Содержание
Углерод: формула, химические свойства, характеристики
Поможем понять и полюбить химию
Начать учиться
В этой статье мы дадим характеристику углерода с точки зрения химии: узнаем, металл это или неметалл, какими свойствами он обладает, с какими веществами реагирует и где находят применение различные модификации углерода.
Углерод — это химический элемент, неметалл, расположенный в таблице Д. И. Менделеева в главной подгруппе IV группы, во 2-м периоде, имеет порядковый номер 6.
Агрегатное состояние углерода при нормальных условиях — твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. Молекула углерода одноатомна. Химическая формула углерода — С.
Строение углерода
В нейтральном атоме углерода находится шесть электронов. Два из них расположены вблизи ядра и образуют первый слой (1s-состояние).
Следующие четыре электрона образуют второй электронный слой. Два из четырех электронов находятся в 2s-состоянии, а два других — в 2р-состоянии. Нейтральный атом углерода в основном состоянии двухвалентен и имеет электронно-графическую конфигурацию 1s22s22р2.
Несмотря на наличие двух неспаренных электронов на внешнем уровне, в большинстве химических соединений углерод четырехвалентен. Возможность образовывать четыре связи углерод получает при переходе одного электрона из состояния 2s в 2р — происходит «распаривание», т. е. переход атома углерода из нейтрального состояния в возбужденное. Этому возбужденному состоянию атома углерода соответствует электронная конфигурация 1s22s12p3.
Возможные валентности: II, IV.
Возможные степени окисления: −4, 0, +2, +4.
Полезные подарки для родителей
В колесе фортуны — гарантированные призы, которые помогут наладить учебный процесс и выстроить отношения с ребёнком!
Аллотропия углерода
Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами.
Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.
Выделяют два вида углерода в зависимости от образования модификаций:
Кристаллический углерод входит в состав твердых веществ (алмаз, графит, графен, фуллерен, карбин).
Аморфный углерод образует мягкие вещества (уголь, кокс, сажа).
Рассмотрим подробнее основные аллотропные модификации углерода, их физические свойства и применение.
Алмаз
Алмаз — трехмерный полимер, бесцветное кристаллическое вещество, самый твердый природный минерал, имеет высокую теплопроводность. Его используют в промышленности для обработки различных твердых материалов, для бурения горных пород. Несмотря на то что алмаз твердый, в то же время он хрупкий.
Получающийся при измельчении алмаза порошок применяют для шлифовки драгоценных камней. Хорошо отшлифованные прозрачные алмазы называют бриллиантами.
В кристаллической решетке атомы углерода связаны ковалентной связью. Расстояние между всеми атомами одинаковое, поэтому связи прочные по всем направлениям.
Одно из уникальных свойств алмазов — способность преломлять свет (люминесценция). При действии излучения алмазы начинают светиться разными цветами. Такая игра света, хороший показатель преломления и прозрачность делают этот драгоценный камень одним из самых дорогих. При этом необработанный алмаз не обладает такими качествами.
В промышленных масштабах алмазы получают при высоком давлении (тысячи МПа) и высоких температурах (1 500–3 000 °С). Процесс протекает в присутствии катализатора (например, Ni).
При нагревании алмаза до 1 000 °С и высоком давлении без доступа воздуха получают графит.
При температуре 1 750 °С переход из алмаза в графит протекает существенно быстрее. При прокаливании в кислороде алмаз сгорает, образуя диоксид углерода.
Графит
Графит — темно-серое мягкое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Хорошо электро- и теплопроводен, стоек при нагревании в вакууме. Имеет слоистую структуру. На поверхности оставляет черные черты. На ощупь графит жирный и скользкий.
Графит термодинамически устойчив, поэтому в расчетах термодинамических величин он принимается в качестве стандартного состояния углерода.
На воздухе графит не загорается даже при сильном накаливании, но легко сгорает в чистом кислороде с образованием диоксида углерода.
При температуре 3 000 °С в электрических печах получают искусственный графит из лучших сортов каменного угля.
Графен
Графен представляет собой монослой графита.
Впервые графен был получен ручным механическим отщеплением в лабораторных условиях, что не предполагает широкого производства.
В более крупных масштабах графен получают при помощи нагревания кремниевых пластин, верхний слой которых состоит из карбида кремния. Под действием высоких температур происходит отщепление атомов углерода, которые остаются на пластинке в виде графена, а кремний испаряется. Графен представляет собой тонкое и прочное вещество с высокой электропроводностью. В настоящее время он широко используется в микроэлектронике и автомобилестроении.
Карбин
Карбин — твердое черное вещество. Состоит из линейных полимерных цепей, которые соединены чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепочки: −С≡С−С≡С−С≡С−.
