Уравнение реакции водорода с графитом

При взаимодействии с водородом графен превращается в графан

Хотя графит известен как одно из самых инертных химических веществ, группе ученых из Англии, Голландии и России удалось добиться химической реакции единичного атомного слоя графита — графена — с водородом. В результате образуется совершенно новое вещество — графан, которое при очень низких температурах ведет себя как изолятор. Наблюдения с помощью просвечивающего электронного микроскопа показывают, что графан тоже обладает двумерной гексагональной кристаллической структурой, но с более коротким шагом решетки, чем у графена.

О плоском монослое атомов углерода, плотно упакованных в гексагональную кристаллическую решетку, или, проще говоря, графене, написано столько, что кажется, что чем-то новым никого уже не удивишь. Но, как оказалось, возможно. «Графенную экзотику» еще можно получить на стыке физики и химии. Если химическое взаимодействие структурного «родственника» графена, углеродной нанотрубки, с другими элементами изучено уже довольно хорошо, о химических реакциях с участием самого графена почти ничего не известно.

Группе ученых из Англии, России и Голландии путем гидрирования (взаимодействия с водородом) удалось превратить графен в новое вещество — графан. Об этом сообщается в статье Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane, опубликованной в одном из последних выпусков журнала Science. Что интересно, в число авторов работы входят Эндрю Гейм и Костя Новосёлов — ученые, первыми получившие графен.

Впервые термин «графан» появился в 2006 году — в статье американских физиков-теоретиков Graphane: a two-dimensional hydrocarbon, опубликованной в архиве препринтов, а затем в журнале Physical Review B. В этой работе теоретически показано, что в результате взаимодействия графена с атомарным водородом может образоваться новое вещество с химической формулой CH — это вещество и было названо графаном. Кристаллическая структура графана, так же как и графена, — двумерная гексагональная. При этом атомы водорода присоединяются по обе стороны от плоскости атомов углерода. Кроме этого, авторы статьи дополнительно рассчитали зонную структуру нового материала, предсказали, что графан должен быть полупроводником, а также обсудили вероятные способы получения нового вещества и его возможное применение в электронике. И вот теперь настало время практической реализации предсказанного материала, а заодно и проверки расчетов теоретиков.

Как же был получен графан? Исходный материал — кристаллы графена — был приготовлен традиционным образом — микромеханическим отшелушиванием слоев графита, находящегося на подложке из оксида кремния (толщина подложки составляла 300 нм). В том, что получен именно единичный слой атомов углерода, исследователи убеждались оптическими методами и с помощью рамановской спектроскопии. Далее полученный графен отжигался при температуре 300°C в атмосфере аргона в течение 4 часов. (Эта процедура необходима для избавления кристаллов исходного материала от возможных примесей и загрязнений.) Затем образцы графена подвергались воздействию так называемой «direct-current» плазмы — смеси аргона и молекулярного водорода (доля Н₂ составляла 10%), находящейся при низком давлении — около 0,1 миллибара (1 миллибар = 100 Па). «Direct-current» плазма создавалась с помощью разряда между алюминиевыми электродами (отсюда ее название). Чтобы избежать возможного повреждения ионами, образующимися в плазме в результате облучения, графенные плоскости располагались на расстоянии 30 см от зоны разряда. После того как образцы два часа находились в плазме, и получался графан. На рис. 1 приведено сравнение кристаллической структуры графена (A) и графана (B).

Чтобы удостовериться в том, что получено действительно новое вещество, ученые повторили описанные выше манипуляции с графеном, но уже без 10-процентной примеси водорода в плазме, и с помощью рамановской спектроскопии убедились, что никаких трансформаций графена в другое вещество не происходило.

Проведенные резистивные измерения подтверждают теоретические предсказания полупроводниковых свойств графана. График на рис. 2 показывает температурную зависимость сопротивления нового материала (голубые квадраты). Как видим, с ростом температуры T сопротивление ρ уменьшается, как и у полупроводников. При переходе от температуры 300 К к температуре жидкого гелия (около 4 К) графан проявляет изолирующие свойства: его сопротивление вырастает на два порядка, а подвижность зарядов по сравнению с графеном падает более чем в 1000 раз. Собственно, зависимость ρ(T) хорошо приближается функцией , где T₀ — некоторая температура, равная приблизительно 250 К.

Любопытно, что реакция гидрирования графена является обратимой, и графан можно снова превратить в графен с помощью отжига при температуре 450°C в течение 24 часов. Свойства такого отожженного графена практически не изменяются: его сопротивление опять слабо зависит от температуры и подвижность зарядов возвращается почти на прежний уровень.

