DEFINIZIONE
Carbonioè il sesto elemento della tavola periodica. Si trova nel secondo periodo del IV gruppo A sottogruppo. Designazione - C.
Allo stato libero il carbonio è noto come diamante, che cristallizza nei sistemi cubico ed esagonale (lonsdaleite), e grafite, che appartiene al sistema esagonale. Forme di carbonio come carbone, coke o fuliggine hanno una struttura disordinata. Esistono anche modifiche allotropiche ottenute sinteticamente - si tratta di carbyne e policumulene - varietà di carbonio costruite da polimeri a catena lineare del tipo ...-C≡ C-C≡C-... o .. = C = C = C = C = . ...
Sono note anche modifiche allotropiche del carbonio, che hanno i seguenti nomi: grafene, fullerene, nanotubi, nanofibre, astralene, carbonio vetroso, nanotubi colossali; carbonio amorfo, nanobud di carbonio e nanoschiuma di carbonio.
In natura, il carbonio esiste sotto forma di due isotopi stabili 12 C (98,892%) e 13 C (1,108%).
Lo stato di ossidazione del carbonio nei composti
Il carbonio esiste sotto forma di diverse sostanze semplici: modifiche allotropiche (vedi sopra), in cui si trova il suo stato di ossidazione zero.
Con elementi meno elettronegativi di se stesso, il carbonio dà carburi. Poiché è tipico che il carbonio formi catene omocate, la composizione della maggior parte dei carburi non corrisponde allo stato di ossidazione del carbonio (-4): Si +4 C -4, B 4 C -4, CaC -4 2, Al 4 C -43. Il metano C -4 H 4 può essere considerato il carburo più semplice.
Il carbonio mostra stati di ossidazione (+2) E (+4) , nei composti con elementi non metallici più elettronegativi di sé, ad esempio 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 ecc.
Esempi di risoluzione dei problemi
ESEMPIO 1
| Esercizio | Determinare gli stati di ossidazione degli elementi che formano acido nei seguenti composti: HNO 2 , H 2 CO 3 , H 4 SiO 4 , HPO 3 . |
| Soluzione | In questi composti gli elementi che formano acidi sono azoto, carbonio, silicio e fosforo. Lo stato di ossidazione dell'ossigeno è (-2) e dell'idrogeno - (+1). Prendiamo lo stato di ossidazione dell'elemento acido come “x” e utilizziamo l'equazione di elettroneutralità per trovare il suo valore: 1+x+2×(-2) = 0; Lo stato di ossidazione dell'azoto è (+3). 2×(+1) + x + 3×(-2) = 0; Lo stato di ossidazione del carbonio è (+4). 4×(+1) + x + 4×(-2) = 0; Lo stato di ossidazione del silicio è (+4). 1+x+3×(-2) = 0; Lo stato di ossidazione del fosforo è (+5). |
| Risposta | HN +3 O 2 , H 2 C +4 O 3 , H 4 Si +4 O 4 , HP +5 O 3 . |
L'invenzione riguarda un metodo per la cattura del carbonio emesso nell'atmosfera sotto forma di CO 2 . Il metodo comprende: a) la fase di concentrazione della CO 2 nella fase liquida; b) uno stadio di elettroriduzione in ambiente aprotico ad un composto in cui il carbonio ha uno stato di ossidazione +3, sotto forma di acido ossalico o formico; c) facoltativamente, una fase di stripping dell'acido ossalico o formico in un mezzo acquoso, effettuata quando l'elettroriduzione viene effettuata in un mezzo non acquoso; e d) una fase di mineralizzazione facendo reagire il composto di cui sopra con un composto elementare M, dove M è un elemento metallico nello stato di ossidazione +2, ottenendo un composto stabile in cui il rapporto atomico C/M è circa 2/1. Il metodo consente di sequestrare il carbonio a basso costo energetico ed è adatto a limitare l'emissione di gas serra derivanti dalla combustione di idrocarburi fossili nell'atmosfera. 25 zp volare.
L'invenzione riguarda un metodo per sequestrare il carbonio emesso nell'atmosfera sotto forma di CO 2 .
ARTE PREESISTENTE
La riduzione elettrochimica della CO 2 è stata studiata da numerosi ricercatori, dai tentativi di utilizzarla come vasta fonte di approvvigionamento di carbonio ai tentativi di utilizzarla come fonte di energia sotto forma di metano.
La ricerca nel campo dell'elettroriduzione della CO 2 è iniziata a metà degli anni '60. Essi mostrano che, da un lato, i cambiamenti nel mezzo a seconda che sia aprotico o meno, e, dall’altro, i cambiamenti nell’elettrodo, tenendo conto che lo strato intermedio di radicali carbonilici interagisce con la superficie, portano a la formazione di vari componenti, tra cui: monossido di carbonio, acido formico, metano ed etano, alcoli come metanolo, etanolo e propanolo, nonché acido ossalico e perfino acido glicolico.
Pertanto, le reazioni di elettroriduzione della CO 2 su elettrodi di rame in un mezzo di carbonato di potassio danno una resa in metano di circa il 30%.
Sono noti studi che hanno consentito di individuare prodotti ottenuti prevalentemente in mezzi più o meno contenenti acqua e utilizzando elettrodi di varia natura.
