Најважније из лекције
Алотропија: Дијамант је изграђен од тетраедарски повезаних \(\text{C}\) атома (тврд, изолатор), док је графит слојевит са покретљивим \(\pi\)-електронима (мекан, проводи струју).
Аморфни облици: Активни угаљ одликује изразита адсорпција, а кокс служи као редукционо средство у металургији.
Оксиди: \(\text{CO}\) је неутралан и врло отрован гас (блокира хемоглобин), док је \(\text{CO}_2\) кисели оксид који замућује кречну воду и гаси пламен.
Киселине и соли: \(\text{H}_2\text{CO}_3\) гради растворљиве хидрогенкарбонате (\(\text{HCO}_3^-\)) и претежно нерастворљиве карбонате (\(\text{CO}_3^{2-}\)).
Цијаниди: \(\text{HCN}\) је веома слаба и изузетно токсична киселина мириса на бадем, чије соли у води хидролизују базно.
Аморфни облици: Активни угаљ одликује изразита адсорпција, а кокс служи као редукционо средство у металургији.
Оксиди: \(\text{CO}\) је неутралан и врло отрован гас (блокира хемоглобин), док је \(\text{CO}_2\) кисели оксид који замућује кречну воду и гаси пламен.
Киселине и соли: \(\text{H}_2\text{CO}_3\) гради растворљиве хидрогенкарбонате (\(\text{HCO}_3^-\)) и претежно нерастворљиве карбонате (\(\text{CO}_3^{2-}\)).
Цијаниди: \(\text{HCN}\) је веома слаба и изузетно токсична киселина мириса на бадем, чије соли у води хидролизују базно.
Угљеник (\(\text{C}\)) је једини неметал 14. групе Периодног система елемената. Његови атоми могу градити једноструке, двоструке и троструке ковалентне везе, а оксидациони бројеви у једињењима се крећу у распону од \(-4\) до \(+4\).
Алотропске модификације: Појава да се исти хемијски елемент јавља у више различитих облика чисте супстанце. Најважније кристалне модификације су дијамант, графит, фулерени (\(\text{C}_{60}\)), графен и нанотубе.
| Особина / Модификација | Дијамант | Графит |
|---|---|---|
| Кристална структура | Сваки атом \(\text{C}\) повезан је са 4 суседна атома јаким једноструким ковалентним везама у правилном тетраедарском распореду (угао \(109,5^\circ\)). | Атоми \(\text{C}\) граде шесточлане прстенове распоређене у паралелне равни (слојеве). Између слојева делују слабе Ван дер Валсове силе. |
| Физичка својства | Најтврђа природна супстанца, велика густина, не проводи електричну струју, јако прелама и рефлектује светлост. | Мекан и крт (слојеви лако клизе један преко другог), мања густина, добар проводник електричне струје (због покретљивих \(\pi\)-електрона). |
| Примена | Израда накита, врхова за бушилице, оштрица специјалних ножева и стоматолошких инструмената. | Израда електрода за батерије, графитних оловака, ватросталних лонаца за топљење метала и легура. |
Зашто графит проводи електричну струју, док је дијамант изолатор?
У структури дијаманта сви валентни електрони су локализовани у јаким једноструким ковалентним везама (тетраедарски распоред), па нема слободних носилаца наелектрисања. У структури графита постоје делокализовани \(\pi\)-електрони који су покретљиви дуж слојева, што омогућава проводљивост електричне струје.
Аморфни угљеник чине облици који немају правилну кристалну решетку у целој запремини, већ се састоје од ситних честица чија микроструктура делимично подсећа на графит. Најчешће садрже мале количине примеса.
- Активни угаљ: Добија се загревањем дрвета, костију или шећера без присуства ваздуха. Одликује се великом порозношћу и моћи адсорпције; користи се за гас-маске, филтере за воду, пречишћавање раствора и у медицини.
- Кокс: Добија се сувом дестилацијом минералног угља. Користи се као редукционо средство у металургији (за добијање метала из оксидних руда) и као индустријско гориво.
- Чађ: Фини прах угљеника који настаје непотпуним сагоревањем; употребљава се као црни пигмент за боје и пунилац при производњи аутомобилских гума.
- Минерални угаљ: Настао угљенисањем биљних остатака током геолошких епоха; служи као енергент и хемијска сировина.
Које својство активног угља омогућава његову примену у филтерима за воду и гас-маскама?
Велика специфична површина и порозност дају активном угљу изразито високу моћ адсорпције (везивања гасова, токсина, боја и непријатних мириса на своју површину).
Карбиди су бинарна једињења угљеника са металима или металоидима у којима угљеник има негативан оксидациони број.
