Условие задачи
Определите степень окисления элементов в метане СН4 и карбиде алюминия Аl4С3. Какие свойства имеет углерод в этих соединениях?
Решение
Ниже представлено подробное решение задачи по химии (неорганическая химия, правила определения степеней окисления).
1. Определение степеней окисления в метане CH₄.
• Общие правила: При определении степеней окисления водород обычно имеет значение +I (за исключением гидридов металлов, где H = –I, но в соединениях с неметаллами –H = +I). Метан является соединением неметалла с водородом, поэтому H = +I.
• Обозначим степень окисления углерода за x. Поскольку молекула нейтральна, сумма степеней окисления должна равняться 0.
x + 4 · (+1) = 0 → x + 4 = 0 → x = –4.
Таким образом, углерод в CH₄ имеет степень окисления –IV, а водород +I.
Кроме того, в молекуле метана углерод центр, имеющий тетраэдрическую координацию с четырьмя ковалентными связями с водородами (sp³-гибридизация).
2. Определение степеней окисления в карбиде алюминия Al₄C₃.
• Обычно алюминий в соединениях проявляет степень окисления +III.
• Обозначим степень окисления углерода за x. Состав молекулы: 4 атома Al и 3 атома C, сумма степеней окисления равна 0.
4 · (+3) + 3 · (x) = 0 → 12 + 3x = 0 → 3x = –12 → x = –4.
Таким образом, в Al₄C₃ алюминий имеет степень окисления +III, а углерод –IV.
Важно отметить, что несмотря на одинаковую формальную степень окисления углерода (–IV) в CH₄ и Al₄C₃, химические свойства углерода существенно различаются.
3. Свойства углерода в данных соединениях.
• В метане CH₄:
– Углерод находится в самой восстановленной форме, имеет малую электроотрицательность и образует четыре ковалентных связи с водородами.
– Центральный атом углерода имеет sp³-гибридизацию, что приводит к тетраэдрической геометрии.
– Такая конфигурация делает CH₄ инертным к окислению при обычных условиях, хотя его можно окислять до CO₂ и H₂O при высоких температурах или в присутствии катализаторов.
• В карбиде алюминия Al₄C₃:
– Несмотря на то, что формально углерод имеет степень –IV, структура этого соединения гораздо сложнее. Здесь присутствуют элементы промежуточного характера между чисто ионными и чисто ковалентными соединениями.
– Углерод в Al₄C₃ находится в виде карбид-ионов, что делает его высоко восстановленным и «активным» с точки зрения реакционной способности.
– Это приводит к тому, что Al₄C₃ при взаимодействии с водой (например, кислотами) гидролизуется с образованием метана, что говорит о его сильной основности (карбид-ион действует как донор электронов). Пример реакции:
Al₄C₃ + 12 H₂O → 4 Al(OH)₃ + 3 CH₄.
– Таким образом, углерод в карбиде алюминия не только стабилизирован формально степенью –IV, но и обладает существенными реакционными (основными) свойствами, отличными от нейтрального, ковалентно связанного атома углерода в метане.
Вывод:
– В CH₄ углерод имеет степень окисления –IV, формируя четыре ковалентные связи с водородом (водород +I). Углерод здесь характеризуется типичной тетраэдрической конфигурацией (sp³-гибридизация) и проявляет инертность при обычных условиях.
– В Al₄C₃, исходя из правил определения степеней окисления, углерод также имеет формальную степень –IV, а алюминий +III. Однако структура карбидов подразумевает, что углерод находится в виде карбид-ионов, что придаёт ему сильные восстановительные и основные свойства (например, реакцию с водой с образованием метана).
Таким образом, в обоих соединениях углерод имеет степень окисления –IV, но в метане он реализован как нейтральный ковалентно связанный атом, а в карбиде алюминия – как часть ионного (или межионичного) образования, способного участвовать в реакциях с протонами и водой.