В атоме углерода на его внешних четырех АО имеется четыре электрона. Поэтому все четыре АО принимают участие в образовании химических связей. Этим объясняется разнообразие и многочисленность соединений углерода.

Подавляющее большинство соединений углерода относят к так называемым органическим веществам. В этом разделе рассмотрим свойства неорганических веществ, образуемых углеродом, - простых веществ, его оксидов, угольной кислоты и некоторых ее солей.

Углерод образует несколько простых веществ. Среди них пока важнейшими считаются алмаз и графит. Эти аллотропные модификации имеют атомные кристаллические решетки, которые различаются своими структурами. Отсюда отличие их физических и химических свойств.

В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами. В пространстве эти атомы располагаются в центре и углах тетраэдров, соединенных своими вершинами. Это очень симметричная и прочная решетка. Алмаз – это самое твердое вещество на Земле.

В графите каждый атом соединен с тремя другими, лежащими в той же плоскости. На образование этих связей затрачивается по три АО с тремя электронами. Четвертая орбиталь 2р-АО с одним электроном располагается перпендикулярно плоскости. Эти оставшиеся атомные орбиталь всей сетки перекрываются между собой, образуя зону молекулярных орбиталей. Эта зона занята не полностью, а наполовину, что обеспечивает металлическую электропроводность графита (в отличие от алмаза).

Помимо электропроводности графит обладает еще тремя практически важными свойствами.

Во-первых, тугоплавкость. Температура плавления графита выше 3500° С – это самое тугоплавкое простое вещество на Земле.

Во-вторых, отсутствие на его поверхности каких-либо продуктов взаимодействия с окружающей средой (на металлах это оксиды), увеличивающих электрическое сопротивление.

В-третьих, способность оказывать смазывающее действие на трущиеся поверхности. В кристалле графита атомы углерода прочно связаны между собой в плоских сетках, а связь между сетками слабая, она имеет межмолекулярную природу, как в веществах с молекулярными решетками. Поэтому уже небольшие механические усилия вызывают смещение сеток относително друг друга, что и обусловливает действие графита как смазки.

Энергия связи между атомами углерода в простых и сложных веществах, в том числе и в алмазе, и в графите. Очень велика. О твердости алмаза уже говорили. Прочна связь между атомами и в графитовой сетке. Так, прочность на разрыв волокна из графита значительно превышает прочность железа и технической стали.

На основе графита изготавливают так называемые композиционные материалы, в частности углепластики, в которых волокна графита находятся на матрице из эпоксидной смолы. Композиционные материалы все шире применяются в авиационной и космической технике (ведь помимо прочности они легкие; сравним плотность графита, р=2,3 г/см3 ,с плотностью «легкого» алюминия, р=2,7г/см3, и тем более железа, р=7,9г/см3), а также в судостроении, где особенно ценна коррозионная стойкость.

Углерод химически инертен только при сравнительно низких температурах, а при высоких – это один из сильнейших восстановителей. Главное химическое применение углерода – восстановление металлов, в первую очередь железа, из руд.

Оксиды углерода.

Имея четыре электрона во внешнем энергетическом уровне, углерод в соединениях с кислородом в зависимости от условий проявляет валентности +2 и +4.

При горении углеродосодержащих веществ (дрова, уголь, природный газ метан, спирт и др.) при температуре обычного пламени идет реакция:

С + О2 = СО2

Но если создать условия для повышения температуры (например, уменьшить теплоотвод, что может происходить внутри толстого слоя горящего угля, в том числе в доменной печи), то протекают реакции:

С +О2 = 2СО

СО2 + С = 2СО

Продуктом полного сгорания углерода и содержащих его веществ является оксид углерода (1У) СО2 – углекислый газ. Он же образуется при дыхании живых организмов и гниении их остатков. Одновременно углекислый газ (вместе с водой) является главным веществом, потребляемым растениями в процессе их роста.

При повышении давления уже при комнатной температуре диоксид углерода сжижается. Жидким СО2 заполняют некоторые типы огнетушителей.

При понижении давления жидкий оксид углерода закипает. При этом его температура резко снижается, поскольку на порообразование, как известно из физики, затрачивается большое количество теплоты. В результате СО2 затвердевает. В твердом виде (под названием «сухой лед») он применяется в качестве хладоагента. При атмосферном давлении «сухой лед» не плавится, а подобно иоду, фосфору, углероду возгоняется, только при значительно более низкой температуре (-75° С).