ГДЗ по химии 9 класс, базовый уровень учебник Габриелян, Остроумов — страница 109

   Углерод находится во втором периоде, IVA-группе, порядковый номер 6, протонов 6, нейтронов 6, электронов 6.
   Максимальная степень окисления +4, образует высшие оксиды состава ЭО₂.
   Минимальная степень окисления –4. Летучее водородное соединение СН₄.
   Строение электронной оболочки атома углерода: 6С 2ē, 4ē.

   Алмаз — прозрачное кристаллическое вещество, самое твердое из всех природных веществ. Оно служит эталоном твердости по так называемой шкале Мооса и по десятибалльной системе оценивается высшим баллом 10. Такая твердость алмаза обусловлена особой структурой его атомной кристаллической решетки. В ней каждый атом углерода окружен четырьмя такими же атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.
   Кристаллы алмаза обычно бесцветные, но иногда за счет примесей приобретают синюю, голубую, красную или черную окраску. Они обладают очень сильным блеском благодаря высокой светопреломляющей и светоотражающей способности.
   Графит — темно-серое, жирное на ощупь кристаллическое вещество с металлическим блеском. В отличие от алмаза, графит очень мягкий, непрозрачный материал, хорошо проводит теплоту и электрический ток, тугоплавкий.
   Мягкость графита, его способность оставлять серый след на поверхностях других материалов обусловлены его слоистой структурой. В кристаллической решетке графита атомы углерода, лежащие в одной плоскости, прочно связаны в шестиугольники, а вот связи между слоями очень слабые.
   Из графита изготавливают электроды, твердые смазки трущихся деталей, замедлители нейтронов в ядерных реакторах, стержни для карандашей.

   Сходное с графитом строение имеют разновидности так называемого аморфного углерода — сажа и древесный уголь. Главное отличие аморфного углерода от графита состоит в том, что мельчайшие кристаллики в аморфном веществе расположены не упорядоченно, а хаотически.
   Сажу получают разложением при высокой температуре природного газа. Основная составляющая природного газа — метан СН₄ разлагается на углерод и водород:

      СН₄ = С + 2Н₂

   Сажу используют в промышленности при изготовлении резины (именно поэтому автомобильные покрышки и многие другие резиновые изделия имеют черный цвет), она входит в состав черных красок, в том числе для принтеров, а также применяется для изготовления химических источников тока.
   Древесный уголь образуется при нагревании кусочков древесины при высокой температуре без доступа воздуха. Его образование объясняется разложением сложных углеродсодержащих веществ древесины с удалением газообразных продуктов. В результате процесса разложения остается некое подобие углеродного каркаса, бывшего ранее растительными волокнами. Поэтому древесный уголь имеет пористую структуру, внутри он пронизан многочисленными полостями, каналами, пустотами.

   Адсорбцией называется способность поглощать газы и растворенные вещества. Для увеличения адсорбционной способности древесного угля его обрабатывают водяным паром. Полученный таким образом уголь называют активированным. Активированный уголь используют для очистки сахарных сиропов в свеклосахарном производстве, в фильтрующих противогазах для поглощения отравляющих веществ, при пищевых отравлениях (в виде таблеток).

   При обычных условиях углерод — малоактивное вещество. Особую химическую инертность проявляет такая его аллотропная модификация, как алмаз. Тем не менее в токе кислорода алмаз при сравнительно небольшой температуре (600–700°C) сгорает с образованием углекислого газа:

      С_(алмаз) + О₂ = СО₂

   Восстановительные свойства углерод проявляет и в реакциях со сложными веществами-окислителями. Например, горячая концентрированная серная кислота взаимодействует с углеродом, при этом наблюдается бурное выделение углекислого и сернистого газов:

      C + 2H₂SO₄ = CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O

   На протекании этой реакции основан эффектный химический опыт — «черное эскимо». Если к сахарной пудре, помещенной в стакан, добавить немного концентрированной серной кислоты, то через некоторое время реакционная смесь начинает вспениваться и в виде черной массы, выталкиваемой образующимися газами, выползать из стакана.
   Практическое значение имеет использование кокса в качестве восстановителя в металлургии:

      C + ZnO = CO + Zn

   Окислительные свойства. При нагревании углерод взаимодействует с металлами. Образующиеся вещества носят общее название карбиды. Спекание кокса с алюминием приводит к получению карбида алюминия:

      4Al⁰ + 3C⁰ = Al₄⁺³C₃⁻⁴

   Углерод выступает в роли окислителя и при взаимодействии с неметаллами, имеющими меньшее значение электроотрицательности. Так, при прокаливании смеси углерода с кремнием получают карбид кремния, или карборунд:

      Si + C = Si⁺⁴C⁻⁴

   При взаимодействии с водородом углерод также проявляет окислительные свойства:

      С + 2Н₂ = С⁻⁴Н₄⁺¹

   Образующееся вещество называют метаном.

