Welcher Stoff ist Kohlenstoff? Valenzzustände des Kohlenstoffatoms

In diesem Artikel betrachten wir ein Element, das Teil des Periodensystems D.I. ist. Mendelejew, nämlich Kohlenstoff. In der modernen Nomenklatur wird es mit dem Symbol C bezeichnet, gehört zur vierzehnten Gruppe und ist ein „Teilnehmer“ der zweiten Periode, hat die sechste Seriennummer und seine a.u.m. = 12,0107.

Atomorbitale und ihre Hybridisierung

Beginnen wir mit der Betrachtung des Kohlenstoffs mit seinen Orbitalen und deren Hybridisierung – seinen Hauptmerkmalen, dank derer er immer noch Wissenschaftler auf der ganzen Welt in Erstaunen versetzt. Wie ist ihre Struktur?

Die Hybridisierung des Kohlenstoffatoms ist so angeordnet, dass die Valenzelektronen Positionen in drei Orbitalen einnehmen, nämlich: eines im 2s-Orbital und zwei im 2p-Orbital. Die letzten beiden der drei Orbitale bilden einen Winkel von 90 Grad zueinander, und das 2s-Orbital ist sphärisch symmetrisch. Jedoch diese Form Die Struktur der betrachteten Orbitale lässt uns nicht verstehen, warum Kohlenstoff beim Eintritt in organische Verbindungen Winkel von 120, 180 und 109,5 Grad bildet. Die Formel für die elektronische Struktur des Kohlenstoffatoms drückt sich in der folgenden Form aus: (He) 2s 2 2p 2.

Die Auflösung des entstandenen Widerspruchs erfolgte durch die Einführung des Konzepts der Hybridisierung von Atomorbitalen. Um die dreieckige, variante Natur von C zu verstehen, war es notwendig, drei Formen der Darstellung seiner Hybridisierung zu schaffen. Den Hauptbeitrag zur Entstehung und Entwicklung dieses Konzepts leistete Linus Pauling.

Physikalische Eigenschaften

Die Struktur des Kohlenstoffatoms bestimmt das Vorhandensein einer Reihe bestimmter physikalischer Merkmale. Die Atome dieses Elements bilden eine einfache Substanz – Kohlenstoff, der Modifikationen aufweist. Variationen in der Strukturveränderung können dem resultierenden Stoff unterschiedliche qualitative Eigenschaften verleihen. Grund für die Verfügbarkeit große Menge Modifikationen von Kohlenstoff liegen in seiner Fähigkeit, verschiedene Arten von Bindungen chemischer Natur aufzubauen und auszubilden.

Die Struktur des Kohlenstoffatoms kann variieren, wodurch es möglich ist eine bestimmte Menge von Isotopenformen. In der Natur vorkommender Kohlenstoff wird aus zwei Isotopen in einem stabilen Zustand – 12 C und 13 C – und einem Isotop mit gebildet radioaktive Eigenschaften- 14 C. Das letzte Isotop konzentriert sich in obere Schichten der Erdkruste und in der Atmosphäre. Aufgrund von Einfluss kosmische Strahlung, nämlich seine Neutronen, am Kern von Stickstoffatomen entsteht das radioaktive Isotop 14 C. Nach der Mitte der fünfziger Jahre des 20. Jahrhunderts begann es zu zerfallen Umfeld als künstliches Produkt, das beim Betrieb von Kernkraftwerken und durch den Einsatz einer Wasserstoffbombe entsteht. Auf dem Zerfallsprozess von 14 C basiert die Technik der Radiokarbondatierung, die in der Archäologie und Geologie breite Anwendung gefunden hat.

Modifikation von Kohlenstoff in allotroper Form

In der Natur gibt es viele Stoffe, die Kohlenstoff enthalten. Der Mensch nutzt die Struktur des Kohlenstoffatoms für seine eigenen Zwecke bei der Herstellung verschiedener Stoffe, darunter:

1. Kristalline Kohlenstoffe (Diamanten, Kohlenstoffnanoröhren, Fasern und Drähte, Fullerene usw.).
2. Amorphe Kohlenstoffe (Aktivkohle und Holzkohle, verschiedene Arten von Koks, Ruß, Ruß, Nanoschaum und Anthrazit).
3. Clusterformen von Kohlenstoff (Dikohlenstoffe, Nanokegel und Astralenverbindungen).