Primo caso: il radicale CO 2 viene adsorbito sull'elettrodo
Ambiente acquoso (elettrodo Au, Ag, Cu o Zn): viene prodotto monossido di carbonio
Secondo caso: il radicale CO 2 non viene adsorbito sull'elettrodo
Ambiente acquoso (elettrodo Cd, Sn, In, Pb, Tl o Hg): si forma acido formico
Mezzo non acquoso (elettrodo Pb, Tl o Hg): si forma acido ossalico
Allo stesso modo, sono stati condotti esperimenti utilizzando CO 2 in fase gassosa e perovskite, che hanno portato principalmente alla formazione di alcoli.
Sono noti anche lavori di cattura della CO 2 con solventi organici, che consentono eventualmente di ottenere CO 2 in forma liquida. Questa CO 2 viene poi pompata nelle profondità dell'oceano o preferibilmente in cavità sotterranee. Tuttavia, l’affidabilità di tale conservazione per periodi sufficientemente lunghi è incerta.
DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE
Viene proposto un nuovo metodo per sequestrare il carbonio emesso nell'atmosfera come CO 2 , che consente, in particolare, di sequestrare carbonio con bassi costi energetici ed è particolarmente adatto a limitare l'emissione di gas serra derivanti dalla combustione di idrocarburi fossili in l'atmosfera.
Il metodo di sequestro del carbonio secondo l'invenzione comprende:
a) lo stadio di concentrazione della CO 2 nella fase liquida;
b) uno stadio di elettroriduzione in ambiente aprotico ad un composto in cui il carbonio ha uno stato di ossidazione +3, sotto forma di acido ossalico o formico;
c) se necessario, una fase di strippaggio dell'acido ossalico o formico in un mezzo acquoso; E
d) una fase di mineralizzazione per reazione con un composto dell'elemento M, che porta alla formazione di un composto stabile in cui il rapporto atomico C/M è circa 2/1.
Di seguito si descrivono in modo più dettagliato le fasi successive del procedimento secondo l'invenzione.
La fase di concentrazione della CO 2 nella fase liquida (a) può essere realizzata in vari modi.
Il primo metodo (i) consiste nel liquefare la CO 2 secondo i classici metodi di cattura, si ottiene poi la CO 2 liquida sotto pressione, ad esempio in uno stato supercritico.
Un'altra modalità (ii) è l'assorbimento della CO 2 in un liquido aprotico polare, non miscibile con acqua o miscibile con acqua in varie proporzioni. Un esempio è l'acetonitrile.
Un'altra strada (iii) considera l'assorbimento della CO 2 in un liquido ionico aprotico (o "sale fuso") immiscibile con acqua o miscibile con acqua in varie proporzioni. Un liquido ionico adatto adatto è l'1-butil-3-metilimidazolo esafluorofosfato rappresentato dalla formula +PF6 - .
Un'altra modalità (iv) è l'assorbimento della CO 2 nella fase acquosa contenente alcool e/o ammina.
Un altro metodo (v) consiste nell'assorbire la CO 2 in forma idrata, ad esempio in un solvente acquoso attivato enzimaticamente. L'enzima che attiva l'idratazione è principalmente l'anidrasi carbonica. In questo caso, la soluzione risultante può quindi essere riciclata al metodo di assorbimento in fase acquosa in presenza di un alcol e/o un'ammina, come descritto in (iii) sopra.
Una soluzione acquosa ottenuta mediante un metodo di assorbimento simile a quelli descritti in (iv) e (v) sopra può anche essere riciclata al metodo di liquefazione (i) sopra descritto.
Inoltre, le soluzioni acquose, come quelle ottenute con i metodi (iii) o (iv) descritti sopra, possono solitamente essere trasferite in un mezzo ionico liquido insolubile in acqua mediante un metodo di estrazione liquido-liquido.
Secondo il metodo utilizzato per implementare la prima fase di concentrazione della fase liquida secondo l'invenzione, la fase liquida risultante sarà costituita da CO 2 liquida o da una soluzione di CO 2 o acido carbonico in un liquido aprotico polare immiscibile con acqua o miscibile con acqua in proporzioni varie, oppure in un liquido ionico non acquoso ("sale fuso") più o meno miscibile con acqua.
La seconda fase del metodo secondo l'invenzione consiste nell'elettroriduzione della CO 2 o dell'acido carbonico concentrato nella fase liquida (+4 stato di ossidazione) ad un composto in cui il carbonio è nello stato di ossidazione +3. La riduzione viene effettuata nella fase liquida ottenuta nella fase precedente, ad un valore di pH prevalentemente compreso tra 3 e 10, preferibilmente tra 3 e 7, e con l'anodo mantenuto ad un potenziale compreso tra +0,5 e -3,5 volt rispetto a normale elettrodo a idrogeno. L'anodo può essere ad esempio platino, diamante drogato con boro o carbonio drogato con azoto.
Questa elettroriduzione produce uno ione ossalato (come acido ossalico o ossalato) o uno ione formiato (come acido formico o formiato).
Lo stadio (b) dell'elettroriduzione, se necessario, viene effettuato in CO 2 liquida sotto pressione.
La fase (b) dell'elettroriduzione può essere effettuata anche in un deposito sotterraneo, nel quale, se necessario, può essere pompata CO2 liquida.
La terza fase (c) del metodo secondo l'invenzione consiste nello stripping dell'acido ossalico (o ossalato) o dell'acido formico (o formiato) con una fase acquosa. Tale riestrazione viene effettuata nel caso in cui l'elettroriduzione sia stata effettuata in un mezzo non acquoso. La formazione di acido formico durante l'elettroriduzione avviene principalmente in fase acquosa, nel qual caso non è necessario ricorrere all'esecuzione di questa fase di stripping (c) con una fase acquosa.