   Коксование каменного угля — это процесс, при котором кусочки каменного угля нагревают в специальных печах до температуры свыше 1000°C без доступа воздуха. При такой температуре все органические вещества, входящие в состав каменного угля, разлагаются, содержащиеся в небольших количествах элементы кислород и водород выделяются в виде газообразных веществ (углекислого газа и паров воды), а кусочки каменного угля превращаются в кокс — практически чистый углерод. Такое производство называют коксохимическим.
   В результате коксования каменного угля получают: коксовый газ, состоящий преимущественно из метана; каменноугольную смолу, содержащую несколько сотен различных органических соединений, в том числе бензол, фенол и др.; аммиачную воду, содержащую кроме растворенного аммиака, некоторые другие вещества.

   C⁰ + 4HN⁺⁵O₃ = C⁺⁴O₂ + 4N⁺⁴O₂ + 2H₂O

   С⁰ + 2CuO = 2Cu + C⁺⁴O₂↑, углерод является восстановителем
   C⁰ + 2S = C⁺⁴S₂, углерод является восстановителем
   C⁰ + PbO₂ = Pb + C⁺⁴O₂↑, углерод является восстановителем
   C⁰ + 2Mg = Mg₂C⁻⁴, углерод является окислителем

Дано:
   m_руды = 216 т
   ω(ZnO) = 75% = 0,75
   m(C) — ?

Решение:
   C + ZnO = CO + Zn

   Найдем массу оксида цинка:
   m(ZnO) = m_руды · ω(ZnO) = 216 т · 0,75 = 162 т

   Рассчитаем количество вещества оксида цинка:
   n(ZnO) = m(ZnO)/M(ZnO) = 162 т/(65 + 16) т∕Ммоль = 2 Ммоль

   Рассчитаем количество вещества кокса:
   По уравнению реакции n(C) = n(ZnO) = 2 Ммоль

   Рассчитаем массу кокса:
   m(C) = M(C) · n(C) = 12 т/Ммоль · 2 Ммоль = 24 т

   Так как кокс нужно взять в двукратном размере, то необходимая масса:
   m(C) = m(C) · 2 = 24 т · 2 = 48 т.

   Ответ: для получения цинка из 216 т рудного концентрата, содержащего 75% оксида цинка, потребуется 48 т кокса.

   Географические координаты поселка Промысла: 58°33'44" с.ш., 59°09'11" в.д.
   Расстояние до районного центра (Горнозаводск) около 63 км. Расстояние до Перми около 231 км.

   Имя химика Николая Дмитриевича Зелинского связано с химией углерода благодаря его работам по активации угля и созданию эффективного средства защиты от отравляющих газов — противогаза. Ученый разработал метод обработки древесного угля, который значительно увеличил его поглотительную способность, что стало ключевым для создания фильтрующего противогаза, который он создал совместно с инженером Эдуардом Куммантом. Куммант разработал резиновую маску, а Зелинский дополнил маску коробкой с гранулированным активированным углем.
   Принцип действия противогаза основан на адсорбции (поглощении) отравляющих веществ активированным углем. Когда человек дышит через противогаз, вдыхаемый воздух проходит через слой угля, где токсичные газы задерживаются, а очищенный воздух поступает в легкие.
   Устройство противогаза состояло из двух частей: резиновая маска и фильтрующая коробка.
   Резиновая маска была сделана так, что плотно прилегала к лицу, предотвращая попадание отравляющих веществ. В маску были вклеены очки для защиты глаз.
   Фильтрующая коробка содержала активированный уголь. В ранних моделях вдыхаемый и выдыхаемый воздух проходил через одну и ту же коробку, так как клапаны для выхода отсутствовали.
   Маска Кумманта имела две модификации: с резиновым выступом над носом для протирки запотевших стекол и без него.
   Существовали два основных типа противогазов по форме коробки: петроградский (прямоугольное поперечное сечение, 160 г угля) и московский (овальное сечение, 200–250 г угля).
   Противогаз эффективно защищал от смеси из 0,2% хлора с 0.1% фосгена в течение 2–3 часов.
   Недостатками являлось то, что отсутствовали клапаны для выхода, это затрудняло дыхание при длительном использовании; угольная пыль могла забиваться в рот и нос при надевании; стекла не всегда прилегали к маске герметично.
   Летом 1915 года Николай Дмитриевич лично провел первые испытания противогаза в помещении Министерства финансов, которое было заполнено хлором и фосгеном, с платком, в который был завернут активированный уголь.
   Русской армией противогазы начали использоваться с февраля 1916 года и за годы Первой мировой войны было произведено более 11 миллионов экземпляров, что помогло снизить потери от химических атак.