Strukturmerkmale der Atomstruktur

Die elektronische Struktur eines Kohlenstoffatoms kann unterschiedliche Geometrien haben, die vom Grad der Hybridisierung der Orbitale abhängen, die es besitzt. Es gibt drei Haupttypen von Geometrie:

1. Tetraedrisch – entsteht durch die Verschiebung von vier Elektronen, von denen eines S-Elektronen und drei p-Elektronen sind. Das C-Atom nimmt eine zentrale Position im Tetraeder ein und ist durch vier äquivalente Sigma-Bindungen mit anderen Atomen verbunden, die die Spitze dieses Tetraeders einnehmen. Diese geometrische Anordnung des Kohlenstoffs kann Allotrope wie Diamant und Lonsdaleit erzeugen.
2. Trigonal – verdankt sein Aussehen der Verschiebung von drei Orbitalen, von denen eines s- und zwei p- sind. Hier gibt es drei Sigma-Bindungen, die zueinander in gleicher Stellung stehen; Sie liegen in einer gemeinsamen Ebene und halten zueinander einen Winkel von 120 Grad ein. Das freie p-Orbital steht senkrecht zur Sigma-Bindungsebene. Graphit hat eine ähnliche Strukturgeometrie.
3. Diagonale – entsteht durch die Vermischung von s- und p-Elektronen (sp-Hybridisierung). Elektronenwolken dehnen sich entlang der allgemeinen Richtung aus und nehmen die Form einer asymmetrischen Hantel an. Freie Elektronen bilden π-Bindungen. Diese Geometriestruktur im Kohlenstoff lässt das Aussehen von Carbin entstehen, einer besonderen Form der Modifikation.

Kohlenstoffatome in der Natur

Der Aufbau und die Eigenschaften des Kohlenstoffatoms sind seit langem vom Menschen erforscht und werden zur Gewinnung einer Vielzahl unterschiedlicher Stoffe genutzt. Die Atome dieses Elements erzeugen aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeit, unterschiedliche chemische Bindungen zu bilden, und des Vorhandenseins einer Orbitalhybridisierung viele verschiedene allotrope Modifikationen unter Beteiligung nur eines Elements aus Atomen derselben Art – Kohlenstoff.

In der Natur kommt Kohlenstoff vor Erdkruste; kommt in Form von Diamanten, Graphiten und verschiedenen brennbaren natürlichen Ressourcen vor, zum Beispiel Öl, Anthrazit, Braunkohle, Schiefer, Torf usw. Es ist Teil der Gase, die der Mensch in der Energiewirtschaft nutzt. Kohlenstoff in seinem Kohlendioxid füllt die Hydrosphäre und Atmosphäre der Erde und erreicht in der Luft bis zu 0,046 % und in Wasser bis zu sechzigmal mehr.

Im menschlichen Körper ist C in einer Menge von etwa 21 % enthalten und wird hauptsächlich über den Urin und die ausgeatmete Luft ausgeschieden. Dasselbe Element nimmt am biologischen Kreislauf teil; es wird von Pflanzen aufgenommen und bei Photosyntheseprozessen verbraucht.

Kohlenstoffatome können aufgrund ihrer Fähigkeit, verschiedene kovalente Bindungen aufzubauen und daraus Ketten und sogar Kreisläufe aufzubauen, eine große Anzahl organischer Substanzen erzeugen. Darüber hinaus ist dieses Element in Verbindung mit Wasserstoff und Stickstoff Teil der Sonnenatmosphäre.

Eigenschaften chemischer Natur

Betrachten wir nun die Struktur und Eigenschaften des Kohlenstoffatoms aus chemischer Sicht.

Es ist wichtig zu wissen, dass Kohlenstoff bei normalen Temperaturen inerte Eigenschaften aufweist, unter dem Einfluss hoher Temperaturen jedoch reduzierende Eigenschaften zeigen kann. Die wichtigsten Oxidationsstufen sind: + - 4, manchmal +2 und auch +3.

Beteiligt sich an Reaktionen mit einer großen Anzahl von Elementen. Kann mit Wasser, Wasserstoff, Halogenen, Alkalimetallen, Säuren, Fluor, Schwefel usw. reagieren.

Die Struktur des Kohlenstoffatoms führt zu einer unglaublich großen Anzahl von Substanzen, die in eine eigene Klasse unterteilt sind. Solche Verbindungen werden als organische Verbindungen bezeichnet und basieren auf C. Dies ist aufgrund der Eigenschaft der Atome dieses Elements möglich, Polymerketten zu bilden. Zu den bekanntesten und umfangreichsten Gruppen zählen Proteine ​​(Proteine), Fette, Kohlenhydrate und Kohlenwasserstoffverbindungen.

Funktionsweise

Aufgrund der einzigartigen Struktur des Kohlenstoffatoms und der damit verbundenen Eigenschaften wird das Element vom Menschen häufig verwendet, beispielsweise bei der Herstellung von Bleistiften und Schmelztiegeln aus Metall – hier wird Graphit verwendet. Diamanten werden als Schleifmittel, Schmuck, Bohrer usw. verwendet.

Auch Pharmakologie und Medizin befassen sich mit der Verwendung von Kohlenstoff in vielfältigen Verbindungen. Dieses Element ist Bestandteil von Stahl, dient als Grundlage für jede organische Substanz, ist am Prozess der Photosynthese beteiligt usw.

Toxizität des Elements

Die Struktur des Atoms des Elements Kohlenstoff deutet auf eine gefährliche Wirkung auf lebende Materie hin. Kohlenstoff gelangt durch die Verbrennung von Kohle in Wärmekraftwerken in die Welt um uns herum, ist Teil der von Autos erzeugten Gase, im Fall von Kohlekonzentrat usw.

Der Anteil an Kohlenstoff in Aerosolen ist hoch, was einen Anstieg der Erkrankungsrate mit sich bringt. Am häufigsten sind die oberen Atemwege und die Lunge betroffen. Einige Krankheiten können als berufsbedingt eingestuft werden, beispielsweise Staubbronchitis und Krankheiten der Pneumokoniose-Gruppe.

14 C ist giftig und die Stärke seines Einflusses wird durch die Strahlungswechselwirkung mit β-Partikeln bestimmt. Dieses Atom ist Teil der Zusammensetzung biologischer Moleküle, einschließlich derjenigen, die in Desoxy- und Ribonukleinsäuren vorkommen. Akzeptable Menge von 14 °C in der Luft Arbeitsbereich der Wert wird mit 1,3 Bq/l angenommen. Die maximale Kohlenstoffmenge, die bei der Atmung in den Körper gelangt, beträgt 3,2*10 8 Bq/Jahr.

Chemische Eigenschaften Kovalenter Radius 197 Uhr Ionenradius 16 (+4 Uhr) 260 (-16 Uhr) Uhr Elektronegativität 2,55 (Pauling-Skala) Oxidationsstufen 4 , 3 , 2, 1 , , , , , -4 Ionisationsenergie
(erstes Elektron) 1085,7 (11,25) kJ/mol (eV) Thermodynamische Eigenschaften einer einfachen Substanz Dichte (bei normalen Bedingungen) 2,25 (Graphit) g/cm³ Schmelztemperatur 3550 °C Siedetemperatur 5003 K; 4830 °C Kritischer Punkt 4130, 12 MPa Molare Wärmekapazität 8,54 (Graphit) J/(K mol) Molares Volumen 5,3 cm³/mol Kristallgitter einer einfachen Substanz Gitterstruktur sechseckig (Graphit), kubisch (Diamant) Gitterparameter a=2,46; c=6,71 (Graphit); a=3,567 (Diamant) Attitüde C/A 2,73 (Graphit) Debye-Temperatur 1860 (Diamant) Andere Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit (300 K) 1,59 W/(m·K) CAS-Nummer 7440-44-0 Emissionsspektrum

Die Fähigkeit von Kohlenstoff, Polymerketten zu bilden, führt zu einer riesigen Klasse kohlenstoffbasierter Verbindungen, den sogenannten organischen Verbindungen, die viel zahlreicher sind als anorganische und Gegenstand der organischen Chemie sind.

Geschichte

An der Wende vom 17. zum 18. Jahrhundert. Es entstand die Phlogiston-Theorie, aufgestellt von Johann Becher und Georg Stahl. Diese Theorie erkannte das Vorhandensein einer besonderen elementaren Substanz in jedem brennbaren Körper an – einer schwerelosen Flüssigkeit – Phlogiston, die während des Verbrennungsprozesses verdampft. Da bei der Verbrennung einer großen Menge Kohle nur wenig Asche zurückbleibt, gingen die Phlogistiker davon aus, dass Kohle fast reines Phlogiston sei. Dies erklärt insbesondere die „phlogistisierende“ Wirkung der Kohle – ihre Fähigkeit, Metalle aus „Kalk“ und Erzen wiederherzustellen. Die späteren Phlogistiker Réaumur, Bergman und andere hatten bereits begonnen zu verstehen, dass Kohle eine elementare Substanz sei. „Saubere Kohle“ wurde jedoch erstmals von Antoine Lavoisier als solche erkannt, der den Verbrennungsprozess von Kohle und anderen Substanzen in Luft und Sauerstoff untersuchte. Im Buch von Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet und Fourcroix „Method chemische Nomenklatur„(1787) erschien der Name „Kohlenstoff“ (carbone) anstelle des französischen „reine Kohle“ (charbone pur). Unter dem gleichen Namen erscheint Kohlenstoff in der „Tabelle einfache Körper„in Lavoisiers Elementary Textbook of Chemistry.

Herkunft des Namens

IN Anfang des 19. Jahrhunderts Jahrhunderte lang wurde in der russischen chemischen Literatur manchmal der Begriff „Kohlenstofflösung“ verwendet (Scherer, 1807; Severgin, 1815); Seit 1824 führte Solowjow den Namen „Kohlenstoff“ ein. Kohlenstoffverbindungen haben einen Namensbestandteil Kohlenhydrate(er)- von lat. carbō (n. Kohlenstoff) "Kohle".

Physikalische Eigenschaften

Kohlenstoff kommt in einer Vielzahl von Allotropen mit sehr unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften vor. Die Vielfalt der Modifikationen ist auf die Fähigkeit des Kohlenstoffs zurückzuführen, chemische Bindungen unterschiedlicher Art einzugehen.

Kohlenstoffisotope

Natürlicher Kohlenstoff besteht aus zwei stabilen Isotopen – 12 C (98,93 %) und 13 C (1,07 %) und einem radioaktiven Isotop 14 C (β-Strahler, T ½ = 5730 Jahre), konzentriert in der Atmosphäre und im oberen Teil der Erde bellen. Es entsteht ständig in den unteren Schichten der Stratosphäre durch den Aufprall von Neutronen aus kosmischer Strahlung auf Stickstoffkerne gemäß der Reaktion: 14 N (n, p) 14 C und seit Mitte der 1950er Jahre auch als ein künstliches Produkt von Kernkraftwerken und als Ergebnis der Erprobung von Wasserstoffbomben.

Allotrope Modifikationen von Kohlenstoff

Kristalliner Kohlenstoff

Amorpher Kohlenstoff

• Fossile Kohle: Anthrazit und fossile Kohle.
• Kohlenkoks, Petrolkoks usw.

In der Praxis handelt es sich bei den oben aufgeführten amorphen Formen in der Regel um chemische Verbindungen mit hohem Kohlenstoffgehalt und nicht um die reine allotrope Form von Kohlenstoff.

Clusterformen

Struktur

Flüssiger Kohlenstoff existiert nur bei einem bestimmten Außendruck. Tripelpunkte: Graphit – Flüssigkeit – Dampf T= 4130 K, R= 10,7 MPa und Graphit – Diamant – Flüssigkeit T≈ 4000 K, R≈ 11 GPa. Gleichgewichtslinie Graphit – Flüssigkeit in der Phase R, T- Das Diagramm weist eine positive Steigung auf, die bei Annäherung an den Tripelpunkt Graphit – Diamant – Flüssigkeit negativ wird, der mit verbunden ist Einzigartige Eigenschaften Kohlenstoffatome erzeugen Kohlenstoffmoleküle, die aus einer unterschiedlichen Anzahl von Atomen (von zwei bis sieben) bestehen. Die Steigung der Diamant-Flüssigkeits-Gleichgewichtslinie, in Ermangelung direkter Experimente im Bereich sehr hoher Temperaturen (>4000-5000 K) und Drücke (>10-20 GPa), lange Jahre wurde als negativ bewertet. Direkte Experimente japanischer Forscher und die Verarbeitung der erhaltenen experimentellen Daten unter Berücksichtigung der anomalen Hochtemperatur-Wärmekapazität von Diamant zeigten, dass die Steigung der Diamant-Flüssigkeits-Gleichgewichtslinie positiv ist, d. h. Diamant ist schwerer als seine Flüssigkeit (in der Schmelze sinkt es und schwimmt nicht wie Eis im Wasser).