Источник: D. C. Elias, R. R. Nair, T. M. G. Mohiuddin, S. V. Morozov, P. Blake, M. P. Halsall, A. C. Ferrari, D. W. Boukhvalov, M. I. Katsnelson, A. K. Geim, K. S. Novoselov. Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane // Science. 2009. V. 323. P. 610–613.

Углерод

В XVII – XVIII вв., в период расцвета теории флогистона, считали , что уголь полностью состоит из этого таинственного вещества: ведь при горении угля почти не образуется твердого остатка. И только А.Л.Лавуазье, изучая горение угля, пришел к выводу, что уголь – всего лишь простое вещество. Лавуазье назвал новый элемент Carboneum вместо старого латинского названия carbone pur – «чистый уголь», которым долгое время пользовались химики.

Алмаз. При слове «алмаз» сразу же вспоминаются окутанные завесой тайны истории, повествующие о поисках сокровищ. Когда-то люди, охотившиеся за алмазами, и не подозревали, что предметом их страсти является кристаллический углерод – тот самый углерод, который образует сажу, копоть и уголь. Впервые это доказал Лавуазье. Он поставил опыт по сжиганию алмаза, используя собранную специально для этого зажигательную машину. Оказалось, алмаз сгорает на воздухе при температуре около 700 о С, не оставляя твердого остатка, как и обычный древесный уголь.

Необработанные алмазы

В структуре алмаза каждый атом углерода имеет четырех соседей, которые расположены от него на равных расстояниях в вершинах тетраэдра. Весь кристалл представляет собой единый трёхмерный каркас. С этим связаны многие свойства алмаза, в частности его самая высокая среди минералов твёрдость. Она-то и дала камню имя, которое происходит от греч. «адамас» — «твердый, непреклонный, несокрушимый».

Кристаллы алмаза, особенно огранённые (бриллианты), очень сильно преломляют свет. Этим и обусловлена знаменитая «игра бриллиантов».

В России ювелирные алмазы вошли в моду в середине XVIII в. Ими украшали не только царские диадемы и скипетры, но также брелки, застежки, трости, табакерки и даже обувь! Мелкие алмазы используются для резки стекла и металлов, служат наконечниками свёрл, резцов. Алмазный порошок издревле применяют для полировки и огранки драгоценных камней.

Графит. В древности графит считали одним из минералов свинца, возможно из-за того, что, подобно свинцу, он оставляет на бумаге след (поэтому из графита делают грифели). В XVIII в. К. В. Шееле доказал, что графит представляет собой минеральный уголь». Родственные отношения между алмазом и графитом были подробно изучены коллегой Лавуазье французским химиком Луи Бернаром Гитоном де Морво: при осторожном нагревании алмаза без доступа воздуха он получил порошок графита.

Графит

Графит – мягкое вещество серого цвета. Атомы углерода связаны в нем в плоские слои, состоящие из соединенных рёбрами шестиугольников, наподобие пчелиных сот. Каждый атом в таком слое имеет трёх соседей. Для образования трёх ковалентных связей атом предоставляет три электрона, а четвертый электрон, образуя π-связи, делокализован по всему кристаллу. Этим объясняются такие свойства графита, как металлический блеск и электропроводность.

Поскольку электронные облака атомов из соседних плоских слоев перекрываются, между слоями возникают слабые связи, которые рвутся даже при незначительной нагрузке. Для того чтобы убедиться, достаточно провести карандашом по листу бумаги: на листе останется след из чешуек графита.

Графит широко применяется в технике. Графитовый порошок используется для изготовления минеральных красок, а также в качестве смазочного материала – между отдельными слоями графита взаимодействие настолько слабое, что возникает скольжение. Графитовые стержни служат электродами во многих электрохимических процессах; из смеси графита с глиной изготовляют тигли для плавки металлов. Блоки из особо чистого графита являются основным материалом для создания атомных реакторов. В первом отечественном реакторе, например, было использовано 450 т графита.

В отсутствии кислорода графит и алмаз выдерживают нагревание до высоких температур: эти вещества переходят в газовую фазу в виде молекул С_n лишь при 3000 о С. Поэтому графит используют как теплозащитный материал для головных частей ракет.

Химические свойства углерода

При обычной температуре углерод малоактивен. При нагревании он реагирует со многими простыми и сложными веществами.

Углерод может быть как окислителем, так и восстановителем, поэтому в соединениях может проявлять положительную и отрицательную степень окисления.

1. Углерод как восстановитель

Как и другие неметаллы, углерод проявляет свойства при взаимодействии с кислородом и другими более электроотрицательными элементами.

а) углерод горит на воздухе с выделением большого количества тепла. При этом образуется СО₂:

При недостатке кислорода образуется СО:

б) раскаленный углерод реагирует с парами серы, легко соединяется с хлором и другими галогенами:

в) так как для углерода в отличие от других неметаллов весьма характерны восстановительные свойства, он может восстанавливать оксиды металлов и неметаллов:

2C + PbO₂ = Pb + 2CO

Это свойство углерода широко используется в металлургии.

