Углерод образует разнообразные химические соединения, в том числе и с водородом. Рассмотрим подробнее водородные соединения углерода, их свойства и применение.
Метан
Простейшим водородным соединением углерода является метан с формулой CH4. Это бесцветный газ без запаха, хорошо растворимый в органических растворителях. Метан относится к летучим водородным соединениям углерода, поскольку его температура кипения составляет -161,5°C.
Метан широко используется в качестве топлива, а также как сырье в органическом синтезе. При сжигании 1 м3 метана выделяется в 2 раза больше энергии по сравнению с другими углеводородами.
Получение метана
Существует несколько способов получения метана:
- Из природного газа путем очистки и фракционирования
- Пиролиз метанола при температуре выше 800°С
- Гидролиз карбида алюминия водой или щелочью
- Брожение органических веществ (например, навоза) метаногенными бактериями
Основным источником метана является природный газ, добываемый из недр Земли. Доля метана в природном газе может достигать 98%.
Применение метана
Водородное соединение углерода метан используется:
- Как топливо для отопления зданий, приготовления пищи, в промышленных печах
- Для получения водорода путем паровой конверсии или парциального окисления
- В качестве сырья для синтеза метанола, формальдегида, уксусной кислоты и других органических веществ
- При производстве карбида кальция и ацетилена
Этан
Следующим по сложности водородным соединением углерода является этан с химической формулой C2H6. Этот газ бесцветный и тяжелее воздуха. Температура кипения этана составляет -88,6°C.
Основным источником этана является попутный нефтяной газ, из которого его выделяют методом ректификации. Кроме того, этан можно получить каталитическим пиролизом природного газа, а также гидрированием этилена.
Этан используется главным образом как сырье в нефтехимической промышленности для получения этилена путем дегидрирования. Этилен в свою очередь является исходным соединением для синтеза полиэтилена, этилового спирта, ацетальдегида и других важных продуктов.
Водородные соединения хлора, серы, углерода
Помимо чистых водородных соединений, углерод также образует сложные молекулы совместно с хлором, серой и другими элементами. Рассмотрим некоторые примеры.
Хлорметаны
Хлорметаны представляют собой производные метана, в которых один или несколько атомов водорода замещены на атомы хлора. Наиболее распространен хлористый метил или хлорметан CH3Cl.
Сероводород
Сероводород H2S также относится к водородным соединениям углеродсодержащих веществ. Это газ с резким неприятным запахом, образующийся в результате гниения органических веществ.
Сероводород токсичен, используется в органическом синтезе и как аналитический реагент. Высокие концентрации сероводорода опасны для человека и могут вызвать летальный исход.
Таким образом, углерод способен образовывать разнообразные водородные соединения как самостоятельно, так и совместно с другими неметаллами. Эти соединения играют важную роль в промышленности и используются в качестве топлива, химического сырья, а также аналитических реагентов.
Другие водородные соединения углерода
Помимо метана, этана и их производных, существует множество других водородных соединений углерода как ациклического, так и циклического строения.
Пропан и бутан
Гомологами этана являются пропан C3H8 и бутан C4H10. Это горючие газы, используемые в качестве бытового и промышленного топлива. Их получают из попутных нефтяных газов методом фракционной перегонки.
Циклопропан
Циклопропан представляет собой циклическое водородное соединение углерода с тремя атомами в цикле. Это легковоспламеняющийся газ, который ранее применялся в медицине в качестве анестетика.
Циклобутан и циклопентан
С увеличением числа атомов углерода в цикле получаются соединения циклобутан C4H8 и циклопентан C5H10. Они также относятся к летучим водородным соединениям углерода и являются составляющими нефти и газовых конденсатов.
Физические свойства водородных соединений углерода
Летучие водородные соединения углерода характеризуются следующими физическими свойствами:
- Бесцветные газы (при нормальных условиях)
- Плохо растворимы в воде, хорошо — в неполярных органических растворителях
- Легко воспламеняются, горят коптящим пламенем
- Обладают характерными запахами (для ациклических)
- Имеют низкие температуры кипения и плавления
С увеличением молекулярной массы растворимость в воде падает, а температуры плавления и кипения растут.
Химические свойства водородных соединений углерода
Химические свойства водородных соединений углерода обусловлены наличием в молекулах связей C-H и C-C:
- Присоединяют галогены с образованием галогенопроизводных
- Окисляются азотной и серной кислотами с образованием кислот и спиртов
- Подвергаются реакциям замещения, изомеризации, дегидрирования
- При пиролизе и крекинге распадаются на более простые углеводороды
Таким образом, водородные соединения углерода проявляют типичные для органических веществ химические реакции, что определяет их широкое применение в промышленном органическом синтезе.
