L'état d'oxydation du carbone. L’état d’oxydation du carbone montre la complexité des liaisons chimiques.

DÉFINITION

Carbone est le sixième élément du tableau périodique. Il se situe en deuxième période du sous-groupe IV groupe A. Désignation - C.

À l'état libre, le carbone est connu sous le nom de diamant, qui cristallise dans les systèmes cubique et hexagonal (lonsdalite), et de graphite, qui appartient au système hexagonal. Les formes de carbone telles que le charbon de bois, le coke ou la suie ont une structure désordonnée. Il existe également des modifications allotropiques obtenues par synthèse - ce sont des variétés de carbone carbyne et polycumulène construites à partir de polymères à chaîne linéaire du type ...-C≡ C-C≡C-... ou .. = C = C = C = C = . ...

On connaît également des modifications allotropiques du carbone, qui portent les noms suivants : graphène, fullerène, nanotubes, nanofibres, astralène, carbone vitreux, nanotubes colossaux ; carbone amorphe, nanobuds de carbone et nanomousse de carbone.

Dans la nature, le carbone existe sous la forme de deux isotopes stables : 12 C (98,892 %) et 13 C (1,108 %).

L'état d'oxydation du carbone dans les composés

Le carbone existe sous la forme de plusieurs substances simples - modifications allotropiques (voir ci-dessus), dans lesquelles son état d'oxydation est zéro.

Avec des éléments moins électronégatifs que lui, le carbone donne des carbures. Puisqu'il est typique que le carbone forme des homochaînes, la composition de la plupart des carbures ne correspond pas à l'état d'oxydation du carbone (-4) : Si +4 C -4, B 4 C -4, CaC -4 2, Al 4 C -4 3. Le méthane C -4 H 4 peut être considéré comme le carbure le plus simple.

Le carbone présente des états d'oxydation (+2) Et (+4) , dans des composés avec des éléments non métalliques plus électronégatifs que lui, par exemple C +2 O -2, C +2 S -2, H +1 C -2 N +1, C +4 O -2 2, C +4 F -1 4 , C +4 O -2 S -2 , C +4 O -2 Cl -1 2 , C +4 Cl -1 4 etc.

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

Exercice	Déterminer les états d'oxydation des éléments acidifiants dans les composés suivants : HNO 2 , H 2 CO 3 , H 4 SiO 4 , HPO 3 .
Solution	Dans ces composés, les éléments acidogènes sont l’azote, le carbone, le silicium et le phosphore. L'état d'oxydation de l'oxygène est (-2) et de l'hydrogène - (+1). Prenons l'état d'oxydation de l'élément acidifiant comme « x » et utilisons l'équation d'électroneutralité pour trouver sa valeur : 1 + x + 2×(-2) = 0 ; L'état d'oxydation de l'azote est (+3). 2×(+1) + x + 3×(-2) = 0 ; L'état d'oxydation du carbone est (+4). 4×(+1) + x + 4×(-2) = 0 ; L'état d'oxydation du silicium est (+4). 1 + x + 3×(-2) = 0 ; L'état d'oxydation du phosphore est (+5).
Répondre	HN +3 O 2 , H 2 C +4 O 3 , H 4 Si +4 O 4 , HP +5 O 3 .

L'invention concerne un procédé de captage du carbone émis dans l'atmosphère sous forme de CO 2 . Le procédé comprend : a) l'étape de concentration du CO 2 dans la phase liquide ; b) une étape d'électroréduction en milieu aprotique en un composé dans lequel le carbone a un état d'oxydation de +3, sous forme d'acide oxalique ou formique ; c) éventuellement, une étape de stripping de l'acide oxalique ou formique en milieu aqueux, réalisée lorsque l'électroréduction est réalisée en milieu non aqueux ; et d) une étape de minéralisation par réaction du composé ci-dessus avec un composé élémentaire M, M étant un élément métallique à l'état d'oxydation +2, ce qui donne un composé stable dans lequel le rapport atomique C/M est d'environ 2/1. Le procédé permet de séquestrer du carbone à faible coût énergétique et convient pour limiter les émissions de gaz à effet de serre résultant de la combustion d'hydrocarbures fossiles dans l'atmosphère. 25 z.p. voler.

L'invention concerne un procédé de séquestration du carbone émis dans l'atmosphère sous forme de CO 2 .

ART ANTÉRIEUR

La réduction électrochimique du CO 2 a été étudiée par de nombreux chercheurs, depuis les tentatives visant à l'utiliser comme vaste source d'approvisionnement en carbone jusqu'aux tentatives visant à l'utiliser comme source d'énergie sous forme de méthane.

Les recherches dans le domaine de l'électroréduction du CO 2 ont débuté au milieu des années 1960. Ils montrent que, d'une part, les modifications du milieu selon qu'il est aprotique ou non, et, d'autre part, les modifications de l'électrode, compte tenu du fait que l'intercalaire de radicaux carbonyle interagit avec la surface, conduisent à la formation de divers composants, parmi lesquels : du monoxyde de carbone, de l'acide formique, du méthane et de l'éthane, des alcools comme le méthanol, l'éthanol et le propanol, ainsi que de l'acide oxalique et même de l'acide glycolique.

Ainsi, les réactions d'électroréduction du CO 2 sur électrodes de cuivre en milieu carbonate de potassium donnent un rendement en méthane d'environ 30 %.

On connaît des études qui ont permis d'identifier des produits obtenus majoritairement dans des milieux plus ou moins aqueux et à l'aide d'électrodes de nature diverse.

Premier cas : le radical CO 2 est adsorbé sur l'électrode

Milieu aqueux (électrode Au, Ag, Cu ou Zn) : du monoxyde de carbone est produit

Deuxième cas : le radical CO 2 n'est pas adsorbé sur l'électrode

Milieu aqueux (électrode Cd, Sn, In, Pb, Tl ou Hg) : de l'acide formique se forme

Milieu non aqueux (électrode Pb, Tl ou Hg) : il se forme de l'acide oxalique

Dans le même esprit, des expériences ont été menées avec du CO 2 en phase gazeuse et de la pérovskite, qui ont conduit principalement à la formation d'alcools.

On connaît également des travaux sur le captage du CO 2 avec des solvants organiques, qui permettent à terme d'obtenir du CO 2 sous forme liquide. Ce CO 2 est ensuite pompé dans les profondeurs océaniques ou de préférence dans des cavités souterraines. Cependant, la fiabilité d'un tel stockage sur des périodes suffisamment longues est incertaine.

DESCRIPTION DE L'INVENTION

Il est proposé un nouveau procédé de séquestration du carbone émis dans l'atmosphère sous forme de CO 2 , qui permet notamment de séquestrer le carbone à faible coût énergétique et est particulièrement adapté pour limiter les émissions de gaz à effet de serre résultant de la combustion d'hydrocarbures fossiles dans l'atmosphère.

Le procédé de séquestration du carbone selon l'invention comprend :

a) l'étape de concentration du CO 2 en phase liquide ;

b) une étape d'électroréduction en milieu aprotique en un composé dans lequel le carbone a un état d'oxydation de +3, sous forme d'acide oxalique ou formique ;

c) si nécessaire, une étape de stripping de l'acide oxalique ou formique dans un milieu aqueux ; Et

d) une étape de minéralisation par réaction avec un composé de l'élément M, conduisant à la formation d'un composé stable dont le rapport atomique C/M est d'environ 2/1.

Ci-dessous une description plus détaillée des étapes successives du procédé selon l'invention.

L'étape de concentration du CO 2 dans la phase liquide (a) peut être mise en œuvre de diverses manières.

La première méthode (i) consiste à liquéfier le CO 2 selon les méthodes classiques de captage, le CO 2 liquide est alors obtenu sous pression, par exemple dans un état supercritique.

Une autre voie (ii) est l'absorption du CO 2 dans un liquide polaire aprotique, non miscible à l'eau ou miscible à l'eau dans des proportions diverses. Un exemple est l'acétonitrile.

Une autre voie (iii) considère l'absorption du CO 2 dans un liquide ionique aprotique (ou « sel fondu ») non miscible à l'eau ou miscible à l'eau dans des proportions diverses. Un liquide ionique approprié approprié est l'hexafluorophosphate de 1-butyl-3-méthylimidazole représenté par la formule +PF6-.

Une autre voie (iv) est l'absorption du CO 2 dans la phase aqueuse contenant de l'alcool et/ou de l'amine.

Une autre méthode (v) consiste à absorber le CO 2 sous forme hydratée, par exemple dans un solvant aqueux activé par voie enzymatique. L'enzyme qui active l'hydratation est principalement l'anhydrase carbonique. Dans ce cas, la solution résultante peut ensuite être recyclée vers le procédé d'absorption en phase aqueuse en présence d'un alcool et/ou d'une amine, comme décrit en (iii) ci-dessus.

Une solution aqueuse obtenue par un procédé d'absorption similaire à ceux décrits en (iv) et (v) ci-dessus peut également être recyclée vers le procédé de liquéfaction (i) décrit ci-dessus.

De plus, les solutions aqueuses telles que celles obtenues par les procédés (iii) ou (iv) décrits ci-dessus peuvent généralement être transférées vers un milieu ionique liquide insoluble dans l'eau par un procédé d'extraction liquide-liquide.

Selon le procédé utilisé pour mettre en œuvre la première étape de concentration en phase liquide selon l'invention, la phase liquide résultante sera constituée de CO 2 liquide ou d'une solution de CO 2 ou d'acide carbonique dans un liquide polaire aprotique non miscible à l'eau ou miscible à l'eau dans en diverses proportions, soit dans un liquide ionique non aqueux (« sel fondu ») plus ou moins miscible à l'eau.

La deuxième étape du procédé selon l'invention consiste en l'électroréduction du CO 2 ou de l'acide carbonique concentré en phase liquide en un composé dont le carbone est au degré d'oxydation +3. La réduction est réalisée dans la phase liquide obtenue à l'étape précédente, à une valeur de pH majoritairement comprise entre 3 et 10, de préférence entre 3 et 7, et l'anode étant maintenue à un potentiel de +0,5 à -3,5 Volts par rapport à un électrode à hydrogène normale. L'anode peut être par exemple en platine, en diamant dopé au bore ou en carbone dopé à l'azote.

Cette électroréduction produit un ion oxalate (sous forme d'acide oxalique ou oxalate) ou un ion formiate (sous forme d'acide formique ou formiate).

L'étape (b) d'électroréduction, si nécessaire, est réalisée dans du CO 2 liquide sous pression.

L'étape (b) d'électroréduction peut également être réalisée dans un stockage souterrain, dans lequel du CO 2 liquide peut être pompé si nécessaire.

La troisième étape (c) du procédé selon l'invention consiste en le stripping de l'acide oxalique (ou oxalate) ou de l'acide formique (ou formiate) par une phase aqueuse. Une telle réextraction est réalisée dans le cas où l'électroréduction a été réalisée en milieu non aqueux. La formation d'acide formique lors de l'électroréduction se produit principalement en phase aqueuse, auquel cas il n'est pas nécessaire de recourir à la réalisation de cette étape de stripping (c) avec une phase aqueuse.

L'étape finale (d) du procédé selon l'invention (étape de minéralisation) consiste essentiellement à exposer un minéral carbonate, tel que du calcaire ou de la magnésite, à une solution aqueuse d'acide oxalique (ou oxalate) ou d'acide formique (ou formiate) obtenue issu de l'étape d'électroréduction (ou bien éventuellement après réextraction). La solution ci-dessus réagit avec un composé de l'élément M pour former un minéral dans lequel le rapport atomique C/M est d'environ 2/1.

La réaction d'un composé oxalate ou formiate avec un minéral carbonate donne une mole de CO 2 par mole de C 2 O 4 .

MSO 3 + (COOH) 2 MS 2 O 4 + CO 2 + H 2 O ou

MSO 3 + 2HCOOH M (HCO 2) 2 + CO 2 + H 2 O

Le CO 2 ainsi libéré, en quantité deux fois moins importante que celle utilisée au départ, peut être réinjecté dans le cycle du procédé selon l'invention dans la première étape.

L'élément M peut être n'importe quel élément métallique à l'état d'oxydation +2. Il s'agit le plus souvent de calcium ou de magnésium. Le composé de l'élément M peut alors être par exemple une roche calcaire ou magnésite. De préférence, l'élément M est le calcium. Le minéral obtenu est de préférence l'oxalate de calcium, tel que la wewellite CaC 2 O 4 H 2 O.

Le procédé selon l'invention (ou seulement sa dernière étape) peut être mis en œuvre aussi bien in situ (in situ) dans une roche calcaire ou magnésite, qu'à l'extérieur de celle-ci (ex situ).

Ainsi, l'étape finale de minéralisation (d) peut être réalisée en mettant en contact avec la roche sédimentaire, par exemple calcaire ou magnésite, une solution d'acide oxalique ou formique, de préférence en la pompant sous terre.

A noter qu'au niveau du bilan énergétique du procédé selon l'invention, l'énergie appliquée pour convertir le carbone +4 en carbone +3 dans la réaction d'électroréduction de la deuxième étape n'est pas perdue - elle est en fait stockée dans l'oxalate ou le formiate de le minéral obtenu. L’acide oxalique ou formique peut être réextrait ultérieurement avec succès pour être utilisé par exemple pour une combustion in situ. Il peut s'agir d'une oxydation, par exemple bactérienne, in situ ou ex situ. Dans ces processus, le carbone passerait à l’état d’oxydation +4.

Le réacteur est rempli de CO 2 liquide sous pression (50 bars à température ambiante) auquel de l'eau est ajoutée progressivement de manière à maintenir un rapport molaire CO 2 /H 2 O d'environ 100 afin d'orienter la réaction vers la synthèse d'acide oxalique. .

L'électrode est en platine, la densité de courant est de 5 mA/cm 2 . Le potentiel de l'électrode est de -3 V par rapport au potentiel du couple Fe/Fe +. La solution est agitée pour limiter les effets de concentration à proximité des électrodes.

Après électroréduction, l’acide oxalique obtenu est pompé dans un réservoir contenant du carbonate de calcium. L'acide oxalique réagit avec le carbonate pour former de l'oxalate de calcium. Une augmentation de la masse de résidu sec et purifié indique la liaison du CO 2 sous forme de minéral.

Le CO 2 liquide a été obtenu par la méthode classique de liquéfaction.

Après avoir ajouté du perchlorate de tétraammonium, il était pompé dans une cavité souterraine contenant des roches calcaires ou magnésites.

L'électroréduction est réalisée directement dans la cavité souterraine à l'aide d'une électrode de platine. La densité de courant est de 5 mA/cm 2 . Le potentiel de l'électrode est de -3 V par rapport au potentiel du couple Fe/Fe +. La solution est agitée pour limiter les effets de concentration à proximité des électrodes.

L'acide oxalique ainsi synthétisé réagit avec les roches calcaires ou magnésites, libérant du CO 2 qui, à son tour, est réduit en un cation divalent qui précipite avec l'oxalate. Les réactions conduisent finalement à la liaison du CO 2 sous forme d'un minéral. Le CO 2 libéré est recyclé vers l'étape de liquéfaction.

Le CO 2 est absorbé par l'eau en présence d'anhydrase carbonique selon US-A-6524843.

Du perchlorate de tétraammonium est ajouté à raison de 0,1 mol/l.

La quantité de CO 2 à électroréduire détermine la quantité d'électricité requise.

Après électroréduction, l'acide formique formé est pompé dans un réservoir contenant du carbonate de calcium. L'acide formique réagit avec le carbonate pour former du formiate de calcium. Une augmentation de la masse de résidu sec et purifié indique la liaison du CO 2 sous forme de minéral.

Le CO 2 est absorbé dans le liquide ionique, le 1-butyl-3-méthylimidazole hexafluorophosphate représenté par la formule + PF6 - .

Du perchlorate de tétraammonium est ajouté à raison de 0,1 mol/l.

L'électrode est en platine et la densité de courant est de 5 mA/cm 2 . Le potentiel de l'électrode est de -3 V par rapport au potentiel du couple Fe/Fe +. La solution est agitée pour limiter les effets de concentration à proximité des électrodes.

La quantité de CO 2 à électroréduire détermine la quantité d'électricité requise.

Un liquide ionique saturé de CO 2 est mis en contact continu avec une solution aqueuse qui en extrait l'oxalate.

La solution aqueuse d'acide oxalique obtenue est pompée dans un réservoir contenant du carbonate de calcium. L'acide oxalique réagit avec le carbonate pour former de l'oxalate de calcium. Une augmentation de la masse de résidu sec et purifié indique la liaison du CO 2 sous forme de minéral.

RÉCLAMER

1. Procédé de captage du dioxyde de carbone émis dans l'atmosphère, caractérisé en ce qu'il comprend :

a) l'étape de concentration du CO 2 en phase liquide ;

b) une étape d'électroréduction dans un environnement aprotique en un composé dans lequel le carbone a un état d'oxydation de +3 comme l'acide oxalique ou formique ;

c) éventuellement, une étape de stripping de l'acide oxalique ou formique en milieu aqueux, réalisée lorsque l'électroréduction est réalisée en milieu non aqueux ; Et

d) une étape de minéralisation par réaction du composé ci-dessus avec un composé élémentaire M, M étant un élément métallique à l'état d'oxydation +2, ce qui donne un minéral dans lequel le rapport atomique C/M est d'environ 2/1.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (a) de concentration en phase liquide consiste à liquéfier le CO 2 , le CO 2 liquide est alors obtenu sous pression, par exemple dans un état supercritique.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (a) de concentration en phase liquide consiste en l'absorption du CO 2 dans un liquide polaire aprotique non miscible à l'eau ou miscible à l'eau en diverses proportions.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (a) de concentration en phase liquide consiste en l'absorption du CO 2 dans un liquide ionique aprotique non miscible à l'eau ou miscible à l'eau en proportions diverses.

5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel ledit liquide ionique aprotique est l'hexafluorophosphate de 1-butyl-3-méthylimidazole.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (a) de concentration en phase liquide consiste en l'absorption du CO 2 dans un milieu aqueux contenant un alcool et/ou une amine.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la solution aqueuse obtenue est recyclée vers le procédé de liquéfaction selon la revendication 2.

8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la solution aqueuse résultante est transférée dans un milieu ionique liquide insoluble dans l'eau par extraction dans un système liquide-liquide.

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (a) de concentration en phase liquide consiste en l'absorption du CO 2 sous forme hydratée, ledit processus de concentration étant activé par voie enzymatique.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la solution aqueuse résultante est transférée dans un milieu ionique liquide insoluble dans l'eau par extraction dans un système liquide-liquide.

11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enzyme activant l'hydratation est l'anhydrase carbonique.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la solution aqueuse obtenue est recyclée vers le procédé d'absorption en milieu aqueux en présence d'alcool et/ou d'amine selon la revendication 6.

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la solution aqueuse obtenue est recyclée vers le procédé de liquéfaction selon la revendication 2.

14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel l'étape (b) d'électroréduction est réalisée à une valeur de pH comprise entre 3 et 10 et avec l'anode maintenue à un potentiel de +0,5 à -3,5 volts par rapport à la normale électrode à hydrogène.

15. Procédé selon la revendication 14 dans lequel le pH est compris entre 3 et 7.

16. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'anode utilisée dans l'étape (b) de l'électroréduction est constituée de platine, de diamant dopé au bore ou de carbone dopé à l'azote.

17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, 15 et 16, dans lequel l'étape d'électroréduction (b) est réalisée dans du CO 2 liquide sous pression.

18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, 15 et 16, dans lequel le composé obtenu à l'étape d'électroréduction (b) est l'acide oxalique ou l'oxalate.

19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'acide oxalique ou l'oxalate obtenu en milieu non aqueux est réextrait avec une phase aqueuse.

20. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, 15 et 16, dans lequel, à la sortie de l'étape (a), du CO 2 liquide est pompé dans un stockage souterrain de CO 2 .

21. Procédé selon la revendication 20 dans lequel l'étape (b) d'électroréduction est réalisée dans un stockage souterrain de CO 2 .

22. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, 15 et 16, dans lequel l'étape finale de minéralisation (d) consiste à exposer le minéral carbonaté à une solution aqueuse d'acide oxalique ou d'acide formique issue de l'étape d'électroréduction.

23. Procédé selon la revendication 22, dans lequel ledit minéral carbonaté est un minéral carbonate, calcaire ou magnésite.

24. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, 15 et 16, dans lequel dans l'étape de minéralisation (d) l'élément M est le calcium et le minéral obtenu est la wewellite CaC 2 O 4 H 2 O.

25. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, 15 et 16, dans lequel l'étape (d) de minéralisation est réalisée en mettant en contact avec la roche sédimentaire, par exemple calcaire ou magnésite, une solution aqueuse d'acide oxalique ou formique obtenu à partir de l’étape d’électroréduction.

26. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, 15 et 16, dans lequel l'étape finale de minéralisation (d) est réalisée par pompage de la solution sous terre.

Le degré d'oxydation des composés organiques est requis pour pouvoir résoudre les tâches USE en chimie, dans lesquelles une chaîne de transformations de substances organiques est donnée, dont certaines sont inconnues. Pour le moment, ce sont les tâches numéro 32.

Il existe deux méthodes pour déterminer le degré d'oxydation des composés organiques. Leur essence est la même, mais l’application de ces méthodes est différente.

La première façon dont j’appellerais la méthode block.