La fase finale (d) del metodo secondo l'invenzione (fase di mineralizzazione) consiste essenzialmente nell'esporre un minerale carbonatico, come calcare o magnesite, ad una soluzione acquosa di acido ossalico (o ossalato) o acido formico (o formiato) ottenuta dalla fase di elettroriduzione (o in alternativa eventualmente dopo la riestrazione). La soluzione di cui sopra reagisce con un composto dell'elemento M per formare un minerale in cui il rapporto atomico C/M è circa 2/1.
La reazione di un composto di ossalato o formiato con un minerale carbonato produce una mole di CO 2 per mole di C 2 O 4 .
MSO 3 + (COOH) 2 MS 2 O 4 + CO 2 + H 2 O o
MSO3 + 2HCOOH M (HCO2)2 + CO2 + H2O
La CO 2 così liberata, in una quantità pari alla metà di quella utilizzata inizialmente, può essere reimmessa nel ciclo del procedimento secondo l'invenzione nella prima fase.
L'elemento M può essere qualsiasi elemento metallico nello stato di ossidazione +2. Molto spesso è calcio o magnesio. Il composto dell'elemento M può quindi essere, ad esempio, roccia calcarea o magnesite. Preferibilmente l'elemento M è calcio. Il minerale risultante è preferibilmente ossalato di calcio, come wewellite CaC 2 O 4 H 2 O.
Il metodo secondo l'invenzione (o solo la sua ultima fase) può essere implementato sia in situ (in situ) in roccia calcarea o magnesite, sia all'esterno di essa (ex situ).
Pertanto, la fase finale di mineralizzazione (d) può essere effettuata portando a contatto con la roccia sedimentaria, ad esempio calcarea o magnesite, una soluzione di acido ossalico o formico, preferibilmente pompandola nel sottosuolo.
Si noti che in termini di bilancio energetico del processo secondo l'invenzione, l'energia applicata per convertire il carbonio +4 in carbonio +3 nella reazione di elettroriduzione nella seconda fase non viene persa, ma viene effettivamente immagazzinata nell'ossalato o formiato di il minerale risultante. L'acido ossalico o formico può essere riestratto con successo in seguito per essere utilizzato, ad esempio, per la combustione in situ. Può trattarsi di ossidazione, ad esempio batterica, in situ o ex situ. In questi processi, il carbonio entrerebbe nello stato di ossidazione +4.
Il reattore viene riempito con CO 2 liquida pressurizzata (50 bar a temperatura ambiente) alla quale viene gradualmente aggiunta acqua in modo da mantenere un rapporto molare CO 2 /H 2 O pari a circa 100 in modo da orientare la reazione verso la sintesi dell'acido ossalico .
L'elettrodo è in platino, la densità di corrente è di 5 mA/cm 2 . Il potenziale dell'elettrodo è -3 V rispetto al potenziale della coppia Fe/Fe+. La soluzione viene agitata per limitare gli effetti di concentrazione vicino agli elettrodi.
Dopo l'elettroriduzione, l'acido ossalico risultante viene pompato in un serbatoio contenente carbonato di calcio. L'acido ossalico reagisce con il carbonato per formare ossalato di calcio. Un aumento della massa del residuo secco e purificato indica il legame della CO 2 sotto forma di minerale.
La CO2 liquida è stata ottenuta mediante il metodo classico di liquefazione.
Dopo l'aggiunta di perclorato di tetraammonio, questo veniva pompato in una cavità sotterranea contenente rocce calcaree o magnesite.
L'elettroriduzione viene effettuata direttamente nella cavità sotterranea utilizzando un elettrodo di platino. La densità di corrente è 5 mA/cm 2 . Il potenziale dell'elettrodo è -3 V rispetto al potenziale della coppia Fe/Fe+. La soluzione viene agitata per limitare gli effetti di concentrazione vicino agli elettrodi.
L'acido ossalico così sintetizzato reagisce con le rocce calcaree o magnesite liberando CO 2 , che a sua volta viene ridotta a catione bivalente, che precipita insieme all'ossalato. Le reazioni portano infine al legame della CO 2 sotto forma di minerale. La CO 2 rilasciata viene riciclata alla fase di liquefazione.
La CO 2 viene assorbita dall'acqua in presenza di anidrasi carbonica secondo US-A-6524843.
Il perclorato di tetraammonio viene aggiunto in una quantità di 0,1 mol/l.
La quantità di CO 2 da elettroridurre determina la quantità di elettricità necessaria.
Dopo l'elettroriduzione, l'acido formico formatosi viene pompato in un serbatoio contenente carbonato di calcio. L'acido formico reagisce con il carbonato per formare formiato di calcio. Un aumento della massa del residuo secco e purificato indica il legame della CO 2 sotto forma di minerale.
La CO 2 viene assorbita nel liquido ionico, 1-butil-3-metilimidazolo esafluorofosfato rappresentato dalla formula + PF6 - .
Il perclorato di tetraammonio viene aggiunto in una quantità di 0,1 mol/l.
L'elettrodo è in platino e la densità di corrente è di 5 mA/cm 2 . Il potenziale dell'elettrodo è -3 V rispetto al potenziale della coppia Fe/Fe+. La soluzione viene agitata per limitare gli effetti di concentrazione vicino agli elettrodi.
La quantità di CO 2 da elettroridurre determina la quantità di elettricità necessaria.
Un liquido ionico saturo di CO 2 viene portato in continuo contatto con una soluzione acquosa che ne estrae l'ossalato.