Термичко разлагање кречњака:
\[ \text{CaCO}_3\text{(s)} \xrightarrow{\Delta} \text{CaO(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
Добијање калцијум-карбида:
\[ \text{CaO(s)} + 3\text{C(s)} \longrightarrow \text{CaC}_2\text{(s)} + \text{CO(g)} \]
Хидролиза калцијум-карбида (добијање етина/ацетилена):
\[ \text{CaC}_2\text{(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{C}_2\text{H}_2\text{(g)} + \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} \]
Етин (ацетилен, \(\text{C}_2\text{H}_2\)) је незасићени гасовити угљоводоник који се користи као гориво при аутигеном заваривању и резању метала (због високе температуре пламена) и као основна сировина за синтезу полимера.
Колико мола ацетилена настаје у реакцији \(1\text{ mol}\) калцијум-карбида са вишком воде?
Према једначини \(\text{CaC}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_2 + \text{Ca(OH)}_2\), однос количина је \(1 : 1\), што значи да из \(1\text{ mol}\) \(\text{CaC}_2\) настаје тачно \(1\text{ mol}\) \(\text{C}_2\text{H}_2\).
Угљеник(II)-оксид (\(\text{CO}\), угљен-моноксид):
- Особине: Гас без боје, мириса и укуса; спада у неутралне оксиде (не реагује са водом, киселинама ни базама градећи соли).
- Токсичност: Изузетно отрован. Везује се за хемоглобин у крви много чвршће од кисеоника градећи карбоксихемоглобин, чиме блокира пренос кисеоника у организму.
- Добијање и реакције: Настаје непотпуним сагоревањем угљеника или у смеши са водоником (водени гас): \[ \text{C(s)} + \text{H}_2\text{O(g)} \longrightarrow \text{CO(g)} + \text{H}_2\text{g)} \] Гори плавичастим пламеном и прелази у диоксид: \[ 2\text{CO(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow 2\text{CO}_2\text{(g)} \]
Угљеник(IV)-оксид (\(\text{CO}_2\), угљен-диоксид):
- Особине: Безбојан гас, слабо киселог укуса, без мириса, незапаљив и тежи од ваздуха. Спада у киселе оксиде (анхидрид угљене киселине).
- Лабораторијско добијање: Дејством хлороводоничне киселине на карбонате: \[ \text{CaCO}_3\text{(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{CaCl}_2\text{(aq)} + \text{CO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \]
- Доказивање \(\text{CO}_2\): Увођењем гаса у бистру кречну воду (\(\text{Ca(OH)}_2\)) долази до њеног замућења услед стварања нерастворног \(\text{CaCO}_3\): \[ \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} + \text{CO}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{CaCO}_3\text{(s)} \downarrow + \text{H}_2\text{O(l)} \]
- Примена: Гашење пожара, газирана пића, суви лед (чврсти \(\text{CO}_2\) за хлађење), производња соде.
Зашто се \(\text{CO}_2\) користи за гашење пожара?
\(\text{CO}_2\) не гори и не подржава горење, а пошто је тежи од ваздуха, прекрива запаљену површину и тиме спречава доток атмосферског кисеоника.
Угљена (карбонатна) киселина (\(\text{H}_2\text{CO}_3\)) је нестабилна, слаба двобазна киселина која настаје растварањем \(\text{CO}_2\) у води:
\[ \text{CO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3\text{(aq)} \]
Равнотежа је изразито померена улево (само око 0,1% раствореног \(\text{CO}_2\) реагује дајући киселину).
Угљена киселина гради две врсте соли:
- Хидрогенкарбонати (бикарбонати, \(\text{HCO}_3^-\)): Настају делимичном неутрализацијом. Сви су добро растворљиви у води (изузетак је \(\text{NaHCO}_3\) који има умерену/ограничену растворљивост).
- Карбонати (\(\text{CO}_3^{2-}\)): Настају потпуном неутрализацијом. Већина је слабо растворљива или нерастворљива у води (растворљиви су само карбонати алкалних метала и амонијума).
Водени раствори карбоната и хидрогенкарбоната алкалних метала реагују базно услед хидролизе ањона слабе киселине:
\[ \text{CO}_3^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- + \text{OH}^- \]
Како киселине делују на карбонате? Напишите јонску једначину реакције.
Јаче киселине истискују угљену киселину из карбоната, при чему се она одмах распада на \(\text{CO}_2\) и \(\text{H}_2\text{O}\) (бурно издвајање гаса):
\[ \text{CO}_3^{2-} + 2\text{H}^+ \longrightarrow \text{CO}_2\text{(g)} \uparrow + \text{H}_2\text{O(l)} \]
Цијановодоник (\(\text{HCN}\)) је безбојан, испарљив гас карактеристичног мириса на горки бадем. Његов водени раствор је цијановодонична киселина.
Изузетно токсична супстанца! Цијанидни јон (\(\text{CN}^-\)) се чврсто везује за јоне \(\text{Fe}^{2+}\) у хемоглобину и цитохромима, блокирајући ћелијско дисање и пренос кисеоника.