Ultradisperse Diamanten (Nanodiamanten)

In den 1980er Jahren wurde in der UdSSR entdeckt, dass sich unter dynamischer Belastung kohlenstoffhaltiger Materialien diamantähnliche Strukturen, sogenannte ultrafeine Diamanten (UDD), bilden können. Derzeit wird zunehmend der Begriff „Nanodiamanten“ verwendet. Die Partikelgröße in solchen Materialien beträgt einige Nanometer. Die Bedingungen für die Bildung von UDD können bei der Detonation von Sprengstoffen mit einer deutlich negativen Sauerstoffbilanz, beispielsweise Mischungen von TNT mit Hexogen, realisiert werden. Solche Bedingungen können auch beim Aufprall von Himmelskörpern auf die Erdoberfläche in Gegenwart kohlenstoffhaltiger Materialien (organische Stoffe, Torf, Kohle usw.) auftreten. So wurden in der Fallzone des Tunguska-Meteoriten UDAs im Waldboden entdeckt.

Karabiner

Die kristalline Modifikation von Kohlenstoff des hexagonalen Systems mit einer Kettenstruktur von Molekülen wird Carbin genannt. Die Ketten haben entweder eine Polyenstruktur (−C≡C−) oder eine Polycumulenstruktur (=C=C=). Es sind mehrere Formen von Carbin bekannt, die sich in der Anzahl der Atome in der Elementarzelle, der Zellgröße und der Dichte (2,68–3,30 g/cm³) unterscheiden. Carbin kommt in der Natur in Form des Minerals Chaoit (weiße Adern und Einschlüsse im Graphit) vor und wird künstlich durch oxidative Dehydropolykondensation von Acetylen, Einwirkung von Laserstrahlung auf Graphit, aus Kohlenwasserstoffen oder CCl 4 in Niedertemperaturplasma gewonnen.

Carbyne ist ein feinkristallines schwarzes Pulver (Dichte 1,9-2 g/cm³) und hat Halbleitereigenschaften. Unter künstlichen Bedingungen aus langen, parallel zueinander angeordneten Ketten von Kohlenstoffatomen gewonnen.

Carbin ist ein lineares Kohlenstoffpolymer. Im Carbinmolekül sind die Kohlenstoffatome abwechselnd entweder durch Dreifach- und Einfachbindungen (Polyenstruktur) oder dauerhaft durch Doppelbindungen (Polycumulenstruktur) in Ketten verbunden. Diese Substanz wurde erstmals Anfang der 1960er Jahre von den sowjetischen Chemikern V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin und Yu. P. Kudryavtsev an der Akademie der Wissenschaften der UdSSR gewonnen. Carbin hat halbleitende Eigenschaften und seine Leitfähigkeit erhöht sich stark, wenn es Licht ausgesetzt wird. Die erste basiert auf dieser Eigenschaft praktischer Nutzen- in Fotozellen.

Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren

Kohlenstoff ist auch in Form von Clusterpartikeln C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 und dergleichen (Fullerene) sowie Graphenen, Nanoröhren usw. bekannt komplexe Strukturen- Astralenov.

Amorpher Kohlenstoff (Struktur)

Die Struktur von amorphem Kohlenstoff basiert auf der ungeordneten Struktur von einkristallinem (immer Verunreinigungen enthaltendem) Graphit. Dies sind Koks, Braun- und Steinkohle, Ruß, Ruß, Aktivkohle.

Graphen

Graphen ist eine zweidimensionale allotrope Modifikation von Kohlenstoff, die aus einer ein Atom dicken Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die durch sp²-Bindungen zu einem hexagonalen zweidimensionalen Kristallgitter verbunden sind.

In der Natur sein

Schätzungen zufolge besteht die Erde als Ganzes aus 730 ppm Kohlenstoff, davon 2000 ppm im Kern und 120 ppm im Mantel und in der Kruste. Da die Masse der Erde 5,972⋅10 24 kg beträgt, bedeutet dies das Vorhandensein von 4360 Millionen Gigatonnen Kohlenstoff.