La soluzione acquosa risultante di acido ossalico viene pompata in un serbatoio contenente carbonato di calcio. L'acido ossalico reagisce con il carbonato per formare ossalato di calcio. Un aumento della massa del residuo secco e purificato indica il legame della CO 2 sotto forma di minerale.
RECLAMO
1. Metodo per la cattura dell'anidride carbonica emessa nell'atmosfera, caratterizzato dal fatto di comprendere:
a) lo stadio di concentrazione della CO 2 nella fase liquida;
b) una fase di elettroriduzione in ambiente aprotico ad un composto in cui il carbonio ha uno stato di ossidazione +3 come acido ossalico o formico;
c) facoltativamente, una fase di stripping dell'acido ossalico o formico in un mezzo acquoso, effettuata quando l'elettroriduzione viene effettuata in un mezzo non acquoso; E
d) una fase di mineralizzazione facendo reagire il composto di cui sopra con un composto di elementi M, dove M è un elemento metallico nello stato di ossidazione +2, ottenendo un minerale in cui il rapporto atomico C/M è circa 2/1.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la fase (a) di concentrazione in fase liquida consiste nel liquefare la CO 2 , si ottiene quindi la CO 2 liquida sotto pressione, ad esempio in uno stato supercritico.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la fase (a) di concentrazione in fase liquida consiste nell'assorbimento di CO 2 in un liquido polare aprotico immiscibile con acqua o miscibile con acqua in varie proporzioni.
4. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la fase (a) di concentrazione in fase liquida consiste nell'assorbimento di CO 2 in un liquido ionico aprotico immiscibile con acqua o miscibile con acqua in varie proporzioni.
5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui detto liquido ionico aprotico è 1-butil-3-metilimidazolo esafluorofosfato.
6. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la fase (a) di concentrazione in fase liquida consiste nell'assorbimento di CO 2 in un mezzo acquoso contenente un alcol e/o un'ammina.
7. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la soluzione acquosa risultante viene riciclata al processo di liquefazione secondo la rivendicazione 2.
8. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la soluzione acquosa risultante viene trasferita in un mezzo ionico liquido insolubile in acqua mediante estrazione in un sistema liquido-liquido.
9. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la fase (a) di concentrazione in fase liquida consiste nell'assorbimento di CO 2 in forma idrata, detto processo di concentrazione essendo attivato enzimaticamente.
10. Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che la soluzione acquosa risultante viene trasferita in un mezzo ionico liquido insolubile in acqua mediante estrazione in un sistema liquido-liquido.
11. Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che l'enzima che attiva l'idratazione è l'anidrasi carbonica.
12. Metodo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che la soluzione acquosa risultante viene riciclata al processo di assorbimento in mezzo acquoso in presenza di alcool e/o ammina secondo la rivendicazione 6.
13. Metodo secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che la soluzione acquosa risultante viene riciclata al processo di liquefazione secondo la rivendicazione 2.
14. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, in cui la fase (b) di elettroriduzione viene effettuata ad un valore di pH compreso tra 3 e 10 e con l'anodo mantenuto ad un potenziale compreso tra +0,5 e -3,5 volt rispetto al normale elettrodo a idrogeno.
15. Metodo secondo la rivendicazione 14 in cui il pH è compreso tra 3 e 7.
16. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui l'anodo utilizzato nella fase (b) dell'elettroriduzione è costituito da platino, diamante drogato con boro o carbonio drogato con azoto.
17. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, 15 e 16, in cui la fase di elettroriduzione (b) viene effettuata in CO 2 liquida pressurizzata.
18. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, 15 e 16, in cui il composto ottenuto nello stadio di elettroriduzione (b) è acido ossalico o ossalato.
19. Metodo secondo la rivendicazione 18, in cui l'acido ossalico o ossalato ottenuto in mezzo non acquoso viene riestratto con una fase acquosa.
20. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, 15 e 16, in cui, all'uscita dalla fase (a), la CO 2 liquida viene pompata in un deposito sotterraneo di CO 2.
21. Metodo secondo la rivendicazione 20 in cui la fase (b) di elettroriduzione viene effettuata in un deposito sotterraneo di CO2.
22. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, 15 e 16, in cui la fase finale di mineralizzazione (d) consiste nell'esporre il minerale carbonatico ad una soluzione acquosa di acido ossalico o acido formico ottenuta dalla fase di elettroriduzione.
23. Metodo secondo la rivendicazione 22, in cui detto minerale carbonatico è un minerale carbonatico, calcareo o magnesite.
24. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, 15 e 16, in cui nella fase di mineralizzazione (d) l'elemento M è calcio e il minerale risultante è wewellite CaC 2 O 4 H 2 O.
25. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, 15 e 16, in cui la fase di mineralizzazione (d) viene effettuata portando a contatto con la roccia sedimentaria, ad esempio calcarea o magnesite, una soluzione acquosa di acido ossalico o formico ottenuto dalla fase di elettroriduzione.
26. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, 15 e 16, in cui la fase finale di mineralizzazione (d) viene effettuata pompando la soluzione nel sottosuolo.
Il grado di ossidazione nei composti organici è necessario per poter organizzare la risoluzione dei compiti USE in chimica, in cui viene fornita una catena di trasformazioni di sostanze organiche, alcune delle quali sono sconosciute. Al momento, questi sono i compiti numero 32.
Esistono due metodi per determinare il grado di ossidazione nei composti organici. La loro essenza è la stessa, ma l'applicazione di questi metodi sembra diversa.
Il primo modo che chiamerei il metodo block.
