Будова атома вуглецю: фізичні і хімічні властивості
Вуглець (С) – шостий елемент періодичної таблиці Менделєєва з атомним вагою 12. Елемент відноситься до неметалів і має ізотоп 14С. Будова атома вуглецю лежить в основі всієї органічної хімії, тому що всі органічні речовини включають молекули вуглецю.
Положення вуглецю в періодичній таблиці Менделєєва:
- Шостий порядковий номер; Четверта група; Другий період.
Положення вуглецю в таблиці Менделєєва
Спираючись на дані з таблиці, можна зробити висновок, що будова атома елемента вуглецю включає дві оболонки, на яких розташовано шість електронів. Валентність вуглецю, що входить до складу органічних речовин, постійна і дорівнює IV. Це означає, що на зовнішньому електронному рівні знаходиться чотири електрона, а на внутрішньому – два.
З чотирьох електронів два займають сферичну 2s-орбіталь, а інші два – 2p-орбіталь у вигляді гантелі. У збудженому стані один електрон з 2s-орбіталі переходить на одну з 2p-орбіталей. При переході електрона з однієї орбіталі на іншу витрачається енергія.
Таким чином, збуджений атом вуглецю має чотири неспарених електрона. Його конфігурацію можна виразити формулою 2s12p3. Це дає можливість утворювати чотири ковалентні зв’язки з іншими елементами. Наприклад, в молекулі метану (СН4) вуглець утворює зв’язки з чотирма атомами водню – одна зв’язок між s-орбиталями водню і вуглецю і три зв’язку між p-орбіталей вуглецю і s – орбіталямі водню.
Схему будови атома вуглецю можна представити у вигляді записи + 6C) 2) 4 або 1s22s22p2.
Фізичні властивості
Вуглець зустрічається в природі у вигляді гірських порід. Відомо кілька аллотропних модифікацій вуглецю:
- Графіт; Алмаз; Карбин; Вугілля; Сажа.
Всі ці речовини відрізняються будовою кристалічної решітки. Найбільш тверда речовина – алмаз – має кубічну форму вуглецю. При високих температурах алмаз перетворюється на графіт з гексагональної структурою.
Хімічні властивості
Атомну будову вуглецю і його здатність приєднувати чотири атома іншої речовини визначають хімічні властивості елемента. Вуглець реагує з металами, утворюючи карбіди:
Са + 2С → СаС2;
Cr + C → CrC;
3Fe + C → Fe3C.
Також реагує з оксидами металів:
2ZnO + C → 2Zn + CO2;
PbO + C → Pb + CO;
SnO2 + 2C → Sn + 2CO.
При високих температурах вуглець реагує з неметалами, зокрема з воднем, утворюючи вуглеводні:
З + 2Н2 → СН4.
З киснем вуглець утворює вуглекислий газ і чадний газ:
З + О2 → СО2;
2С + О2 → 2СО.
Чадний газ також утворюється при взаємодії з водою:
C + H2O → CO + H2.
Концентровані кислоти окислюють вуглець, утворюючи вуглекислий газ:
2H2SO4 + C → CO2 + 2SO2 + 2H2O;
4HNO3 + C → CO2 + 4NO2 + 2H2O.
Активність вуглецю зростає при нагріванні. При низьких температурах елемент відносно стабільний.
Що ми дізналися?
Вуглець – типовий неметал з шістьма електронами на s – і р-орбіталях. В активному стані набуває валентність IV і здатний приєднувати чотири атома речовини. Вуглець може бути представлений у вигляді вугілля, сажі, графіту, алмазу. Елемент реагує з металами, неметалами, кислотами, киснем, оксидами.