      «Фуллерены»
   Фуллерены это аллотропная форма углерода, в которой молекулы замкнуты в виде выпуклых многогранников. Атомы углерода в них расположены в вершинах пяти- шестиугольников, образующих поверхность сферы или эллипсоида.
   Фуллерены названы в честь архитектора Ричарда Бакмистера Фуллера, так как его геодезические конструкции очень похожи на структуру этих молекул. Самый известный представитель семейства фуллеренов — С₆₀ — бакмистерфуллерен или бакибол, его структура напоминает футбольный мяч, он состоит из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников.
   В 1970 году японский ученый Осава Эйдзи предположил существование стабильной молекулы С₆₀, а в 1985 году Крото, Кёрл и Смолли исследуя пары графита после их лазерного облучения, обнаружили фуллерены. За это открытие в 1996 году они получили Нобелевскую премию. Чуть позже фуллерены нашли в природных минералах, например в шунгите и даже в космических туманностях.
   Особенностями фуллеренов является то, что размер их молекул варьируется от С₂₀ до С₅₄₀; при этом каждый атом углерода образует три связи с соседними атомами, а оставшиеся электроны образуют делокализованные пи связи на поверхности молекулы.
   С₆₀ — это оранжевое твердое вещество, растворим в ароматических углеводородах, дает растворы пурпурного цвета, кристаллы имеют пластинчатую или игольчатую форму.
   С₇₀ — обладает красновато-коричневый цвет, переходящий в темно-серый, его растворы имеют красный цвет.

Фуллерены имеют очень широкое применение:
   • в медицине являются носителями лекарств, антиоксидантами, участвуют в разработке противоаллергических средств и препаратов против ВИЧ.
   • в электронике и фотонике: являются полупроводниковыми материалами, а также применяются в оптических затворах и ограничителях лазерного излучения.
   • в энергетике для хранения водорода, для электродов для суперконденсаторов.
   • в нанотехнологиях как фоторезисторы для субмикронного разрешения; как модельные объекты для изучения корпускулярно-волнового дуализма.
   Фуллерены — уникальный класс углеродных соединений с многогранными свойствами и широкими перспективами применения. Их открытие не только расширило понимание аллотропии у углерода, но и дало толчок развитию нанотехнологий, материаловедения и биомедицины. Исследования в этой области продолжаются, открывая новые возможности для практического применения фуллеренов.

      «Графен»
   Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода: одноатомный слой атомов углерода, организован в гексагональную (шестиугольную) кристаллическую решетку — по форме напоминает пчелиные соты.
   Получается, что это одна плоскость графита, отдаленная от объемного кристалла.
   Графен был открыт в 2004 году в Манчестерском Университете британскими учеными российского происхождения Андреем Гейми и Константином Новоселовым. Ученые с помощью обычного скотча последовательно отслаивали слои графита до тех пор, пока не получили слой толщиной в один атом углерода. За это открытие в 2010 году они получили Нобелевскую премию по физике.

Графен обладает уникальными свойствами:
   • высокая прочность, он в 200 раз прочнее стали такой же толщины. Например, гамак из графена площадью 1 м² может выдержать кошку весом 4 кг и при этом будет практически невидим.
   • его исключительная электропроводность превосходит медь, электроны в графене движутся со скоростью близкой к скорости света.
   • теплопроводность — передает тепло в 10 раз лучше меди.
   • прозрачность — поглощает всего 2,3% падающего света, поэтому практически прозрачен.
   • гибкость — может растягиваться на 20% без повреждений и принимать разные формы без потери свойств.
   • химическая стабильность — устойчив к агрессивным средам.
   • легкость — при определенных условиях может быть легче воздуха.