Впервые карбин был открыт в 60-х годах, но его существование не признавали до тех пор, пока его не обнаружили в природе — в метеоритном веществе.
Карбин — полупроводник, под действием света его проводимость сильно увеличивается. Переход в графит возможен при нагревании до 2 300 °С.
Карбин применяют в медицине для изготовления искусственных кровеносных сосудов.
Уголь
Уголь — мельчайшие кристаллики графита, полученные путем термического разложения углеродсодержащих соединений без доступа воздуха.
Угли имеют разные свойства в зависимости от веществ, из которых получены. Наиболее важные сорта угля — кокс, древесный уголь, сажа.
Кокс получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха. Применяется в металлургии при выплавке металлов из руд.
Древесный уголь образуется при нагревании дерева без доступа воздуха. Благодаря пористому строению он обладает высокой адсорбционной способностью.
Сажа — очень мелкий графитовый кристаллический порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и др.) с ограниченным доступом воздуха.
Активные угли — пористые промышленные адсорбенты, получаемые из твердого топлива, дерева и продуктов его переработки. Применяются для поглощения паров летучих жидкостей из воздуха.
Сравнение основных аллотропных модификаций углерода
Нахождение углерода в природе
Согласно справочнику Дж. Эмсли «Элементы», углерод занимает 11-е место по распространенности в природе. Содержание углерода составляет 0,1% массы земной коры. Свободный углерод представлен в виде алмаза и графита.
Основная масса углерода существует в виде природных карбонатов кальция CaCO3 (мела, мрамора, известняка) и магния MgCO3, а также горючих ископаемых.
Доля углерода в составе горючих ископаемых
Название | Содержание углерода |
|---|---|
Антрацит | 93% |
Бурые угли | 72% |
Каменные угли | 84% |
Горючие сланцы | 60% |
Нефть | 80% |
Горючие природные газы | До 99% метана |
Торф | 50% |
В атмосфере находится в виде диоксида углерода СО2 (~0,03%).
В воде углерод содержится в составе растворимых гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2. Углерод входит в состав растений и животных (~20%).
Химические свойства углерода
Взаимодействие со фтором
Углерод обладает низкой реакционной способностью и из галогенов реагирует только со фтором:
С + 2F2 = CF4.
Взаимодействие с кислородом
При нагревании взаимодействует с кислородом, образуя оксиды СО и СО2:
2С + О2 = 2СО;
С + О2 = СО2.
Взаимодействие с другими неметаллами
Реагирует с серой:
С + 2S = CS2.
Не взаимодействует с азотом и фосфором.
Углерод взаимодействует с водородом и кремнием в присутствии никелевого катализатора:
C + Si = SiC;
C + 2H2 = CH4.
Взаимодействие с металлами
Способен взаимодействовать с металлами, образуя карбиды:
Ca + 2C = CaC2.
Взаимодействие с водой
При пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) и водород:
C + H2O = CO + H2.
Восстановительные свойства
Углерод способен восстанавливать многие металлы из их оксидов (карботермия):
2ZnO + C = 2Zn + CO2.
Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до оксида углерода (IV):
C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O.
Вопросы для самопроверки
Что такое углерод? Дайте характеристику его положения в Периодической системе химических элементов Д.
И. Менделеева.Как распределяются электроны по энергетическим уровням в атоме углерода? Напишите электронную конфигурацию углерода.
Углерод является окислителем в реакции с:
Кислородом
Хлором
Водородом
Серой
Возможно ли взаимопревращение алмаза и графита? Объясните почему.
В виде каких соединений углерод находится в природе?
Для какого аллотропного видоизменения углерода характерна совместимость с тканями человеческого организма?
Опишите физические свойства графена и карбина.
Для чего используют карботермию?
Чем обусловлено наличие аллотропных видоизменений углерода?
В чем заключается различие между нейтральным состоянием атома углерода и возбужденным? Какие возможны степени окисления?
И. Менделеева.Красота химии — в том, что она изучает окружающий нас мир.
Но это не всегда получается увидеть на школьных занятиях. Онлайн-уроки химии в Skysmart помогут не только подтянуть оценки и подготовиться к экзаменам, но и полюбить этот предмет, тесно связанный с окружающим нас миром.
Татьяна Сосновцева
К предыдущей статье
Химия сероводорода
К следующей статье
Простые и сложные вещества
Получите план обучения, который поможет понять и полюбить химию
На вводном уроке с методистом
Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению
Расскажем, как проходят занятия
Подберём курс
Зольность угля: методы определения | Добывающая промышленность
Одной из ключевых характеристик качества угля наряду с влажностью и теплотворностью является зольность.
Из чего складывается этот показатель и какими методами определяется?
