Какие степени окисления проявляет углерод в соединениях? Привести примеры соединений и охарактеризовать их. Проиллюстрировать основные химические свойства этих соединений уравнениями реакций.

Углерод проявляет степени окисления от -4 до +4 включительно.
Степень окисления -4.
Метан CH4 - органическое соединение, связи ковалентные полярные, степень полярности невысока, поскольку невысока разница электроотрицательностей водорода и углерода. В связи с этим невысока и его реакционная способность. Метан реагирует с небольшим числом элементов - с галогенами (реакции замещения), кислородом (реакция горения). При этом для начала реакции нужно сообщить энергию (световую hv, тепловую Q), хотя в итоге реакции идут с выделением значительного количества теплоты:
hv
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl + Q
hv
CH4 + 4 Cl2 = CCl4 + 4 HCl + Q

q
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O + Q;

Карбид алюминия Al4C3 - неорганическое соединение углерода, связи близки к ионным. Подвергается гидролизу как соль катиона Al³⁺и аниона C⁴⁻:
Al4C3 + 12 H2O = 4 Al(OH)3↓ + 3 CH4 ↑
С кислотами реагирует подобно солям слабых кислот - с вытеснением "слабой кислоты" CH4:
Al4C3 + 12 HCl = 4 AlCl3 + 3 CH4↑

Степень окисления -3 и -2 во многих органических соединениях.
Степень окисления -2 в метиленовой группе - СH2 -. Как видно, в этой группе две связи углерод образует с соседними атомами углерода, то есть они не вносят вклад в степень окисления, две другие связи углерод образует с атомами водорода (как в метане), что дает в сумме степень окисления -2. Из метиленовых групп образуются цепи углеводородов и их производных: CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - ...- CH2 - CH3
Степень окисления -3 в метильной группе -СH3.
Углерод образует 3 связи с атомами водорода и одну связь с атомом углерода. Степень окисления в сумме -3. Метильными группами оканчиваются цепи углеводородов и их производных:
CH3 - CH3 (этан), CH3 - CH2 - CH3 (пропан), (CH3)₄С (2,2-диметилпропан)
*Примечание. Если углерод в метильных и метиленовых группах соединяется не с атомами углерода, а с другими атомами, то степень окисления будет другой, в зависимости от природы этих атомов. Например, в CH3-Cl (хлорметан) степень окисления углерода -2, в Cl-CH2-Cl (метиленхлорид, дихлорметан) степень окисления 0.

Степень окисления -1 в этине (ацетилене) H-С≡C-H и его однозамещенных гомологах.
Этин вступает во многие реакции, в отличие от этана и других алканов.
Связь водород-углерод в этине намного более полярна, чем в этане. Она близка к ионной, поэтому водород замещается на атомы металлов с образованием солеобразных продуктов:
C2H2 + 2 CuCl = Cu2C2 ↓ + 2 HCl
C2H2 + Ag2O = Ag2C2 ↓ + H2O

Ацетилен получают из карбида кальция CaC2, в котором углерод также имеет степень окисления -1. Связи в карбиде кальция близки к ионным.
С водой он реагирует с выделением ацетилена:
CaC2 + 2 H2O = H2C2 ↑ + Ca(OH)2

Степень окисления 0 встречается в простых веществах, образованных углеродом - в графите, алмазе, графене.
Кроме того, степень окисления 0 может быть и в сложных веществах, если атом углерода соединяется с 4 другими атомами углерода:
CH3
|
CH3 - С - СH3 (2,2-диметилпропан)
|
CH3

Или, как уже упоминалось, в случае метиленхлорида (дихлорметана) CH2Cl2 (атом углерода соединяется одновременно с двумя более электроотрицательными атомами и у с двумя менее электроотрицательными атомами)

Степень окисления +1, встречается, например, в галогеналканах, в частности, в трет-бутилхлориде (CH₃)₃С - Сl. Три метильные группы не влияют на степень окисления, один атом хлора дает для углерода степень окисления +1. Хлоралканы более реакционноспособны по сравнению с соответствующими алканами. В частности, атом хлора может замещаться на другие группы, в частности на гидроксильную. В нашем случае из трет-бутилхлорида образуется трет-бутиловый спирт. В полученном спирте степень окисления атома углерода, связанного с кислородом, будет также +1:
(CH₃)₃С - Cl + KOH = (CH₃)₃С - OH + KCl

Степень окисления +2 встречается в монооксиде углерода CO
CO не реагирует ни с кислотами и щелочами, ни с водой. Однако способен реагировать с металлами с образованием карбонильных комплексов:
Fe + 5 CO = Fe(CO)5

СO cгорает с образованием CO2:
2 CO + O2 = 2 CO2

Степень окисления +3 встречается в тригалогеналканах, например, в трихлорэтане H3C - CCl3. (Соответствующие спирты -С(OH)3 или альдегидоспирты -CO(OH) - довольно экзотические вещества, как правило, легко превращающиеся в другие, более стабильные вещества)

Степень окисления +4 в диоксиде углерода CO2 и его производных или в тетрахлорметане CCl4
Оба вещества не горят, не реагируют с водой и кислотами. Но CO2 реагирует с щелочами и основными оксидами с образованием солей:
CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O
CO2 + K2O = K2CO3