Углерод, C

1. Углерод, C

2. Углерод существует в трех аллотропных модификациях:

                А) Алмаз. В кристаллической решетке алмаза (атомного типа) каждый атом С образует 4 ковалентных связи со своими соседями, реализуется sp³-гибридизация_, тетраэдрическая структура. Природний алмаз - диэлектрик. Синтетический алмаз - полупроводник, оптическая ширина запрещенной зоны около 5,6эВ. Ученые Поляков и Ройтер разработали оригинальные методы получения синтетических полупроводниковых алмазов как дырочного, так и электронного типа проводимости.

                Б) Графит. Его кристаллическая решетка молекулярного типа состоит из плоских слоев атомов, которые слабо связаны между собой. Атом углерода в графите находится в sp²-гибридном состоянии, тригональной структуры. Графит - проводник.

                В) Карбин. Модификация углерода, состоящая из ацетиленовых фрагментов, гибридизация-sp ,линейный полимер. Карбин - полупроводник.

                3. Углерод - элемент 2 периода, IV A-группа, строение атома:1S² 2S²2p²

                4. Относительная атомная масса углерода -А_r 12.

                5. В природе встречается в свободном состоянии в виде графита и алмаза. Карбин встречается в природе в виде  минерала чаонита и всегда содержит примеси графита. Содержание углерода в земной коре составляет 0,14%. Большая часть его входит в состав карбонатов (СаСО₃,Mg СО₃),нефти, каменного и бурого углей, сланцев, природного газа. В промышленности широко используется искусственный графит, получаемый прокаливанием смеси кокса с кремнеземом в электропечах. Синтетические алмазы получают из графита при t~ 1800⁰С и ~6 ГПа, катализаторы: FeS, Ta, Ni.

                6. Физические свойства:

                Графит. Температура плавления - 3800⁰ С ( под давлением 10МПа , самое туготлавкое из простых веществ), при атмосферном давлении углерод возгоняется при3700⁰С, не плавясь. температура кипения -5100К ,теплотворность - (300К) 1,59 Вт/ м К, плотность - 2,22 г/см³.Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении параллельной базисной плоскости близка к металлической, в перпендикулярной в сотни раз меньше.Электрическая проводимость 10⁵ См .м^- .  Коэффициент теплового расширения до700К в направлении базисного отрицателен ( графит сжимается при нагревании).В направлении перпендикулярном базисным плоскостям коэффициент теплового расширения положителен и не зависит от температуры. Монокристаллы графита диамагнитны.

                Алмаз. Температура плавления 3700-4000⁰ С, обладает наиболее высокой теплопроводностью среди твердых тел 900 -2300 Вт/м К, плотность 3,47-3,55 г/см³. Электрическая проводимость 10^-15 См.м^-. Удельное сопротивление алмаза 10⁸ Ом^-1см^-1

               7. При обычной температуре  углерод химически инертен, про высоких реагирует со многими  элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. С кислородом углерод реагирует с бразованием СО ( недостаток кислорода):2 С+ О₂ =2СО и СО₂ :  С+ О₂ = СО₂

СО - несолеобразующий оксид, обладает сильными восстановительными свойствами, в качестве лиганда образует много комплексных соединений. Сильный яд. СО₂-кислотный оксид. С водородом углерод дает метан: С+2Н₂= СН_4.. При нагревании (750-1000⁰ С) углерод реагирует с серой:

С+2S=CS₂ ,углерод образует соединения с галогенами формулой:СГ₄, только с F₂ реакция происходит при непосредственном взаимодействии: С + 2  F₂ =CF₄ с другими галогенами:СН₄+4Сl₂ =CCl₄ +4HCl. При температуре электрической дуги углерод реагирует с азотом: 2С+N₂=C₂N₂-дициан газ очень ядовит. С кремнием углерод образует соединение:SiC-карбид кремния(карборунд) твердое тугоплавкое вещество с кристаллической решеткой алмаза. Углерод реагирует со многими металлами. Образуются карбиды, которые делятся на три группы: солеподобные-карбиды активных металлов ( СаС₂, Аl₄C₃ и др.), карбиды внедрения (металлоподобные карбиды) атомы С занимают октаэдрические пустоты в плотноупакованных структурах  d- металлов (NbC,TaC,WC,MoC и др) такие соединения отличаются твердостью, высокой температурой плавления, большой химической стойкостью. Ковалентные карбиды--- SiC,B₄C, химическая связь в них приближается к чисто ковалентной, так как  В и Si , являются соседями углерода в периодической системе элементов, близки к нему по размеру атомов и электроотрицательности. Из сложных соединений С реагирует с Н₂О(пар): С+ Н₂О =СО+ Н₂ смесь СО+ Н₂ --- водяной газ. Углерод взаимодействует с НNO₃(конц.)

                С + 4 НNO₃ =СО₂ + 2Н₂О +4NO₂

8. Углерод входит в состав многих сплавов: содержание С до 2,14% -- сталь, более 2,14%-- чугун

9. Углерод устойчив к коррозии

10. С (графит) используется для изготовления графитовых электродов. При изготовлении токопроводящих клеев как токопроводящий компонент.

С( алмаз): высокая теплопроводность алмаза делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек под процессоры. Алмазы, как полупроводники применяются в качестве детекторов ядерного излучения ( алмаз люминесцирует под действием радиоактивного излучения).

С (карбин) обладает полупроводниковыми свойствами и при воздействии света его проводимость возрастает, используется в фотоэлементах.

SiC-обладает полупроводниковыми свойствами. Донорные примеси--- железо,висмут,сурьма,мышьяк, фосфор; акцепторные--- металлы второй и третьей групп. Ширина запрещенной зоны собственно карборунда                               

                        Е= 2,86эВ. Из карбида кремния изготавливают нелинейрые сопротивления-варисторы, т. е. приборы, значение омического сопротивления которых зависит от приложенного к ним напряженности электрического поля. Диоды и транзисторы, изготовленные из SiC,могут работать при высокой температуре. Тонкие слои SiC хорошо защищают

p-n переходы приборов.

Углерод является основоположным элементом органической химии. К органическим полупроводникам относятся две главные группы органических веществ: а) молекулярные кристаллы, б) полимеры с системой сопряженных связей. Монокристаллы антрацена, пирена, хризена --- полупроводники с электронной проводимостью.

Практическое применение в качестве полупроводников нашли органические полимеры, в которых в наибольшей  мере сочетается хорошая электропроводность с высокой концентрацией носителей тока. При получении полимерных полупроводников основной задачей является создание макромолекул с сопряженными связями. Примером полимерного полупроводника является полиацетелен: ( ---СН = СН---) _n

11. Высокое содержание  С в атмосфере ведет к повышению заболеваемости органов дыхания ,легких. Профессиональные заболевания - антракози пылевой бронхит. ПДК мг/м³ алмаз-8,0 ,антрацит и кокс - 6,0 , каменный уголь-10,0, технический углерод и углеродная пыль 4,0.

 Очень токсичными являются некоторые соединения углерода :СО (угарный газ), ССl₄ (почечный яд), дициан.

- Контрольные работы на заказ