Metodo del blocco
Prendiamo ad esempio una molecola organica, una sostanza come il 2-idrossipropanale
e isolare l'uno dall'altro tutti i frammenti della molecola contenente un atomo di carbonio come segue:
La carica totale di ciascuno di questi blocchi è considerata pari a zero, come per una molecola separata. Nei composti organici, l'idrogeno ha sempre uno stato di ossidazione pari a +1 e l'ossigeno - -2. Indichiamo il grado di ossidazione dell'atomo di carbonio nel primo blocco della variabile x. Pertanto, possiamo trovare lo stato di ossidazione del primo atomo di carbonio risolvendo l'equazione:
x + 3∙(+1) = 0, dove x è lo stato di ossidazione dell'atomo di carbonio, +1 è lo stato di ossidazione dell'atomo di idrogeno e 0 è la carica del blocco selezionato.
x + 3 = 0, quindi x = -3.
Pertanto, lo stato di ossidazione dell'atomo di carbonio nel primo blocco è -3.
Il secondo blocco, oltre a un atomo di carbonio e due atomi di idrogeno, comprende anche un atomo di ossigeno, che, come abbiamo già detto, ha quasi sempre uno stato di ossidazione pari a -2 nei composti organici. Come nel primo caso, indichiamo il grado di ossidazione dell'atomo di carbonio del secondo blocco con x, quindi otteniamo la seguente equazione:
x+2∙(+1)+(-2) = 0, risolvendo il quale troviamo che x = 0. Cioè, lo stato di ossidazione del secondo atomo di carbonio nella molecola è zero.
Il terzo blocco è costituito da un atomo di carbonio, un atomo di idrogeno e un atomo di ossigeno. Scriviamo l'equazione allo stesso modo:
x +1∙(-2)+ 1 = 0, quindi x, cioè il grado di ossidazione dell'atomo di carbonio nel terzo blocco è +1.
Il secondo metodo per sistemare gli stati di ossidazione nelle sostanze organiche lo chiamo “metodo della freccia”.
Metodo della freccia
Per poterlo utilizzare è necessario prima disegnare una formula strutturale espansa della materia organica:
I trattini tra i simboli degli elementi sono intesi come le loro coppie di elettroni comuni, che tra atomi identici possono essere considerate equamente distribuite, e tra atomi diversi - spostate su uno degli atomi con maggiore elettronegatività. Tra i tre elementi C, H e O, l'ossigeno ha l'elettronegatività più alta, seguito dal carbonio, e l'idrogeno ha l'elettronegatività più bassa. Pertanto, se indichiamo con una freccia il mescolamento degli elettroni verso atomi più elettronegativi, otteniamo la seguente immagine:
Come puoi vedere, non abbiamo disegnato una freccia tra gli atomi di carbonio, lasciando il solito trattino, poiché si ritiene che la coppia di elettroni comune tra due atomi di carbonio non sia praticamente spostata su nessuno dei due.
Interpreteremo l'ultima cifra come segue: ogni atomo da cui esce la freccia "perde" un elettrone, e ogni atomo in cui entra la freccia "prende" un elettrone. Allo stesso tempo, ricorda che la carica di un elettrone è negativa e pari a -1.
Pertanto, il primo atomo di carbonio riceve un elettrone da tre atomi di idrogeno (tre frecce in entrata), a seguito della quale acquisisce una carica condizionale, ad es. stato di ossidazione pari a -3 e ciascun atomo di idrogeno - +1 (una freccia in uscita).
Il secondo atomo di carbonio ottiene un elettrone dall’atomo di idrogeno “superiore” (freccia da H a C), e l’atomo di carbonio “perde” un altro elettrone, trasferendolo all’atomo di ossigeno (freccia da C a O). Pertanto, un elettrone "entra" nell'atomo di carbonio e l'altro "esce" da esso. Pertanto, lo stato di ossidazione del secondo atomo di carbonio è 0, come in un singolo atomo.
Due frecce sono dirette verso l'atomo di ossigeno, il che significa che ha uno stato di ossidazione pari a -2, e una freccia proviene da tutti gli atomi di idrogeno. Cioè, lo stato di ossidazione di tutti gli atomi di idrogeno è +1.
Una freccia da H entra nell'ultimo atomo di carbonio e due frecce vanno verso O, quindi un elettrone “entra” e due “escono”. Quindi lo stato di ossidazione è +1.
È da notare che in realtà entrambi i metodi descritti sono molto condizionali, come, infatti, il concetto stesso di “stato di ossidazione” è condizionale nel caso delle sostanze organiche. Tuttavia, nell'ambito del curriculum scolastico, questi metodi sono abbastanza validi e, soprattutto, consentono di utilizzarli quando si organizzano i coefficienti nelle reazioni dell'OVR con sostanze organiche. Personalmente, mi piace di più il metodo della freccia. Ti consiglio di apprendere entrambi i metodi: con uno puoi determinare il grado di ossidazione, e con il secondo puoi verificare la correttezza dei valori ottenuti.
Il grado di ossidazione è un valore condizionale utilizzato per registrare le reazioni redox. Per determinare il grado di ossidazione, viene utilizzata una tabella di ossidazione degli elementi chimici.
Senso
Lo stato di ossidazione degli elementi chimici di base si basa sulla loro elettronegatività. Il valore è uguale al numero di elettroni spostati nei composti.
Lo stato di ossidazione è considerato positivo se gli elettroni sono spostati dall'atomo, cioè l'elemento dona elettroni nel composto ed è un agente riducente. Questi elementi includono i metalli, il loro stato di ossidazione è sempre positivo.