Méthode de bloc

Prenons par exemple une molécule organique, une substance telle que le 2-hydroxypropanal

et isoler les uns des autres tous les fragments de la molécule contenant un atome de carbone comme suit :

La charge totale de chacun de ces blocs est prise égale à zéro, comme pour une molécule distincte. Dans les composés organiques, l'hydrogène a toujours un état d'oxydation de +1 et l'oxygène de -2. Notons le degré d'oxydation de l'atome de carbone dans le premier bloc de la variable x. Ainsi, on peut trouver l'état d'oxydation du premier atome de carbone en résolvant l'équation :

x + 3∙(+1) = 0, où x est l'état d'oxydation de l'atome de carbone, +1 est l'état d'oxydation de l'atome d'hydrogène et 0 est la charge du bloc sélectionné.

x + 3 = 0, donc x = -3.

Ainsi, l’état d’oxydation de l’atome de carbone du premier bloc est -3.

Le deuxième bloc, en plus d'un atome de carbone et de deux atomes d'hydrogène, comprend également un atome d'oxygène qui, comme nous l'avons déjà dit, a presque toujours un état d'oxydation de -2 dans les composés organiques. Comme dans le premier cas, on note x le degré d'oxydation de l'atome de carbone du deuxième bloc, on obtient alors l'équation suivante :

x+2∙(+1)+(-2) = 0, en résolvant ce que nous trouvons que x = 0. Autrement dit, l'état d'oxydation du deuxième atome de carbone de la molécule est nul.

Le troisième bloc est constitué d’un atome de carbone, d’un atome d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Écrivons l'équation de la même manière :

x +1∙(-2)+ 1 = 0, donc x, c'est-à-dire que le degré d'oxydation de l'atome de carbone dans le troisième bloc est +1.

La deuxième méthode d'arrangement des états d'oxydation dans les substances organiques, j'appelle la « méthode de la flèche ».

Méthode de flèche

Pour l'utiliser, vous devez d'abord dessiner une formule développée développée de matière organique :

Les tirets entre les symboles des éléments sont compris comme leurs paires d'électrons communes, qui peuvent être considérées comme réparties de manière égale entre des atomes identiques, et entre des atomes différents - décalées vers l'un des atomes ayant la plus grande électronégativité. Parmi les trois éléments C, H et O, l’oxygène a l’électronégativité la plus élevée, suivi du carbone, et l’hydrogène a l’électronégativité la plus faible. Par conséquent, si nous montrons avec une flèche le mélange des électrons vers des atomes plus électronégatifs, nous obtenons l’image suivante :

Comme vous pouvez le constater, nous n'avons pas dessiné de flèche entre les atomes de carbone, laissant le tiret habituel, car on pense que la paire électronique commune entre deux atomes de carbone n'est pratiquement pas déplacée vers l'un ou l'autre.

Interprétera le dernier chiffre comme suit : chaque atome d'où sort la flèche « perd » un électron, et chaque atome dans lequel entre la flèche « prend » un électron. En même temps, rappelez-vous que la charge d'un électron est négative et égale à -1.

Ainsi, le premier atome de carbone reçoit un électron de trois atomes d'hydrogène (trois flèches entrantes), ce qui lui permet d'acquérir une charge conditionnelle, c'est-à-dire état d'oxydation égal à -3, et chaque atome d'hydrogène - +1 (une flèche sortante).

Le deuxième atome de carbone reçoit un électron de l'atome d'hydrogène « supérieur » (flèche de H à C), et l'atome de carbone « perd » un autre électron, le transférant à l'atome d'oxygène (flèche de C à O). Ainsi, un électron « entre » dans l’atome de carbone et un autre « en sort ». Par conséquent, l’état d’oxydation du deuxième atome de carbone est 0, comme dans un seul atome.

Deux flèches sont dirigées vers l'atome d'oxygène, ce qui signifie qu'il a un état d'oxydation de -2, et une flèche provient de tous les atomes d'hydrogène. Autrement dit, l’état d’oxydation de tous les atomes d’hydrogène est +1.

Une flèche de H entre dans le dernier atome de carbone et deux flèches vont vers O, donc un électron « entre » et deux « sortent ». L'état d'oxydation est donc +1.

Il convient de noter qu'en fait les deux méthodes décrites sont très conditionnelles, car, en fait, la notion même d'« état d'oxydation » est conditionnelle dans le cas des substances organiques. Néanmoins, dans le cadre du programme scolaire, ces méthodes sont tout à fait valables et, surtout, permettent de les utiliser lors de l'agencement des coefficients dans les réactions de l'OVR avec des substances organiques. Personnellement, j'aime davantage la méthode des flèches. Je vous conseille d'apprendre les deux méthodes : avec l'une d'elles vous pouvez déterminer le degré d'oxydation, et avec la seconde vous pouvez vérifier l'exactitude des valeurs obtenues.

Le degré d'oxydation est une valeur conditionnelle utilisée pour enregistrer les réactions redox. Pour déterminer le degré d'oxydation, un tableau d'oxydation des éléments chimiques est utilisé.

Signification

L’état d’oxydation des éléments chimiques de base repose sur leur électronégativité. La valeur est égale au nombre d'électrons déplacés dans les composés.

L'état d'oxydation est considéré comme positif si les électrons sont déplacés de l'atome, c'est-à-dire l'élément donne des électrons dans le composé et est un agent réducteur. Ces éléments comprennent des métaux, leur état d'oxydation est toujours positif.

Lorsqu’un électron est déplacé vers un atome, la valeur est considérée comme négative et l’élément est considéré comme un agent oxydant. L'atome accepte les électrons jusqu'à la fin du niveau d'énergie externe. La plupart des non-métaux sont des agents oxydants.

