2. Хімічні властивості та застосування Карбону

На зовнішньому шарі атома Карбону містяться чотири валентних електрони, і до його завершення не вистачає чотирьох електронів. Тому в сполуках з металами для Карбона характерна ступінь окиснення \(-4\), а при взаємодії з більш електронегативними неметаллами він проявляє позитивні ступені окиснення: \(+2\) або \(+4\).

У природі Карбон зустрічається як у вигляді простих речовин, так і у вигляді сполук. У повітрі міститься вуглекислий газ \(CO_2\). У земній корі поширені карбонати (наприклад, \(CaCO_3\) утворює крейду, мармур, вапняк). Горючі копалини (вугілля, торф, нафта, природний газ) складаються з органічних сполук , головним елементом яких є Карбон.

Карбон належить до життєво важливих елементів , оскільки входить до складу молекул усіх органічних речовин.

Карбон утворює декілька алотропних видозмін, з яких найбільш відомими є алмаз і графіт .

Алмаз має атомну кристалічну ґратку. Кожен атом Карбону в алмазі зв’язаний чотирма міцними ковалентними зв’язками з сусідніми атомами, розташованими у вершинах тетраедра.

Завдяки такій будові алмаз — найтвердіша з усіх відомих природних речовин. Усі чотири валентних електрони кожного атома Карбону беруть участь в утворенні зв’язків, тому алмаз не проводить електричний струм. Це безбарвна прозора кристалічна речовина, добре заломлює світло.

Графіт теж має атомну кристалічну ґратку, але ґратка графіту є шаруватою. Кожен атом Карбону сполучений міцними ковалентними зв’язками з трьома сусідніми атомами. Утворюються плоскі шари з шестикутників, які між собою слабо зв’язані. Один валентний електрон у атома Карбону залишається вільним.

Графіт є темно-сірою речовиною з металічним блиском, жирний на дотик. На відміну від алмазу, графіт непрозорий, проводить електричний струм і залишає сірий слід на папері. Графіт має дуже високу температуру плавлення (\(3700\) °С).

Алмаз і графіт можуть взаємоперетворюватися. При сильному нагріванні без доступу повітря алмаз чорніє і перетворюється на графіт. Графіт можна перетворити на алмаз при високій температурі і великому тиску.

З найдрібніших частинок графіту складаються сажа , деревне вугілля та кокс . Сажа утворюється при неповному згорянні палива. Деревне вугілля отримують при нагріванні деревини без доступу повітря, а кокс — переробкою кам’яного вугілля.

Деревне вугілля має пористу будову і має здатність поглинати гази і розчинені речовини. Така властивість називається адсорбцією .

Алотропні модифікації Карбону в хімічних реакціях можуть проявляти і окисні , і відновні властивості. Окисні властивості Карбону виражені слабше, ніж у інших неметалів другого періоду (Нітрогену, Оксигену і Флуору).

Вуглець реагує з металами при високій температурі з утворенням карбідів :
Реакція відбувається при сильному нагріванні. Утворюється метан . Вуглець — окисник .

Вуглець горить у кисні з утворенням вуглекислого газу і проявляє в цій реакції відновні властивості:

• для обробки твердих поверхонь;
• для різання скла;
• для виготовлення бурів і свердел;
• для виготовлення ювелірних прикрас.

• при виготовленні олівців;
• як тверде мастило в підшипниках;
• для виготовлення електродів;
• як сповільнювач нейтронів в ядерних реакторах;
• для отримання штучних алмазів.

• входить до складу друкарської фарби, крему для взуття;
• використовується як наповнювач для виробництва гуми.

• в протигазах, промислових і побутових фільтрах;
• для очищення цукрового сиропу, спирту, тощо;
• в медицині.

§ 15. ЕТИН. ГОМОЛОГИ ЕТИНУ

Склад і будова молекул. Найпростіший із алкінів — етин (тривіальна назва — ацетилен) має склад С₂Н₂. Молекула етину містить на два атоми Гідрогену менше, ніж молекула етену, що формально засвідчує ще більш ненасичений характер цієї сполуки. Атоми Карбону сполучені в молекулі етину потрійним зв’язком:

Розглянемо електронну природу потрійного зв’язку. Згідно з гіпотезою гібридизації атоми Карбону в молекулі етину перебувають у стані sp-гібридизації. Це означає, що s-електронна орбіталь «змішується» з однією із трьох p-електронних орбіталей, утворюючи дві sp-гібридні електронні орбіталі, а дві інші p-електронні орбіталі залишаються негібридизованими (мал. 42).

Мал. 42. Схема утворення sp-гібридних електронних орбіталей атома Карбону

sp-Гібридні електронні орбіталі двох атомів Карбону, перекриваючись, утворюють σ-зв’язок між собою та з атомами Гідрогену (мал. 43). Валентний кут у цьому разі становить 180 о .

Мал. 43. Схема утворення σ-зв’язків у молекулі етину

За рахунок перекривання негібридизованих p-електронів утворюються два π-зв’язки (мал. 44). Ділянки перекривання p-електронів лежать поза віссю σ-зв’язку. Електронна густина двох π-зв’язків зливається, набуваючи циліндричної форми, усередині якої зосереджується σ-зв’язок.

Мал. 44. Схема утворення π-зв’язків у молекулі етину

Отже, у молекулі етину між атомами Карбону існує потрійний зв’язок, що є поєднанням одного σ- і двох π-зв’язків (мал. 45).

Мал. 45. Модель молекули етину

Геометрію молекули етину наведено на мал. 46. Довжина потрійного зв’язку (0,120 нм) менша порівняно з подвійним, а його енергія — більша (839 кДж/моль).