Quando un elettrone viene spostato verso un atomo, il valore è considerato negativo e l'elemento è considerato un agente ossidante. L'atomo accetta elettroni fino al completamento del livello energetico esterno. La maggior parte dei non metalli sono agenti ossidanti.
Le sostanze semplici che non reagiscono hanno sempre uno stato di ossidazione pari a zero.
Riso. 1. Tabella degli stati di ossidazione.
Nel composto, un atomo non metallico con elettronegatività inferiore ha uno stato di ossidazione positivo.
Definizione
Puoi determinare lo stato di ossidazione massimo e minimo (quanti elettroni un atomo può cedere e prendere) utilizzando la tavola periodica di Mendeleev.
La potenza massima è pari al numero del gruppo in cui si trova l'elemento o al numero di elettroni di valenza. Il valore minimo è determinato dalla formula:
N. (gruppi) - 8.
Riso. 2. Tavola periodica.
Il carbonio appartiene al quarto gruppo, quindi il suo stato di ossidazione più alto è +4 e quello più basso è -4. Lo stato di ossidazione massimo dello zolfo è +6, il minimo è -2. La maggior parte dei non metalli hanno sempre uno stato di ossidazione variabile, positivo e negativo. L'eccezione è il fluoro. Il suo stato di ossidazione è sempre -1.
Va ricordato che questa regola non si applica rispettivamente ai metalli alcalini e alcalino terrosi dei gruppi I e II. Questi metalli hanno uno stato di ossidazione positivo costante: litio Li +1, sodio Na +1, potassio K +1, berillio Be +2, magnesio Mg +2, calcio Ca +2, stronzio Sr +2, bario Ba +2. Altri metalli possono presentare diversi stati di ossidazione. L'eccezione è l'alluminio. Nonostante appartenga al gruppo III, il suo stato di ossidazione è sempre +3.
Riso. 3. Metalli alcalini e alcalino terrosi.
Del gruppo VIII, solo il rutenio e l'osmio possono presentare lo stato di ossidazione più alto +8. L'oro e il rame, che appartengono al gruppo I, mostrano rispettivamente stati di ossidazione +3 e +2.
Registrazione
Per registrare correttamente lo stato di ossidazione è necessario ricordare alcune regole:
- i gas inerti non reagiscono, quindi il loro stato di ossidazione è sempre nullo;
- nei composti lo stato di ossidazione variabile dipende dalla valenza variabile e dall'interazione con altri elementi;
- l'idrogeno nei composti con metalli presenta uno stato di ossidazione negativo - Ca +2 H 2 −1, Na +1 H −1;
- l'ossigeno ha sempre uno stato di ossidazione pari a -2, ad eccezione del fluoruro di ossigeno e del perossido - O +2 F 2 -1, H 2 +1 O 2 -1.
Cosa abbiamo imparato?
Lo stato di ossidazione è un valore condizionale che mostra quanti elettroni un atomo di un elemento ha ricevuto o ceduto in un composto. Il valore dipende dal numero di elettroni di valenza. I metalli nei composti hanno sempre uno stato di ossidazione positivo, cioè sono restauratori. Per i metalli alcalini e alcalino terrosi lo stato di ossidazione è sempre lo stesso. I non metalli, ad eccezione del fluoro, possono assumere stati di ossidazione positivi e negativi.
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Nella maggior parte dei composti inorganici, il carbonio presenta gli stati di ossidazione -4, +4, +2.
In natura, il contenuto di carbonio è dello 0,15% (frazioni molari) ed è principalmente nella composizione dei minerali carbonatici (principalmente calcare E marmo CaCO3, magnesite MgCO3, dolomite MgCO3 ∙CaCO3, siderite FeCO3), carbone duro, olio, gas naturale, e anche nella forma grafite e meno spesso diamante. Il carbonio è il principale costituente degli organismi viventi.
sostanze semplici. Le sostanze semplici dell'elemento carbonio hanno una struttura polimerica e, in conformità con i caratteristici stati ibridi degli orbitali, gli atomi di carbonio possono combinarsi in formazioni polimeriche di coordinazione ( sp 3), stratificato (sp2) e lineare ( sp) strutture, che corrispondono ai tipi di sostanze semplici: diamante(β-C), grafite(α-C) e carabina(S2) N. Nel 1990 è stata ottenuta la quarta modifica del carbonio: fullerene C60 e C70.
Diamante- una sostanza cristallina incolore con un reticolo cubico, in cui ciascun atomo di carbonio è collegato da legami σ a quattro vicini - ciò provoca una durezza eccezionale e l'assenza di conduttività elettronica in condizioni normali.
Carabina– polvere nera con un reticolo esagonale costituito da legami σ e π rettilinei: –С≡С–С≡С–С≡ ( poliine) o =C=C=C=C=C= ( policumulene).
Grafite– forma stabile di esistenza dell'elemento carbonio; grigio-nero, con lucentezza metallica, grasso al tatto, morbido non metallico, conduttivo. A temperature normali è molto inerte. Ad alte temperature interagisce direttamente con molti metalli e non metalli (idrogeno, ossigeno, fluoro, zolfo). Agente riducente tipico; reagisce con vapore acqueo, acidi nitrico e solforico concentrati, ossidi metallici. Allo stato “amorfo” (carbone, coke, fuliggine) brucia facilmente all'aria.