Les substances simples qui ne réagissent pas ont toujours un état d'oxydation nul.

Riz. 1. Tableau des états d'oxydation.

Dans le composé, un atome non métallique avec une électronégativité inférieure a un état d'oxydation positif.

Définition

Vous pouvez déterminer l’état d’oxydation maximum et minimum (combien d’électrons un atome peut donner et prendre) à l’aide du tableau périodique de Mendeleïev.

La puissance maximale est égale au numéro du groupe dans lequel se trouve l'élément, ou au nombre d'électrons de valence. La valeur minimale est déterminée par la formule :

N° (groupes) - 8.

Riz. 2. Tableau périodique.

Le carbone appartient au quatrième groupe, par conséquent, son état d'oxydation le plus élevé est +4 et le plus bas est -4. L'état d'oxydation maximum du soufre est de +6, le minimum est de -2. La plupart des non-métaux ont toujours un état d’oxydation variable – positif et négatif. L'exception est le fluor. Son état d'oxydation est toujours -1.

Il convient de rappeler que cette règle ne s'applique pas respectivement aux métaux alcalins et alcalino-terreux des groupes I et II. Ces métaux ont un état d'oxydation positif constant - lithium Li +1, sodium Na +1, potassium K +1, béryllium Be +2, magnésium Mg +2, calcium Ca +2, strontium Sr +2, baryum Ba +2. D'autres métaux peuvent présenter différents états d'oxydation. L'exception est l'aluminium. Bien qu'il fasse partie du groupe III, son état d'oxydation est toujours +3.

Riz. 3. Métaux alcalins et alcalino-terreux.

Du groupe VIII, seuls le ruthénium et l'osmium peuvent présenter le degré d'oxydation le plus élevé +8. L'or et le cuivre, qui appartiennent au groupe I, présentent respectivement des états d'oxydation de +3 et +2.

Enregistrement

Pour enregistrer correctement l'état d'oxydation, vous devez vous rappeler quelques règles :

• les gaz inertes ne réagissent pas, leur état d'oxydation est donc toujours nul ;
• dans les composés, l'état d'oxydation variable dépend de la valence variable et de l'interaction avec d'autres éléments ;
• l'hydrogène dans les composés avec des métaux présente un état d'oxydation négatif - Ca +2 H 2 -1, Na +1 H -1 ;
• l'oxygène a toujours un état d'oxydation de -2, à l'exception du fluorure d'oxygène et du peroxyde - O +2 F 2 -1, H 2 +1 O 2 -1.

Qu'avons-nous appris ?

L'état d'oxydation est une valeur conditionnelle indiquant combien d'électrons un atome d'un élément a reçu ou cédé dans un composé. La valeur dépend du nombre d'électrons de valence. Les métaux contenus dans les composés ont toujours un état d'oxydation positif, c'est-à-dire sont des restaurateurs. Pour les métaux alcalins et alcalino-terreux, l’état d’oxydation est toujours le même. Les non-métaux, à l'exception du fluor, peuvent prendre des états d'oxydation positifs et négatifs.

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Évaluation du rapport

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Dans la plupart des composés inorganiques, le carbone présente les états d'oxydation -4, +4, +2.

Dans la nature, la teneur en carbone est de 0,15 % (fractions molaires) et entre principalement dans la composition de minéraux carbonatés (principalement calcaire Et marbre CaCO3, magnésite MgCO3, dolomie MgCO 3 ∙CaCO 3, sidérite FeCO3), houille, huile, gaz naturel, et aussi sous la forme graphite et moins souvent diamant. Le carbone est le principal constituant des organismes vivants.

substances simples. Les substances simples de l'élément carbone ont une structure polymère et, conformément aux états hybrides caractéristiques des orbitales, les atomes de carbone peuvent se combiner en formations polymères de coordination ( épisode 3), en couches (sp2) et linéaire ( sp) structures, qui correspondent aux types de substances simples : diamant(β-C), graphite(α-C) et carabine(S2) n. En 1990, la quatrième modification du carbone a été obtenue - fullerène C60 et C70.

diamant- une substance cristalline incolore avec un réseau cubique, dans laquelle chaque atome de carbone est relié par des liaisons σ à quatre atomes voisins - cela provoque une dureté exceptionnelle et l'absence de conductivité électronique dans des conditions normales.

Carabine– poudre noire avec un réseau hexagonal construit à partir de liaisons σ et π rectilignes : –С≡С–С≡С–С≡ ( polyyne) ou =C=C=C=C=C= ( polycumulène).

Graphite– forme stable d’existence de l’élément carbone ; gris-noir, à reflet métallique, gras au toucher, doux non métallique, conducteur. A températures normales, il est très inerte. A haute température, il interagit directement avec de nombreux métaux et non-métaux (hydrogène, oxygène, fluor, soufre). Agent réducteur typique ; réagit avec la vapeur d'eau, les acides nitrique et sulfurique concentrés, les oxydes métalliques. A l'état « amorphe » (charbon, coke, suie) il brûle facilement à l'air.

C + H 2 O (vapeur, 800-1000°C) = CO + H 2

C + 2H 2 SO 4 (conc.) = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

C + 4HNO 3 (conc.) = CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2 (600°C, cat. Pt) = CH 4

C + O 2 (600-700°C) = CO 2

2C + O 2 (au-dessus de 1000°C) = 2CO

2C + Ca (550°C) = CaC 2

C + 2PbO (600°C) = 2Pb + CO 2

C + 2F 2 (au-dessus de 900°C) = CF 4

En raison de l'énergie d'activation très élevée, les transformations des modifications carbonées ne sont possibles que dans des conditions particulières. Par exemple, le diamant se transforme en graphite lorsqu’il est chauffé à 1 000-1 500°C (sans air). La transition du graphite au diamant nécessite une pression très élevée (6∙10 9 -10∙10 10 Pa) ; maîtrisé la méthode de production de diamant à basse pression.

