Углерод (С) в таблице Менделеева

Теория:

Углерод (C) — типичный неметалл и основа органической химии. Его химическое поведение определяется положением в Периодической таблице.

Идентификация углерода: атомный номер Z = 6, электронная конфигурация: 1s² 2s² 2p².

Местоположение: 2‑й период, 14‑я группа (IV A).

Это объясняет:

• Наличие четырёх валентных электронов;

• Способность образовывать четыре ковалентные связи;

• Диапазон степеней окисления углерода от –4 до +4.

Важные следствия

• Валентность: почти всегда четырёхвалентен (IV) благодаря переходу в возбуждённое состояние (2s¹ 2p³).

• Основа жизни: отсутствие d‑орбиталей и принадлежность к 14‑й группе обеспечивают прочность и стабильность ковалентных связей, а также способность к образованию длинных цепей.

Как определить положение углерода в Таблице Менделеева

Положение углерода в таблице задаётся несколькими фундаментальными характеристиками — своего рода «химическим паспортом»:

1. Порядковый номер и атомный номер.
2. Название элемента.
3. Группа (вертикальный столбец).
4. Период (горизонтальный ряд).
5. Электронный блок, (p‑элемент).

Порядковый номер / Атомный номер (Z = 6)

• В ядре атома содержится 6 протонов.

• В нейтральном атоме — 6 электронов.

• Электронная конфигурация: 1s² 2s² 2p².

• Основные изотопы: ¹²C, ¹³C (стабильные) и ¹⁴C (радиоактивный, используется для датирования).

Название элемента («Углерод»)

• Лингвистический идентификатор для элемента с Z = 6.

• Символ: C (от лат. Carboneum).

• Название отражает историческую роль как компонента угля.

• Химические особенности: способность образовывать аллотропы (графит, алмаз, фуллерены, графен).

Группа (14‑я / IV A)

• Углерод имеет 4 валентных электрона (2s² 2p²).

• Диапазон степеней окисления:

  • Максимальная: +4 (например, CO₂, CCl₄).

  • Минимальная: –4 (например, CH₄, SiC).

  • Возможные промежуточные: +2 (CO), 0 (в простых веществах).

• Центральная позиция в системе: может быть как восстановителем (+4), так и окислителем (–4).

Период (2‑й / горизонтальный ряд)

• Углерод имеет две энергетические оболочки (K, L).

• Отсутствие d‑орбиталей ограничивает валентность углерода IV и обеспечивает прочность связей.

• Малый размер атома позволяет образовывать прочные цепи и кольца.

• Радиус атома ≈ 77 пм, что способствует образованию двойных и тройных связей (C = C, C ≡ C).

Относительная атомная масса Углерода (Ar(C) ≈ 12,011 а.е.м.)

Роль в идентификации Атомная масса (Ar) — это средневзвешенное значение массы природных изотопов элемента, выраженное в атомных единицах массы.

Для Углерода она равна примерно 12,011 а.е.м., что традиционно округляется до 12.

Влияние на положение в таблице

• Историческая роль: до открытия протона и атомного номера (Z) элементы располагались в таблице Менделеева по возрастанию атомных масс.

• Современная роль: сегодня атомная масса используется для:

  • расчётов в химии (например, при определении молярной массы);

  • подтверждения положения элемента: для Углерода (Z = 6) она приблизительно равна сумме числа протонов и нейтронов в наиболее распространённом изотопе (¹²C), что составляет 6 + 6 = 12.

Все значения для всех элементов можно узнать в таблице атомных масс.

Важно: почему Ar не является главным идентификатором

• Существуют изотопы: атомная масса является дробным числом (12,011), которое зависит от распространённости изотопов. Основным является ¹²C, но изотоп ¹³C немного увеличивает среднее значение.

• Нарушения порядка: в Периодической таблице, построенной строго по атомным массам, возникали бы нарушения химического сходства. Атомный номер (Z) устраняет эти нарушения и является фундаментальным идентификатором.

p‑Элемент (электронное семейство)

• Последний электрон находится на p‑подуровне (2p²).

• Средняя электроотрицательность (≈ 2,55 по Полингу) позволяет образовывать связи как с металлами, так и с неметаллами.

• Основное свойство: способность к гибридизации (sp³, sp², sp) и образованию связей разной кратности.

• Уникальная способность к образованию аллотропов.

Проверка знаний: Как определить углерод по таблице Менделеева

Отметьте три правильных утверждения, которые однозначно определяют Углерод (C) в Периодической системе.

По каким признакам можно безошибочно установить, что речь идёт именно об Углероде?

1) В атомном ядре содержится ровно 6 протонов.

2) Находится во втором горизонтальном ряду (периоде) и четырнадцатом вертикальном столбце (группе IV A) таблицы Менделеева.

3) Полный набор электронов описывается формулой: 1s² 2s² 2p².

4) Может проявлять исключительно степень окисления +4.

5) Обладает тремя электронными оболочками.

6) Является первым элементом в своей группе, который образует p-элементный блок.

Часто задаваемые вопросы: