Номер 5, страница 109 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

5. Охарактеризуйте химические свойства углерода. Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.

Углерод (C) — химический элемент IVA группы, 2-го периода периодической системы. На внешнем электронном слое атом углерода имеет 4 валентных электрона, что позволяет ему в химических реакциях проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Степень окисления углерода в соединениях варьируется в широком диапазоне от -4 до +4. При обычных условиях углерод химически малоактивен, но при нагревании его реакционная способность значительно возрастает.

Восстановительные свойства

Наиболее характерны для углерода восстановительные свойства, которые он проявляет в реакциях с более электроотрицательными элементами и сложными веществами-окислителями. При этом углерод отдает электроны, повышая свою степень окисления (чаще всего до +2 или +4).

• Взаимодействие с простыми веществами — неметаллами:

  1. С кислородом. В зависимости от условий, горение углерода приводит к образованию разных оксидов.

  При избытке кислорода (полное сгорание) образуется диоксид углерода:

  $C^{0} + O_2 \xrightarrow{t} C^{+4}O_2$

  При недостатке кислорода (неполное сгорание) образуется оксид углерода(II) (угарный газ):

  $2C^{0} + O_2 \xrightarrow{t} 2C^{+2}O$

  2. С другими неметаллами (галогенами, серой, кремнием) углерод реагирует при сильном нагревании.

  Со фтором (реагирует без нагревания):

  $C + 2F_2 = CF_4$

  С серой (при 700-1000 °C):

  $C + 2S \xrightarrow{t} CS_2$

  С кремнием (в электропечах при ~2000 °C):

  $C + Si \xrightarrow{t} SiC$

• Взаимодействие с оксидами металлов:

  Углерод (в виде кокса) — важнейший восстановитель в металлургии, используемый для получения металлов из их руд (карботермия).

  Восстановление железа из оксида железа(III):

  $2Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t} 4Fe + 3CO_2$

  Восстановление меди из оксида меди(II):

  $CuO + C \xrightarrow{t} Cu + CO$

  Восстановление цинка из оксида цинка:

  $ZnO + C \xrightarrow{t} Zn + CO$

• Взаимодействие с водой:

  При температуре выше 1000 °C углерод реагирует с водяным паром, образуя «водяной газ» — смесь угарного газа и водорода.

  $C + H_2O_{(пар)} \xrightarrow{t} CO + H_2$

• Взаимодействие с концентрированными кислотами-окислителями:

  При нагревании углерод окисляется концентрированными серной и азотной кислотами.

  С концентрированной серной кислотой:

  $C + 2H_2SO_4(\text{конц.}) \xrightarrow{t} CO_2 + 2SO_2 + 2H_2O$

  С концентрированной азотной кислотой:

  $C + 4HNO_3(\text{конц.}) \xrightarrow{t} CO_2 + 4NO_2 + 2H_2O$

Ответ: Углерод проявляет восстановительные свойства, реагируя при нагревании с кислородом, неметаллами (фтором, серой), оксидами металлов, водяным паром и кислотами-окислителями. В продуктах реакций углерод имеет положительную степень окисления, например: $CO_2$, $CO$, $CS_2$.

Окислительные свойства

Окислительные свойства углерод проявляет в реакциях с менее электроотрицательными элементами — металлами и водородом. При этом углерод принимает электроны, понижая свою степень окисления до отрицательных значений.

• Взаимодействие с металлами:

  При высоких температурах углерод образует с металлами бинарные соединения — карбиды.

  С щелочноземельными металлами образуются карбиды-ацетилениды, в которых степень окисления углерода -1:

  $Ca + 2C \xrightarrow{t} CaC_2$

  С алюминием образуется карбид-метанид, в котором степень окисления углерода -4:

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

• Взаимодействие с водородом:

  Реакция прямого синтеза метана из простых веществ протекает при высоком давлении, температуре и в присутствии катализатора (Ni).

  $C^{0} + 2H_2 \xrightarrow{t, p, Ni} C^{-4}H_4$

Ответ: Углерод проявляет окислительные свойства при взаимодействии с металлами и водородом, образуя карбиды (например, $CaC_2$, $Al_4C_3$) и метан ($CH_4$). В этих соединениях углерод имеет отрицательную степень окисления.