Дисоцијација цијановодоничне киселине (веома слаба киселина):
\[ \text{HCN(aq)} \rightleftharpoons \text{H}^+\text{(aq)} + \text{CN}^-\text{(aq)} \quad (K_a = 6,3 \cdot 10^{-10}) \]
Добијање дејством јачих киселина на цијанидне соли:
\[ 2\text{NaCN(s)} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \longrightarrow 2\text{HCN(g)} \uparrow + \text{Na}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \]
Цијанидни ањон (\(\text{CN}^-\)) је изразито јак лиганд и лако гради стабилне комплексне јоне са јонима прелазних метала. Водени раствори алкалних цијанида (нпр. \(\text{NaCN}\), \(\text{KCN}\)) хидролизују базно.
Да ли је цијановодонична киселина јача или слабија од угљене киселине?
Цијановодонична киселина (\(K_a = 6,3 \cdot 10^{-10}\)) је знатно слабија киселина од угљене киселине.
Задаци за вежбање
Лаки ниво: Напишите једначину хемијске реакције која се користи за доказивање присуства \(\text{CO}_2\) помоћу кречне воде и опишите шта се визуелно уочава.
\[ \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} + \text{CO}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{CaCO}_3\text{(s)} \downarrow + \text{H}_2\text{O(l)} \]
Опажање: Бистри раствор кречне воде (\(\text{Ca(OH)}_2\)) се замућује услед стварања белог, слабо растворног талога калцијум-карбоната (\(\text{CaCO}_3\)).
Средњи ниво: Прикажите једначинама хемијских реакција следећи низ трансформација:
\[ \text{CaCO}_3 \longrightarrow \text{CO}_2 \longrightarrow \text{CO} \longrightarrow \text{CO}_2 \]
- Термичко разлагање кречњака: \[ \text{CaCO}_3\text{(s)} \xrightarrow{\Delta} \text{CaO(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} \] (или дејством \(\text{HCl}\): \(\text{CaCO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\))
- Редукција угљен-диоксида усијаним коксом: \[ \text{CO}_2\text{(g)} + \text{C(s)} \longrightarrow 2\text{CO(g)} \]
- Сагоревање угљен-моноксида: \[ 2\text{CO(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow 2\text{CO}_2\text{(g)} \]
Средњи ниво: Напишите једначине реакција између:
а) магнезијум-карбоната и хлороводоничне киселине,
б) калијум-хидроксида и угљеник(IV)-оксида (у вишку).
а) магнезијум-карбоната и хлороводоничне киселине,
б) калијум-хидроксида и угљеник(IV)-оксида (у вишку).
а) \(\text{MgCO}_3\text{(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{MgCl}_2\text{(aq)} + \text{CO}_2\text{(g)} \uparrow + \text{H}_2\text{O(l)}\)
б) \(\text{KOH(aq)} + \text{CO}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{KHCO}_3\text{(aq)}\)
(Напомена: ако је \(\text{KOH}\) у вишку, настаје неутрални карбонат: \(2\text{KOH} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{K}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O}\)).
б) \(\text{KOH(aq)} + \text{CO}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{KHCO}_3\text{(aq)}\)
(Напомена: ако је \(\text{KOH}\) у вишку, настаје неутрални карбонат: \(2\text{KOH} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{K}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O}\)).
Тешки ниво: Објасните зашто су раствори натријум-карбоната (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)) и натријум-цијанида (\(\text{NaCN}\)) базни, и напишите одговарајуће јонске једначине хидролизе.
Обе соли потичу од јаке базе (\(\text{NaOH}\)) и слабих киселина (\(\text{H}_2\text{CO}_3\) и \(\text{HCN}\)). У воденом раствору њихови ањони реагују са молекулима воде везујући протоне (\(\text{H}^+\)), чиме се ствара вишак слободних \(\text{OH}^-\) јона:
1. Хидролиза карбонатног јона: \[ \text{CO}_3^{2-}\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^-\text{(aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)} \] 2. Хидролиза цијанидног јона: \[ \text{CN}^-\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightleftharpoons \text{HCN(aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)} \] Због повећане концентрације хидроксидних јона (\([\text{OH}^-] > [\text{H}^+]\)), водени раствори ових соли показују базну реакцију (\(\text{pH} > 7\)).
1. Хидролиза карбонатног јона: \[ \text{CO}_3^{2-}\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^-\text{(aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)} \] 2. Хидролиза цијанидног јона: \[ \text{CN}^-\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightleftharpoons \text{HCN(aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)} \] Због повећане концентрације хидроксидних јона (\([\text{OH}^-] > [\text{H}^+]\)), водени раствори ових соли показују базну реакцију (\(\text{pH} > 7\)).