г) при пропускании через раскаленный уголь водяного пара получается смесь оксида углерода (II) с водородом, или водяной газ:

1. Углерод как окислитель

Углерод проявляет окислительные свойства при взаимодействии с металлами и водородом.

а) углерод взаимодействует с металлами, образуя карбиды металлов:

В промышленности карбид кальция получают при взаимодействии углерода с негашеной известью СаО, которую получают из известняка СаСО₃:

CaO + 3C = CaC₂ + CO↑

б) углерод реагирует с водородом, при этом образуется метан СН₄:

Кислородные соединения углерода

Оксид углерода (II) СО, или угарный газ. Он не имеет запаха и цвета, плохо растворим в воде, токсичен.

В лаборатории его получают разложением муравьиной кислоты при нагревании в присутствии серной кислоты или фосфорного ангидрида:

Углерод в угарном газе имеет степень окисления +2, поэтому для него характерны реакции присоединения, в которых он является восстановителем.

Угарный газ горит с образованием углекислого газа и выделением тепла:

Он реагирует с хлором на свету в присутствии катализатора – угля. При этом образуется фосген:

Фосген – ядовитый газ, применялся как отравляющее средство в первую мировую войну.

Восстановительные свойства угарного газа используются в металлургии для получения металлов из руд:

CO + FeO = CO₂ + Fe

Оксид углерода (IV), или углекислый газ СО₂.

Он бесцветен, не имеет запаха, тяжелее воздуха, плохо растворяется в воде. Он образуется при:

а) горении углерода в избытке кислорода:

б) разложении карбонатов и гидрокарбонатов при нагревании:

Оксид углерода (IV) не поддерживает горения. Только некоторые активные металлы горят в нем, так как отнимают кислород:

2Mg + CO₂ = 2MgO + C

Оксид углерода (IV) – кислотный оксид. Он реагирует с основаниями, основными оксидами, с водой. При взаимодействии с водой образуется угольная кислота:

Мрамор (карбонат кальция)

Угольная кислота. Как двухосновная кислота она диссоциирует по двум ступеням и поэтому образует два ряда солей – нормальные и кислые соли (карбонаты и гидрокарбонаты). Примеры солей: гидрокарбонаты – NaHCO₃, Mg(HCO₃)₂; карбонаты — Na₂CO₃, CaCO₃.

Карбонаты щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Карбонаты щелочноземельных металлов в воде практически нерастворимы. Карбонаты алюминия, хрома, железа не могут существовать в водных растворах, так как подвергаются полному гидролизу, в результате которого выпадает осадок соответствующего гидроксида и выделяется углекислый газ.

Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, при нагревании разлагаются на оксид металла и углекислый газ:

Качественной реакцией на карбонаты и гидрокарбонаты является их взаимодействие с растворами кислот, при котором выделяется углекислый газ:

При пропускании СО₂ через известковую воду Са(ОН)₂ выпадает осадок СаСО₃ (раствор мутнеет):

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃↓ + Н₂О (качественная реакция на СО₂)

Скачать:

Скачать бесплатно реферат на тему: «Углерод» Углерод.doc (246 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Углерод в природе» Углерод-в-природе.doc (269 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Подгруппа углерода» Подгруппа-углерода.-Углерод.docx (214 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Углеродные нанотрубки» Углеродные-нанотрубки.doc (226 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Алмаз-минерал» Алмаз-минерал.docx (243 Загрузки)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Алмаз-графит» Алмаз-графит.docx (240 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Уголь» Уголь.docx (224 Загрузки)

Скачать рефераты по другим темам можно здесь

*(на изображении записи фотография бриллианта)

Похожее

Один ответ на “Углерод”

Все интересно написано , в статье об углероде не много не понятно для чего там просто написан Na2CO3

Добавить комментарий Отменить ответ

Репетитор по химии. Занятия проходят онлайн по Скайпу. По всем вопросам пишите в Ватсапп: +7 928 285 70 42

Углерод

Углерод

Углерод — неметаллический элемент IV группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, является важнейшей частью всех органических веществ в природе.

Общая характеристика элементов IVa группы

От C к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Из элементов IVа группы углерод и кремний относятся к неметаллам, германий, олово и свинец — металлы.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns 2 np 2 :

• C — 2s 2 2p 2
• Si — 3s 2 3p 2
• Ge — 4s 2 4p 2
• Sn — 5s 2 5p 2
• Pb — 6s 2 6p 2

Природные соединения

В природе углерод встречается в виде следующих соединений:

• Аллотропных модификаций — графит, алмаз, фуллерен
• MgCO₃ — магнезит
• CaCO₃ — кальцит (мел, мрамор)
• CaCO₃*MgCO₃ — доломит

Получение

Углерод получают в ходе пиролиза углеводородов (пиролиз — нагревание без доступа кислорода). Также применяется получение углеродистых соединений: древесины и каменного угля.