C + H 2 O (vapore, 800-1000 ° C) \u003d CO + H 2
C + 2H 2 SO 4 (concentrato) = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C + 4HNO 3 (concentrato) = CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O
C + 2H 2 (600°C, cat. Pt) = CH 4
C + O 2 (600-700 ° C) \u003d CO 2
2C + O 2 (sopra 1000°C) = 2CO
2C + Ca (550 ° C) \u003d CaC 2
C + 2PbO (600 ° C) \u003d 2Pb + CO2
C + 2F 2 (sopra 900°C) = CF 4
A causa dell'energia di attivazione molto elevata, le trasformazioni delle modifiche del carbonio sono possibili solo in condizioni speciali. Ad esempio, il diamante si trasforma in grafite se riscaldato a 1000–1500°C (senza aria). La transizione dalla grafite al diamante richiede una pressione molto elevata (6∙10 9 -10∙10 10 Pa); padroneggiato il metodo per produrre diamanti a bassa pressione.
C(diamante) = C(grafite) (sopra 1200°C)
(C2) N(carabina) = 2 NС(grafite) (2300°С)
Ricevuta e domanda. La grafite viene utilizzata per realizzare elettrodi, crogioli di fusione, rivestimento di forni elettrici e bagni di elettrolisi industriali, ecc. Viene utilizzata nei reattori nucleari come moderatore di neutroni. La grafite viene utilizzata anche come lubrificante, ecc. L'eccezionale durezza del diamante determina il suo ampio utilizzo per la lavorazione di materiali particolarmente duri, durante la perforazione, per trafilare fili, ecc. I cristalli di diamante più perfetti vengono utilizzati dopo il taglio e la lucidatura per la fabbricazione di gioielli (diamanti).
A causa dell'elevata capacità di adsorbimento del carbone e del carbone animale (coke, carbone, carbone osseo, fuliggine), vengono utilizzati per purificare le sostanze dalle impurità. Il coke, ottenuto dalla lavorazione a secco del carbone, viene utilizzato principalmente in metallurgia nella fusione dei metalli. La fuliggine viene utilizzata nella produzione della gomma nera, per la fabbricazione di vernici, inchiostri, ecc.
L'anidride carbonica CO 2 viene utilizzata nella produzione di soda, per spegnere gli incendi, per la preparazione dell'acqua minerale, come mezzo inerte per varie sintesi.
Composti con uno stato di ossidazione negativo. Con elementi meno elettronegativi di se stesso, il carbonio cede carburi. Poiché è comune che il carbonio formi omocatene, la composizione della maggior parte dei carburi non corrisponde allo stato di ossidazione del carbonio –4. In base al tipo di legame chimico si possono distinguere i carburi covalenti, ionico-covalenti e metallici.
I carburi di silicio covalenti SiC e il boro B 4 C sono sostanze polimeriche caratterizzate da elevatissima durezza, refrattarietà e inerzia chimica.
Il carburo covalente più semplice è metano CH4 è un gas chimicamente molto inerte; non teme gli acidi e gli alcali, ma si accende facilmente e le sue miscele con l'aria sono estremamente esplosive. Il metano è il componente principale del gas naturale (60-90%) delle miniere e delle paludi. I gas ricchi di metano vengono utilizzati come combustibile e materia prima per la produzione chimica.
Il carbonio si forma in vari modi percarburi, ad esempio, alcuni degli idrocarburi più semplici - etano C2H6, etilene C2H4, acetilene C2H2.
I carburi ionico-covalenti sono sostanze cristalline simili al sale. Sotto l'azione dell'acqua o dell'acido diluito, vengono distrutti con il rilascio di idrocarburi. Pertanto i carburi di questo tipo possono essere considerati derivati dei corrispondenti idrocarburi. Derivati del metano - metanidi, ad esempio, i carburi Be 2 C e AlC 3 . Si decompongono con l'acqua, liberando metano:
AlC 3 + 12H 2 O \u003d 4Al (OH) 3 + 3CH 4
Tra i percarburi salini, i più studiati sono acetiluri tipo M 2 +1 C 2 , M +2 C 2 e M 2 +3 (C 2) 3 . Più importante acetiluro di calcio CaC2 (chiamato carburo) ottenuto riscaldando CaO con carbone in forni elettrici:
CaO + 3C \u003d CaC 2 + CO
Gli acetiluri vengono decomposti più o meno facilmente dall'acqua per formare acetilene:
CaC 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2
Questa reazione viene utilizzata in ingegneria per produrre acetilene.
I metallici sono carburi D-elementi dei gruppi IV-VIII. I carburi più comuni di composizione media sono 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). I carburi metallici fanno parte delle ghise e degli acciai, conferendo loro durezza, resistenza all'usura e altre qualità preziose. Sulla base di carburi di tungsteno, titanio e tantalio, vengono prodotte leghe superdure e refrattarie, che vengono utilizzate per la lavorazione dei metalli ad alta velocità.
Composti del carbonio (IV). Lo stato di ossidazione del carbonio +4 si manifesta nei suoi composti con più elettronegativi di se stesso, non metalli: СНal 4, СОНal 2, CO 2, COS, CS 2 e complessi anionici CO 3 2–, COS 2 2–, CS 3 2–.
Per natura chimica, questi composti di carbonio (IV) sono acidi. Alcuni di loro interagiscono con l'acqua, formando acidi:
CO 2 + H 2 O \u003d H 2 CO 3
COCl 2 + 3H 2 O \u003d H 2 CO 3 + 2HCl
e con composti basici, formando sali:
2KOH + CO 2 \u003d K 2 CO 3 + H 2 O
Tra i tetraalogenuri CHal 4, il più utilizzato metano di tetracloruro di carbonio CCl 4 come solvente non infiammabile per sostanze organiche, nonché liquido per estintori. Si ottiene mediante clorurazione del disolfuro di carbonio in presenza di un catalizzatore:
CS 2 + Cl 2 \u003d CCl 4 + S 2 Cl 2
Misto fluoruro-cloruro di carbonio CCl 2 F 2 - freon(t bp. -30 ° C) viene utilizzato come refrigerante nelle macchine e negli impianti di refrigerazione. Non velenoso. Quando rilasciato nell’atmosfera distrugge lo strato di ozono.