Что такое зольность
угля?
Зольность выражается в процентном содержании золы от общей массы угля, образующейся после его полного сгорания.
Этот показатель зависит от концентрации минеральных примесей угля и фактически демонстрирует степень его минерализации.
Количество и соотношение примесей, в свою очередь, зависит от условий формирования угольных залежей. По своему происхождению выделяют внутренние и внешние примеси минеральных веществ: первые накапливаются непосредственно во время образования угольных пластов, а вторые «добавляются» в уголь в процессе его добычи.
В угле содержится множество элементов и соединений: это могут быть силикаты натрия, калия, оксиды кремния, алюминия, железа, сульфиды, карбонаты кальция и магния и многие другие примеси.
На основе зольности угля разрабатываются способы оценки продуктивности углеобогащения, а также формируется стоимость угля, поскольку именно зольность показывает, насколько он пригоден для использования в качестве топлива.
Чем выше показатель зольности, тем ниже тепловой эффект от сгорания угля – главного показателя его качества.
Расчёт нормы зольности угля проводится в единых условиях по ГОСТу 11022-95. Согласно стандарту, для каждого вида угля разработаны правила определения показателя зольности.
Ниже приведены усреднённые значения зольности каменного, бурого, древесного угля, антрацита и длиннопламенного плитного крупного угля (ДПК).
| Топливо | Зольность, % |
| Каменный уголь | 10-40 |
| Бурый уголь | 7-45 |
| Антрацит | 15-25 |
| Длиннопламенный плитный крупный уголь | 8-9 |
| Древесный уголь | 1,2-4 |
Определение зольности угля
Зольность угля может определяться несколькими методами. Первый, стандартный способ подробно описан в ГОСТе 11022-95.
Государственный стандарт распространяется на каменный и бурый уголь, брикеты, антрациты и горючие сланцы.
Оценка качества угля с определением зольности, влажности и теплотворности неизменно проводится в аналитических лабораториях.
Специалисты исследуют пробы угля в виде измельчённых и доведённых до воздушно-сухого состояния частиц. Аналитический образец взвешивают, тщательно перемешивают и сжигают в муфельной печи при высоких температурах нагрева – максимум до 1000°С.
После полного сгорания в печи образуется зольный остаток. Его прокаливают до постоянной массы, которая и демонстрирует количество золы. Процентное содержание золы в угле определяется отношением массы полученного неорганического остатка к массе самой аналитической пробы.
Затем показатель пересчитывают на характерный для абсолютно сухого и твёрдого угля параметр. Отметим, что для стандартного метода определения зольности ГОСТ допускает незначительные погрешности, которые возникают из-за разной конечной температуры в муфельной печи.
По стандарту, угольщики могут применять медленный либо ускоренный методы измерения зольности. Их главное отличие заключается в следующем: при медленном способе образцы угля загружаются в холодную муфельную печь, которая затем нагревается до нужной температуры, а при ускоренном методе их сжигают в предварительно разогретой печи.
Помимо стандартного метода, есть и так называемые инструментальные способы экспресс-определения зольности угля. Обычно они применяются в целях оперативного контроля этого качественного показателя.
Один из них – измерение зольности радиационным методом. Этот способ основан на определении параметров ионизирующего излучения после его взаимодействия с углём.
Для анализа радиационным методом используют специальные приборы – так называемые золомеры. Все анализаторы работают по схожему принципу: поток лучей направляется на образец, детектор «принимает» рассеянный или ослабленный поток, преобразуя его в электрический сигнал.
Величина сигнала пропорциональна интенсивности излучения, затем он усиливается и подаётся на вход измерительного блока.
Некоторые радиометрические приборы устанавливаются прямо на производственных площадках углеобогатительных фабрик, в том числе на конвейерных лентах для измерения показателя зольности в непрерывном режиме.
Читайте также: «Какое оборудование работает в современных лабораториях качества».
