Страница 104 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

Будучи неметаллом, углерод способен проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Какие химические свойства углерода подтверждают этот вывод?

Двойственная окислительно-восстановительная природа углерода объясняется его положением в периодической системе и строением его атома. Углерод (C) — элемент 14-й группы (IVА) 2-го периода, на его внешнем энергетическом уровне находятся 4 валентных электрона. Для достижения стабильной электронной конфигурации (октета) атом углерода может как отдавать эти 4 электрона, так и принимать 4 электрона. Это обуславливает диапазон его степеней окисления от -4 до +4. В простом веществе степень окисления углерода равна 0, что является промежуточной степенью окисления и позволяет ему в разных реакциях выступать как в роли восстановителя, так и в роли окислителя.

Восстановительные свойства (углерод — восстановитель)

Углерод проявляет восстановительные свойства, когда он взаимодействует с более электроотрицательными элементами (например, с кислородом, галогенами, серой) или с оксидами металлов. В этих реакциях углерод отдает электроны, и его степень окисления повышается.

1. Взаимодействие с кислородом (горение):
В зависимости от условий, образуется оксид углерода(IV) или оксид углерода(II).
При полном сгорании степень окисления углерода повышается до +4:
$C^0 + O_2^0 \xrightarrow{t} C^{+4}O_2^{-2}$
При недостатке кислорода степень окисления углерода повышается до +2:
$2C^0 + O_2^0 \xrightarrow{t} 2C^{+2}O^{-2}$

2. Взаимодействие с оксидами металлов:
Это свойство широко используется в металлургии для получения металлов из руд.
Например, восстановление меди из оксида меди(II):
$C^0 + 2Cu^{+2}O \xrightarrow{t} C^{+4}O_2 + 2Cu^0$

3. Взаимодействие с водяным паром:
При высокой температуре углерод реагирует с водой, образуя синтез-газ:
$C^0 + H_2O \xrightarrow{t \approx 1000^\circ C} C^{+2}O + H_2$

Окислительные свойства (углерод — окислитель)

Углерод проявляет окислительные свойства, когда он взаимодействует с менее электроотрицательными элементами — металлами и водородом. В этих реакциях углерод принимает электроны, и его степень окисления понижается.

1. Взаимодействие с металлами:
При сплавлении с активными и некоторыми другими металлами углерод образует карбиды, в которых имеет отрицательную степень окисления.
Например, с алюминием образуется карбид алюминия (метанид), где степень окисления углерода -4:
$3C^0 + 4Al^0 \xrightarrow{t} Al_4^{+3}C_3^{-4}$
С кальцием образуется карбид кальция (ацетиленид), где степень окисления углерода -1:
$2C^0 + Ca^0 \xrightarrow{t} Ca^{+2}C_2^{-1}$

2. Взаимодействие с водородом:
При высоких температуре и давлении в присутствии катализатора углерод напрямую реагирует с водородом с образованием метана, где степень окисления углерода -4:
$C^0 + 2H_2^0 \xrightarrow{t, p, кат.} C^{-4}H_4^{+1}$

Таким образом, способность углерода реагировать как с более, так и с менее электроотрицательными элементами, изменяя свою степень окисления от 0 до положительных или отрицательных значений, подтверждает его двойственную окислительно-восстановительную функцию.

Ответ: Химические свойства, подтверждающие двойственность углерода, — это его способность вступать в реакции как в роли восстановителя, так и в роли окислителя.
Восстановительные свойства проявляются в реакциях с кислородом ($C + O_2 \to CO_2$), оксидами металлов ($C + 2CuO \to 2Cu + CO_2$) и другими неметаллами, где углерод повышает свою степень окисления.
Окислительные свойства проявляются в реакциях с металлами ($3C + 4Al \to Al_4C_3$) и водородом ($C + 2H_2 \to CH_4$), где углерод понижает свою степень окисления.