Disolfuro di carbonio o disolfuro di carbonio CS 2 (tossico) si ottiene dall'interazione dei vapori di zolfo con il carbone caldo: C + 2S = CS 2
Il solfuro di carbonio si ossida facilmente, con un leggero riscaldamento si accende nell'aria: СS 2 + 3O 2 = CO 2 + 2SO 2
Tutti gli ossodialogenuri (alogenuri carbonilici) COHal 2 sono molto più reattivi dei tetraalogenuri; in particolare sono facilmente idrolizzabili:
COCl 2 + H 2 O \u003d CO 2 + 2HCl
COCl2 ( fosgene, cloruro di carbonile) – gas estremamente velenoso. È ampiamente utilizzato nella sintesi organica.
Anidride carbonica CO2 ( diossido di carbonio) nella tecnologia si ottiene solitamente mediante decomposizione termica di CaCO 3 e in laboratorio - mediante l'azione di CaCO 3 con acido cloridrico.
CaCO 3 \u003d CaO + CO 2 CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + CO 2
L'anidride carbonica viene facilmente assorbita dalle soluzioni alcaline e dai corrispondenti carbonato, e con un eccesso di CO 2 - bicarbonato:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 ↓ + H2O
CaCO3 ↓ + CO2 = Ca(HCO3)2
I bicarbonati, a differenza dei carbonati, sono per lo più solubili in acqua.
La solubilità della CO2 in acqua è bassa, parte dell'anidride carbonica disciolta interagisce con l'acqua per formare un mezzo instabile acido carbonico H 2 CO 3 (triossocarbonato di idrogeno).
I solfidocarbonati (IV) (tiocarbonati) assomigliano in molti modi ai trioxocarbonati (IV). Possono essere ottenuti facendo reagire il disolfuro di carbonio con solfuri basici, ad esempio:
K 2 S + CS 2 \u003d K 2 [CS 3]
Soluzione acquosa di H 2 CS 3 - debole acido tiocarbonico. Gradualmente decomposto dall'acqua, formando acido carbonico e idrogeno solforato:
H 2 CS 3 + 3H 2 O \u003d H 2 CO 3 + 3H 2 S
Da nitridocarbonati importante calciocianammide CaCN 2 ottenuto per ossidazione del carburo di calcio CaC 2 con azoto quando riscaldato:
CaC 2 + N 2 \u003d CaCN 2 + C
Tra gli ossonitridocarbonati di idrogeno, il più importante è urea(urea) CO (NH 2) 2, ottenuto dall'azione della CO 2 su una soluzione acquosa di ammoniaca a 130 ° C e 1 ∙ 10 7 Pa:
CO 2 + 2N 3 H \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O
L'urea viene utilizzata come fertilizzante e per l'alimentazione del bestiame, come prodotto iniziale per la produzione di materie plastiche, prodotti farmaceutici (veronal, luminal, ecc.), ecc.
Idrogeno solfonitridocarbonato (IV) o tiocianato di idrogeno L'HSCN in soluzione acquosa forma un forte (come HCl) acido tiocianico. Le tiocianiti vengono utilizzate principalmente nella tintura dei tessuti; NH 4 SCN viene utilizzato come reagente per gli ioni Fe 3+.
Composti del carbonio (II). I derivati del carbonio (II) sono CO, CS, HCN.
Monossido di carbonio (II) CO ( monossido di carbonio) si forma durante la combustione del carbonio o dei suoi composti in mancanza di ossigeno, nonché come risultato dell'interazione del monossido di carbonio (IV) con il carbone caldo.
CO2+C↔2CO
C'è un triplo legame nella molecola di CO, come nell'N 2 e nello ione cianuro CN -. In condizioni normali, il monossido di carbonio (II) è chimicamente molto inerte. Quando riscaldato, mostra proprietà riducenti, ampiamente utilizzate nella pirometallurgia.
Quando riscaldata, la CO viene ossidata con lo zolfo, quando irradiata o in presenza di un catalizzatore interagisce con il cloro, ecc.
CO + S = COS (ossosolfuro di carbonio IV);
CO + Cl 2 = COCl 2 (ossicloruro di carbonio IV)
Acido cianidrico HCN ha una struttura lineare H–C≡N; esiste anche la sua forma tautomerica ( isocianato di idrogeno) H–N≡C. Una soluzione acquosa di acido cianidrico è un acido molto debole chiamato cianidrico O cianidrico.
L'HCN è il veleno inorganico più potente.
I cianuri mostrano proprietà riducenti. Quindi, quando le loro soluzioni vengono riscaldate, vengono gradualmente ossidate dall'ossigeno atmosferico, formando cianati:
2KCN + O2 = 2KOCN
e quando le soluzioni di cianuro vengono bollite con zolfo, si formano tiocianati (la produzione dei tiocianati si basa su questo):
2KCN + S = 2KSCN
Il cianuro di idrogeno viene utilizzato nella sintesi organica, NaCN e KCN - nell'estrazione dell'oro, per ottenere cianuri complessi, ecc.
Quando i cianuri di metalli a bassa attività vengono riscaldati, dician(CN) 2 è un gas tossico altamente reattivo.
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