной подгруппе. Порядковый номер элемента — 6, атомный вес — 12,011. Элемент обозначается знаком «С» (от латинского car­boneum). Углерод существует в нескольких формах, по этой причине его формула бывает различна и зависит от конкретной модификации. Для написания уравнений реакций используется единственная молекулярная формула углерода, обозначающая вещество в чистом виде — С (без индексации).

Химическая активность углерода

Благодаря устойчивой конфигурации, молекулярный углерод проявляет низкую химическую активность. Вступить в реакцию углерод может, если сообщить атому дополнительную энергию и заставить распариться электроны внешнего уровня. В этот момент валентность элемента становится равной 4. По этой причине в соединениях углерод имеет степень окисления «+2», «+4», «-4».

Все реакции углерода с простыми веществами (металлами и неметаллами) протекают под воздействием высоких температур. Данный элемент может быть и окислителем, и восстановителем. Восстанавливающие свойства углерода выражены сильно, поэтому элемент используется в металлургической промышленности и других отраслях.

Способность углерода вступать в химические реакции зависит от таких факторов: температуры реакции, аллотропной модификации и дисперсности. Углерод взаимодействует с такими веществами: металлами (железом, алюминием, кальцием и другими), неметаллами (кислородом и водородом), оксидами металлов и их солями.

С щелочами и кислотами углерод в реакцию не вступает, очень редко он взаимодействует с галогенами. Одно из основных свойств углерода — способность элемента образовывать длинные цепи между собой. Цепи замыкаются в цикл, формируют разветвления — так образуются миллионы органических соединений. Их основой выступают два элемента — углерод и водород. В состав соединений могут входить другие атомы: азот, кислород, сера, фосфор, галогены, металлы.

Реакция углерода с кислородом

Взаимодействие кислорода и углерода нашло практическое применение в металлургической промышленности.

Генри Бессемер, английский инженер изобретатель, искал такой способ производства стали, который позволил бы исключить дорогостоящую стадию получения сварочного железа. Чтобы удалить из чугуна избыточный углерод, инженер пропускал струю воздуха через расплавленный металл. Металл при этом не затвердевал и не охлаждался. Даже наоборот: в результате реакции углерода с кислородом выделялось тепло, и температура расплава повышалась. Прекращая подачу воздуха в соответствующий момент, Бессемер получил сталь.

В механизме этой реакции основным вопросом являются первичные продукты реакции углерода с кислородом. Выдвигались теории, объясняющие, какие продукты реакции горения углерода являются первичными. Правильное экспериментальное решение вопроса о первичных продуктах реакции горения затрудняется процессами окисления окиси углерода в газовой фазе и восстановления двуокиси углерода. Для исключения влияния вторичных реакций применялись разные методы исследования: низкое давление, высокие скорости газа, ингибиторы и низкие температуры.

Сложная реакция углерода с кислородом, включающая последовательно-параллельные простые реакции, может быть описана двумя уравнениями скоростей, составленными по отношению к двум ключевым веществам. Из этого следует, что одна из констант реакций горения углерода (реакция С → СO₂), должна быть предварительно экспериментально определена.

В этом случае по двум кинетическим уравнениям скоростей расходования или образования ключевых веществ, по составу продуктов реакций легко вычисляются неизвестные константы остальных двух реакций. Здесь вы узнаете об основных свойствах углерода и областях его применения.

Значительная часть мировой потребности в энергии удовлетворяется реакциями углерода и углеродсодержащих материалов с газами: с кислородом, двуокисью углерода, водяным паром и водородом. Экзотермическая реакция углерода с кислородом была и есть основным источником энергии. Эндотермическая реакция углерода с водяным паром дает окись углерода и водород, которые употребляются как газовое топливо или как синтетический газ, который может быть каталитически превращен в углеводородные топлива или в другие органические соединения. Так как двуокись углерода — это первичный продукт реакции углерода с кислородом и вторичный продукт реакции углерода с водяным паром в реакции водяного газа, то вторичная реакция двуокиси углерода с углеродом в слое топлива тесно связана с основными реакциями углерода. В настоящее время реакция углерода с водородом с образованием метана не имеет промышленного значения, но ей принадлежит будущее.