C(diamant) = C(graphite) (au-dessus de 1200°C)

(C2) n(carabine) = 2 nС(graphite) (2300°С)

Réception et demande. Le graphite est utilisé pour fabriquer des électrodes, des creusets de fusion, le revêtement des fours électriques et des bains d'électrolyse industrielle, etc. Il est utilisé dans les réacteurs nucléaires comme modérateur de neutrons. Le graphite est également utilisé comme lubrifiant, etc. La dureté exceptionnelle du diamant détermine son utilisation généralisée pour le traitement de matériaux particulièrement durs, lors du perçage, pour le tréfilage du fil, etc. Les cristaux de diamant les plus parfaits sont utilisés après taille et polissage pour la fabrication de bijoux (diamants).

En raison de la grande capacité d'adsorption du charbon de bois et du charbon animal (coke, charbon de bois, charbon d'os, suie), ils sont utilisés pour purifier les substances des impuretés. Le coke, obtenu par traitement à sec du charbon, est principalement utilisé en métallurgie dans la fusion des métaux. La suie est utilisée dans la production de caoutchouc noir, pour la fabrication de peintures, d'encres, etc.

Le dioxyde de carbone CO 2 est utilisé dans la production de soude, pour l'extinction des incendies, pour la préparation d'eau minérale, comme milieu inerte pour diverses synthèses.

Composés avec un état d'oxydation négatif. Avec des éléments moins électronégatifs que lui, le carbone donne carbures. Puisqu'il est courant que le carbone forme des homochaînes, la composition de la plupart des carbures ne correspond pas à l'état d'oxydation du carbone –4. Selon le type de liaison chimique, on peut distinguer les carbures covalents, ioniques-covalents et métalliques.

Les carbures de silicium covalents SiC et le bore B 4 C sont des substances polymères caractérisées par une dureté, un caractère réfractaire et une inertie chimique très élevés.

Le carbure covalent le plus simple est méthane Le CH 4 est un gaz chimiquement très inerte ; il n'est pas affecté par les acides et les alcalis, mais il s'enflamme facilement et ses mélanges avec l'air sont extrêmement explosifs. Le méthane est le principal composant du gaz naturel (60 à 90 %) des mines et des marais. Les gaz riches en méthane sont utilisés comme carburant et matière première pour la production chimique.

Le carbone forme diverses percarbures, par exemple, certains des hydrocarbures les plus simples - éthane C2H6, éthylène C2H4, acétylène C2H2.

Les carbures ioniques-covalents sont des substances cristallines ressemblant à des sels. Sous l'action de l'eau ou d'un acide dilué, ils sont détruits avec dégagement d'hydrocarbures. Les carbures de ce type peuvent donc être considérés comme des dérivés des hydrocarbures correspondants. Dérivés du méthane - méthanides, par exemple les carbures Be 2 C et AlC 3 . Ils se décomposent avec l'eau, libérant du méthane :

AlC 3 + 12H 2 O \u003d 4Al (OH) 3 + 3CH 4

Parmi les percarbures salins, les plus étudiés sont acétylures tapez M 2 +1 C 2 , M +2 C 2 et M 2 +3 (C 2) 3 . Le plus important acétylure de calcium CaC 2 (appelé carbure) obtenu en chauffant du CaO avec du charbon dans des fours électriques :

CaO + 3C = CaC 2 + CO

Les acétylures sont plus ou moins facilement décomposés par l'eau pour former de l'acétylène :

CaC 2 + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + C 2 H 2

Cette réaction est utilisée en ingénierie pour produire de l’acétylène.

Les métaux sont des carbures d-éléments des groupes IV-VIII. Les carbures de composition moyenne les plus courants sont MC (TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC), M 2 C (Mo 2 C, W 2 C), M 3 C (Mn 3 C, Fe 3 C, Co 3 C) . Les carbures métalliques font partie des fontes et des aciers, leur conférant dureté, résistance à l'usure et d'autres qualités précieuses. À base de carbures de tungstène, de titane et de tantale, des alliages ultradurs et réfractaires sont produits, qui sont utilisés pour le traitement des métaux à grande vitesse.

Composés de carbone (IV). L'état d'oxydation du carbone +4 se manifeste dans ses composés avec des non-métaux plus électronégatifs que lui : СНal 4, СОНal 2, CO 2, COS, CS 2 et complexes anioniques CO 3 2–, COS 2 2–, CS 3 2–.

De par leur nature chimique, ces composés de carbone (IV) sont acides. Certains d'entre eux interagissent avec l'eau, formant des acides :

CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3

COCl 2 + 3H 2 O = H 2 CO 3 + 2HCl

et avec des composés basiques, formant des sels :

2KOH + CO 2 = K 2 CO 3 + H 2 O

Parmi les tétrahalogénures CHal 4, le plus utilisé tétrachlorure de carbone méthane CCl 4 comme solvant ininflammable pour les substances organiques, ainsi que liquide pour extincteurs. Il est obtenu par chloration du sulfure de carbone en présence d'un catalyseur :

CS 2 + Cl 2 \u003d CCl 4 + S 2 Cl 2

Fluorure-chlorure de carbone mixte CCl 2 F 2 - fréon(t point d'ébullition -30°C) est utilisé comme réfrigérant dans les machines et installations frigorifiques. Pas toxique. Lorsqu’il est rejeté dans l’atmosphère, il détruit la couche d’ozone.