Бурый уголь , часто называемый бурым углем , представляет собой самый низкий сорт угля и используется почти исключительно в качестве топлива для выработки электроэнергии на пару. Дополнительные рекомендуемые знания Теплоемкость лигнита колеблется от 10 до 20 МДж/кг (от 9 до 17 миллионов БТЕ на короткую тонну) на влажной, не содержащей минеральных веществ основе. Из-за низкой энергетической плотности бурый уголь неэффективен при транспортировке и не продается на мировом рынке широко по сравнению с более высокими сортами угля. Его часто сжигают на электростанциях, построенных очень близко к каким-либо шахтам, например, в долине Латроб в Австралии и на заводе Luminant в Монтиселло в Техасе. Выбросы двуокиси углерода от электростанций, работающих на буром угле, как правило, намного выше, чем от аналогичных электростанций, работающих на каменном угле. Дальнейшая эксплуатация буроугольных электростанций, особенно в сочетании с открытой добычей и при отсутствии технологий, позволяющих избежать выбросов, таких как секвестрация углерода, вызывает политические споры. Бурый уголь, добываемый в миллионах метрических тонн [ необходима ссылка ] :
Типы, характеристики, использование, применение и факты Прежде чем вы убежите, думая, что это еще одно сложное соединение, скажем вам, что это не так! Лигнит — это просто разновидность угля, обычно коричневато-черного цвета. Поэтому его еще называют бурым углем. Однако он также может встречаться в других цветных формах, таких как желтый и даже черный, которые встречаются редко. Итак, давайте определим бурый уголь. Это мягкий коричневатый уголь, образованный естественным образом спрессованным торфом на мелководьях с температурой ниже 100°C. Бурый уголь обычно горюч по своей природе и часто образуется в виде осадочной породы. Из-за низкого содержания тепла бурый уголь считается углем самого низкого качества, и часто обнаруживается, что он содержит узнаваемые окаменелости растений.
ХарактеристикиЛигнит имеет содержание углерода около 25-35%, которое может повышаться до 60-70% в беззольной и сухой форме. Также имеет высокую влажность до 75% и зольность 6-19%. Теплотворная способность бурого угля составляет около 17 мегаджоулей на кг.
Часть содержащейся воды даже высвобождается из-за постоянного воздействия погодных изменений, в результате чего также может происходить крошение или распад бурого угля. Это, в свою очередь, снижает ценность лигнита как топлива. Кроме того, он геологически моложе других высокосортных углей и, как правило, залегает в третичном периоде.
Бурый уголь обычно имеет промежуточную плотность, древесную текстуру и содержание углерода между торфом и битуминозным углем. Торф, бурый уголь, битуминозный и антрацит — это разные формы угля.
Использование бурого угля Бурый уголь может использоваться в различных целях, и наиболее часто встречающимся является электростанция, работающая на ископаемом топливе.
Более того, из-за обилия запасов бурого угля во всем мире он используется исключительно в качестве топлива для выработки пароэлектрической энергии. Единственное экологически выгодное использование бурого угля, вероятно, связано с выращиванием, а также распространением микробов биоконтроля, которые используются для борьбы с вредными болезнетворными вредителями, поражающими растения.
Популярные области применения бурого угля включают
|
Служба новостей окружающей среды (28 мая 2004 г.). Проверено 28 июня 2007 г.
Поскольку бурый уголь содержит большое количество летучих веществ, его можно легко преобразовать в жидкие и газообразные формы, такие как нефтепродукты.
Это особенно помогает фермерам и малым предприятиям, поскольку снижает общие эксплуатационные расходы. Это не только помогает предприятиям стать конкурентоспособными на международном уровне, но и способствует экономическому и промышленному развитию государства.
Поэтому он не продается на мировом рынке по сравнению с другими высококачественными углями.
Это связано с большим количеством вредных выбросов, выбрасываемых в окружающую среду в результате сгорания, включая NOx, SO2 и пыль. Если мы подвергаемся воздействию загрязнения воздуха, вызванного лигнитом, может увеличиться риск рака легких, сердечных заболеваний и хронического бронхита.
Электричество, полученное из лигнита, стоит недорого. Электростанции используют бурый уголь экологически чистым способом.
Бурый уголь имеет цвет от коричневого до черного и имеет теплотворную способность менее 19,306 кДж/кг. Растительные остатки могут присутствовать в отложениях бурого угля, поскольку они геологически молоды. Содержание влаги и летучих веществ в буром угле довольно высокое, более 25% и более 24% соответственно, а зольность колеблется от 3 до 15%. Высокая влажность бурого угля создает ряд проблем при его использовании, так как снижает электрический КПД тепловых электростанций и может вызвать проблемы при обращении, например, самовозгорание. Кроме того, высокий уровень влажности влияет на плотность энергии топлива, что делает транспортировку на дальние расстояния нерентабельной. В результате буроугольные электростанции часто строятся рядом с шахтами, которые их обеспечивают.
Его историческое использование в качестве топлива для отопления домов неуклонно сокращалось, и в настоящее время его использование для выработки электроэнергии имеет приоритет.
Зола-унос бурого угля, образующаяся при сжигании бурого угля на электростанциях, может использоваться в качестве добавки к почве и удобрения. Тем не менее, существует мало всесторонних исследований долгосрочных преимуществ использования бурого угля в сельском хозяйстве.
Эксперименты показывают, что его адсорбция метиленового синего находится в пределах существующего диапазона активированных углей, используемых в промышленности.