Химические свойства

• Реакции с неметаллами

При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.

2С + O₂ → (t) 2CO (угарный газ — продукт неполного окисления углерода, образуется при недостатке кислорода)

С + O₂ → (t) CO₂ (углекислый газ — продукт полного окисления углерода, образуется при достаточном количестве кислорода)

Реакции с металлами

При нагревании углерод реагирует с металлами, проявляя свои окислительные свойства. Напомню, что металлы могут принимать только положительные степени окисления.

Ca + C → CaC₂ (карбид кальция, СО углерода = -1)

Al + C → Al₄C₃ (карбид алюминий, СО углерода -4)

Очевидно, что степень окисления углерода в соединении с различными металлами может отличаться.

Углерод — хороший восстановитель. С помощью него металлургическая промышленность справляется с задачей получения чистых металлов из их оксидов:

Углерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:

SiO₂ + C → (t) Si + CO

Может восстановить и собственный оксид:

Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца — крайне важна в промышленности:

Реакции с кислотами

В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:

Оксид углерода II — СO

Оксид углерода II — продукт неполного окисления углерода. Несолеобразующий оксид. Это чрезвычайно опасное вещество часто образуется при пожарах в замкнутых помещениях, при прогревании машины в гараже.

Растворяясь в крови угарный газ (имеющий в 300 раз большее сродство к гемоглобину, чем кислород) легко выигрывает конкуренцию у кислорода и занимает его место в эритроцитах. Отравление угарным газом нередко заканчивается летальным исходом.

В промышленности угарный газ получают восстановлением оксида углерода IV или газификацией угля (t = 1000 °С).

В лаборатории угарный газ получают при разложении муравьиной кислоты в присутствии серной:

Полностью окисляется до углекислого газа в реакции с кислородом, восстанавливает оксиды металлов.

FeO + CO → Fe + CO₂

Образование карбонилов — чрезвычайно токсичных веществ.

Оксид углерода IV — CO₂

Продукт полного окисления углерода. Относится к кислотным оксидам, соответствует угольной кислоте H₂CO₃. Бесцветный газ, без запаха.

В промышленности углекислый газ получают при разложении известняка, в ходе производства алкоголя, при спиртовом брожении глюкозы.

В лабораторных условиях используют реакцию мела (мрамора) с соляной кислотой.

Углекислый газ образуется при горении органических веществ:

Реакция с водой

В результате реакции с водой образуется нестойкая угольная кислота, которая сразу же распадается на воду и углекислый газ.

Реакции с основными оксидами и основаниями

В ходе реакций с основаниями и основными оксидами углекислый газ образует соли угольной кислоты: средние — карбонаты (при избытке основания), кислые — гидрокарбонаты (при избытке кислотного оксида).

2KOH + CO₂ → K₂CO₃ + H₂O (соотношение основание — кислотный оксид 2:1)

KOH + CO₂ → KHCO₃ (соотношение основание — кислотный оксид 1:1)

При нагревании способен окислять металлы до их оксидов.

Zn + CO₂ → (t) ZnO + CO

Угольная кислота

Слабая двухосновная кислота, существующая только в растворах, разлагается на воду и углекислый газ.

Определить наличие карбонат-иона можно с помощью кислоты: такая реакция сопровождается «закипанием» — появлением пузырьков бесцветного газа без запаха.

Я не раз встречал описание реакций, связанных с этой кислотой, которое заслуживает нашего внимания. В задании было сказано, что при добавлении к раствору гидроксида кальция углекислого газа осадок появлялся, при дальнейшем пропускании углекислого газа — помутнение исчезало.

Это можно легко объяснить, вспомнив про способность угольной кислоты образовывать кислые соли, которые растворимы.

Чтобы сделать из средней соли (карбоната) — кислую соль (гидрокарбонат) нужно добавить угольную кислоту. Однако написать ее формулу H₂CO₃ — ошибка. Ее следует записать в виде воды и углекислого газа.

Li₂CO₃ + CO₂ + H₂O → LiHCO₃ (средняя соль + кислота = кислая соль)

Чтобы вернуть среднюю соль, следует добавить к кислой соли щелочь.

Нагревание солей угольной кислоты

При нагревании карбонаты распадаются на соответствующий оксид металла и углекислый газ, гидрокарбонаты — на карбонат металла, углекислый газ и воду.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2022

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.