Мал. 46. Геометрія молекули етину

Пригадайте, як електронна теорія пояснює зменшення довжини подвійного зв’язку в молекулі етену порівняно з одинарним зв’язком у молекулі етану. Дайте аналогічне пояснення щодо потрійного зв’язку в молекулі етину.

Етин започатковує групу ненасичених вуглеводнів алкінів (ацетиленових вуглеводнів). Загальна формула сполук — С_nН_2n-2.

Ізомерія, номенклатура. Як ви вже, напевно, помітили, алкіни та алкадієни мають однакову загальну формулу, отже, вони ізомерні між собою. Окрім того, алкінам властива структурна ізомерія карбонового скелета і положення кратного зв’язку. Наприклад, для сполуки складу С₅Н₈ можливі такі ізомери:

З’ясуйте, чи можливі інші структурні ізомери складу С₅Н₈.

Оперуючи структурними формулами та моделями, з’ясуйте, чи можлива цис-, транс-ізомерія алкінів.

За правилами систематичної номенклатури назви алкінів утворюють від назв алканів заміною суфікса -ан на -ин (-ін). Спершу треба визначити найдовший карбоновий ланцюг, у якому є потрійний зв’язок, і пронумерувати атоми з кінця, ближчого до потрійного зв’язку; перед назвою зазначити цифрою місця замісників і їхні назви в абетковому порядку; перед суфіксом цифрою вказати атом Карбону, після якого слідує потрійний зв’язок.

Фізичні властивості. Етин — безбарвний газ, без запаху, малорозчинний у воді, трохи легший за повітря. Неприємний запах, що поширюється під час добування етину з кальцій карбіду, належить зовсім не етину, а домішкам сірководню і фосфінів, що утворюються як побічні продукти.

Фізичні властивості алкінів закономірно змінюються зі зростанням числа атомів Карбону в їхніх молекулах (табл. 6).

Характеристики алкінів

Складіть графік зміни температур плавлення та кипіння алкінів залежно від складу їхніх молекул. Порівняйте цей графік із аналогічним для алканів і алкенів. Зробіть узагальнення.

У природі етин не трапляється через високу хімічну активність молекул, у чому ви можете переконатися на наведених нижче дослідах.

Хімічні властивості. Як і інші вуглеводні, алкіни горять з утворенням карбон(IV) оксиду та води й виділенням великої кількості теплоти.

Пригадайте, метан горить майже безбарвним полум’ям, а етен — світним. Яскравість полум’я залежить від відносного вмісту Карбону в молекулах цих сполук. Можна припустити, що етин горітиме ще яскравішим полум’ям, оскільки масова частка Карбону в його молекулі становить 92 %. Переконаємося в цьому на досліді.

Добудемо етин, скориставшись приладом, зображеним на мал. 47 (с. 74). Етин утворюється в результаті взаємодії кальцій карбіду з водою за реакцією:

Мал. 47. Добування етину в лабораторії

Підпалимо етин біля газовідвідної трубки — газ горітиме кіптявим полум’ям:

Реакції алкінів

Для повного згоряння етину, наприклад, під час зварювання металів у полум’я додатково подають повітря або кисень. Слід пам’ятати, що суміші етину з повітрям або киснем вибухонебезпечні!

Ненасичений характер хімічних зв’язків зумовлює характерні хімічні реакції алкінів. Подібно до алкенів вони легко окиснюються розчином калій перманганату в кислому, лужному й нейтральному середовищі з утворенням оксигеновмісних сполук. Пропускаючи етин крізь цей розчин, можна спостерігати його знебарвлення.

Алкіни вступають у реакції електрофільного приєднання за місцем кратного зв’язку. За наявності каталізатора вони приєднують водень, відновлюючись при цьому до алканів. Як проміжні продукти утворюються відповідні алкени.

У результаті приєднання до молекули алкіну однієї молекули хлору чи брому утворюються дигалогенопохідні алкенів, а якщо в реакцію вступають дві молекули галогену, — тетрагалогенопохідні алканів.

Ці реакції відбуваються за йонним механізмом подібно до реакцій алкенів.

Спробуйте скласти схему механізму реакції приєднання брому до пропіну.

Алкіни приєднують гідроген галогеніди з утворенням галогенопохідних сполук. Приєднання гідроген галогенідів до несиметричних молекул алкінів (у яких кратний зв’язок розміщений не посередині молекули) відбувається згідно з правилом Марковникова:

Молекули алкінів здатні сполучатися між собою з утворенням сполук різної будови. З двох молекул етину утворюється важлива для практики сполука вінілацетилен

У результаті полімеризації етину утворюються полієни, що їх використовують як напівпровідники:

Можлива також полімеризація з утворенням карбіну (=С=С=)n, який вважають алотропною видозміною вуглецю.

Порівняно з іншими ненасиченими вуглеводнями хімічна поведінка алкінів має особливості, зумовлені електронною будовою молекул. Розглянемо ці особливості.

Гібридні електронні орбіталі трьох типів — sp 3 , sp 2 , sp — різняться часткою, що припадає на s-компоненту: вона найбільша за sp-гібридизації, оскільки одна s-орбіталь «змішується» з однією p-орбіталлю. Теоретичними обчисленнями доведено, що збільшення частки s-орбіталі приводить до підвищення електронегативності атома Карбону. Отже, його найвища електронегативність спостерігається у стані sp-гібридизації (табл. 7).

Порівняння електронегативностей атома Карбону в різних станах