Применение:
   • в электронике из графена создают сверхбыстрые транзисторы, гибкую электронику, прозрачные сенсорные экраны, наушники, аккумуляторы (заряжаются за 15 минут), лампочки (экономнее светодиодных).
   • в энергетике — создают солнечные батареи, ионисторы с высокой энергоемкостью, которые являются более эффективными источниками энергии.
   • в медицине применяется для доставки лекарств к раковым клеткам, для имплантов, для биосовместимых датчиков для монитора уровня сахара в крови, для антибактериальных повязок, для медицинских масок.
   • для транспорта и авиации — изготавливают легкие и прочные материалы для автомобилей, самолетов, беспилотников, велосипедных шин, защитных покрытий для кузова.
   • для защиты применяется в производстве бронежилетов, шлемов, брони для техники.
   • для создания фильтров для очистки воды и воздуха, помогает снижать вредные выбросы на атомных электростанциях.
   • создают легкие и прочные материалы для космических аппаратов, солнечных паруса, защиту от микрометеоритов.
   • добавляют в пластик, металл или бетон для повышения их прочности, легкости и устойчивости к коррозии.
   Несмотря на огромный потенциал, массовое использование графена пока ограничено из-за высокой стоимости, в 2020 году 1 тонна графена стоила 200000$, для массового производства требуется дорогое оборудование и некоторые методы производства связаны с токсичными отходами, а также влияние графена и особенно оксида графена на организм человека еще не изучается.
   Тем не менее, ученые и компании активно работают над снижением стоимости и улучшении методов производства. Ожидается, что в ближайшие десятилетия графен найдет еще более широкое применение — от умной одежды с сенсорами до квантовых компьютеров.

«Углеродные нанотрубки»
   Углеродная нанотрубка — это аллотропная модификация, которая представляет собой полую цилиндрическую структуру диаметром от 0,1 нм до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров. Она состоит из одной или нескольких свернутых в трубку графеновых плоскостей (гексагональных структур, похожих на пчелиные соты).
Существует два вида нанотрубок:
   • Одностенные — состоят из одного слоя графена, применяются в литий-ионных аккумуляторах, углепластиковых материалах, автомобильной промышленности, миниатюрных датчиках для обнаружения молекул в газовой среде или растворах.
   • Многостенные — включают несколько коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Отличаются разнообразием форм и конфигураций:
   • Структура матрешки — трубки вложены друг в друга;
   • Структура напоминающая свисток.
   Основными свойствами являются механическая прочность (прочность на разрыв намного выше чем у стали), теплопроводность (в 8 раз выше чем у меди), электропроводность (в 1000 раз выше чем у меди), химически устойчивы (кроме сочетания высоких температур и кислорода).
   Применяются как фильтры для удаления вирусов, обессоливания воды, как защита от электромагнитного излучения, как нагреватели, сенсоры, электроды суперконденсаторов и солнечных батарей, прозрачные электропленки.

   Коксохимическое производство относится к взрывоопасным, так как происходит выделение горючих газов, такие как коксовый газ, содержащий водород, метан, углекислый газ и другие легковоспламеняющиеся соединения. Эти газы могут накапливаться в производственных помещениях, смешиваться с воздухом и формировать взрывоопасные смеси.
   Кроме этого в ходе производства образуется угольная и коксовая пыль, частицы этой пыли могут взвешиваться в воздухе и создавать взрывоопасные аэрозоли. В определенных концентрациях и наличии источника зажигания такая смесь способна привести к взрыву.
   Коксохимическое производство сопровождается высокими температурами, такие условия способствуют быстрому воспламенению горючих веществ и ускоренному распространению пламени, что повышает риск взрывов.
   Для извлечения химических продуктов из коксового газа часто применяются органические растворители, которые являются взрывоопасными веществами, их утечка приводит к образованию взрывоопасных сред.
   На многих производствах используют изношенное оборудование, что повышает утечку газов, пыли или жидкости, а также сбоев в технологических процессах, которые могут привести к авариям.
   Ошибки операторов, недостаточный контроль за соблюдением техники безопасности или неправильные действия при ликвидации аварии также могут стать причиной взрывов.