Disulfure de carbone ou le disulfure de carbone Le CS 2 (toxique) est obtenu par l'interaction de vapeurs de soufre avec du charbon chaud : C + 2S = CS 2

Le sulfure de carbone s'oxyde facilement, avec un léger chauffage il s'enflamme dans l'air : СS 2 + 3O 2 = CO 2 + 2SO 2

Tous les oxodihalogénures (halogénures de carbonyle) COHal 2 sont beaucoup plus réactifs que les tétrahalogénures ; en particulier, ils sont facilement hydrolysables :

COCl 2 + H 2 O = CO 2 + 2HCl

COCl2 ( phosgène, chlorure de carbonyle) – gaz extrêmement toxique. Il est largement utilisé en synthèse organique.

Dioxyde de carbone CO 2 ( gaz carbonique) en technologie, il est généralement obtenu par décomposition thermique de CaCO 3, et en laboratoire - par l'action de CaCO 3 avec de l'acide chlorhydrique.

CaCO 3 = CaO + CO 2 CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2

Le dioxyde de carbone est facilement absorbé par les solutions alcalines et le carbonate, et avec un excès de CO 2 - bicarbonate:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O

CaCO 3 ↓ + CO 2 = Ca(HCO 3) 2

Les bicarbonates, contrairement aux carbonates, sont pour la plupart solubles dans l'eau.

La solubilité du CO 2 dans l'eau est faible, une partie du dioxyde de carbone dissous interagit avec l'eau pour former un milieu instable acide carbonique H 2 CO 3 (trioxocarbonate d'hydrogène).

Les sulfidocarbonates (IV) (thiocarbonates) ressemblent aux trioxocarbonates (IV) à bien des égards. Ils peuvent être obtenus en faisant réagir du sulfure de carbone avec des sulfures basiques, par exemple :

K 2 S + CS 2 = K 2 [CS 3]

Solution aqueuse de H 2 CS 3 - faible acide thiocarbonique. Progressivement décomposé par l'eau, formant de l'acide carbonique et du sulfure d'hydrogène :

H 2 CS 3 + 3H 2 O = H 2 CO 3 + 3H 2 S

Depuis nitridocarbonates important cyanamide calcique CaCN 2 obtenu par oxydation du carbure de calcium CaC 2 avec de l'azote lorsqu'il est chauffé :

CaC 2 + N 2 = CaCN 2 + C

Parmi les oxonitridocarbonates d’hydrogène, le plus important est urée(urée) CO (NH 2) 2 obtenu par action du CO 2 sur une solution aqueuse d'ammoniaque à 130°C et 1 ∙ 10 7 Pa :

CO 2 + 2N 3 H = CO (NH 2) 2 + H 2 O

L'urée est utilisée comme engrais et pour l'alimentation du bétail, comme produit initial pour la production de plastiques, de produits pharmaceutiques (véronal, luminal, etc.), etc.

Sulfonitridocarbonate d'hydrogène (IV) ou thiocyanate d'hydrogène HSCN en solution aqueuse forme un fort (comme HCl) acide thiocyanique. Les thiocyanites sont principalement utilisées dans la teinture des tissus ; NH 4 SCN est utilisé comme réactif pour les ions Fe 3+.

Composés de carbone (II). Les dérivés du carbone (II) sont CO, CS, HCN.

Monoxyde de carbone (II) CO ( monoxyde de carbone) se forme lors de la combustion du carbone ou de ses composés en cas de manque d'oxygène, ainsi qu'à la suite de l'interaction du monoxyde de carbone (IV) avec le charbon chaud.

CO2 + C ↔ 2CO

Il existe une triple liaison dans la molécule CO, comme dans N 2 et l'ion cyanure CN -. Dans des conditions normales, le monoxyde de carbone (II) est chimiquement très inerte. Lorsqu'il est chauffé, il présente des propriétés réductrices largement utilisées en pyrométallurgie.

Lorsqu'il est chauffé, le CO s'oxyde avec le soufre, lorsqu'il est irradié ou en présence d'un catalyseur, il interagit avec le chlore, etc.

CO + S = COS (oxosulfure de carbone IV) ;

CO + Cl 2 = COCl 2 (oxychlorure de carbone IV)

Cyanure d'hydrogène HCN a une structure linéaire H – C≡N ; il existe aussi sa forme tautomère ( isocyanure d'hydrogène) H–N≡C. Une solution aqueuse de cyanure d'hydrogène est un acide très faible appelé cyanhydrique ou hydrocyanique.

Le HCN est le poison inorganique le plus puissant.

Les cyanures présentent des propriétés réductrices. Ainsi, lorsque leurs solutions sont chauffées, elles sont progressivement oxydées par l'oxygène de l'air, formant des cyanates :

2KCN + O2 = 2KOCN

et lorsque les solutions de cyanure sont bouillies avec du soufre, des thiocyanates se forment (la production de thiocyanates est basée sur ceci) :

2KCN + S = 2KSCN

Le cyanure d'hydrogène est utilisé en synthèse organique, NaCN et KCN - dans l'extraction de l'or, pour obtenir des cyanures complexes, etc.

Lorsque les cyanures de métaux peu actifs sont chauffés, dicien(CN) 2 est un gaz toxique hautement réactif.