Die meisten Kohlenstoffverbindungen und vor allem Kohlenwasserstoffe haben eine helle Farbe ausgeprägter Charakter kovalente Verbindungen. Die Stärke einfacher, doppelter und dreifacher Bindungen von C-Atomen untereinander sowie die Fähigkeit, aus C-Atomen stabile Ketten und Zyklen zu bilden, bestimmen die Existenz einer Vielzahl kohlenstoffhaltiger Verbindungen, die in der organischen Chemie untersucht werden. Das Mineral Schungit kommt in der Natur vor und enthält sowohl festen Kohlenstoff (≈25 %) als auch erhebliche Mengen Siliziumoxid (≈35 %). Chemische Eigenschaften Bei normalen Temperaturen ist Kohlenstoff chemisch inert; bei ausreichend hohen Temperaturen verbindet er sich mit vielen Elementen und zeigt stark reduzierende Eigenschaften. Chemische Aktivität verschiedene Formen Kohlenstoff nimmt in der Reihe ab: amorpher Kohlenstoff, Graphit, Diamant; an der Luft entzünden sie sich bei Temperaturen über 300–501 °C, 600–700 °C und 800–1000 °C. Die Oxidationsstufe reicht von −4 bis +4. Elektronenaffinität 1,27 eV; Die Ionisierungsenergie während des sequentiellen Übergangs von C 0 zu C 4+ beträgt 11,2604, 24,383, 47,871 bzw. 64,19 eV. Anorganische Verbindungen Kohlenstoff reagiert mit vielen Elementen. Verbindungen mit Nichtmetallen haben ihre eigenen Namen – Methan, Tetrafluormethan. Die Verbrennungsprodukte von Kohlenstoff sind CO und CO 2 (Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid). Bekannt sind auch das instabile Suboxid Kohlenstoff C 3 O 2 (Schmelzpunkt −111 °C, Siedepunkt 7 °C) und einige andere Oxide (z. B. C 12 O 9, C 5 O 2, C 12 O 12). Graphit und amorpher Kohlenstoff beginnen bei einer Temperatur von 1200 °C mit Wasserstoff zu reagieren, mit Fluor bei 900 °C. Graphit bildet mit Halogenen, Alkalimetallen und anderen Stoffen Einschlussverbindungen. Wenn eine elektrische Entladung zwischen Kohlenstoffelektroden in einer Stickstoffatmosphäre geleitet wird, entsteht Cyan. Bei hohen Temperaturen entsteht durch die Wechselwirkung von Kohlenstoff mit einer Mischung aus H 2 und N 2

Es ist unmöglich, kurz zu beschreiben, was Kohlenstoff ist. Schließlich ist er die Grundlage des Lebens. Dieses Element kommt in allen organischen Verbindungen vor und nur es kann aus Millionen von Atomen DNA-Moleküle bilden. Seine Eigenschaften sind zahlreich, daher lohnt es sich, ausführlicher darüber zu sprechen.

Formel, Notation, Merkmale

Dieses Element befindet sich in der Tabelle unten Seriennummer sechs, gekennzeichnet durch das Symbol „C“. Die elektronische Strukturformel von Kohlenstoff sieht so aus auf die folgende Weise: 1s 2 2s 2 2p 2 . Seine Masse beträgt 12,0107 amu. Dieser Stoff hat:

• Zwei ungepaarte Elektronen im Grundzustand. Zeigt die Wertigkeit II.
• Vier ungepaarte Elektronen in einem angeregten Zustand. Zeigt die Wertigkeit IV.

Dabei ist zu beachten, dass in der Erdkruste eine gewisse Masse Kohlenstoff enthalten ist. 0,023 % um genau zu sein. Es reichert sich hauptsächlich im oberen Teil, in der Biosphäre, an. Der größte Teil der Kohlenstoffmasse der Lithosphäre reichert sich in Dolomiten und Kalksteinen in Form von Karbonaten an.

physikalische Eigenschaften

Was ist also Kohlenstoff? Dies ist eine Substanz, die in einer Vielzahl allotroper Modifikationen existiert und deren physikalische Eigenschaften lange aufgezählt werden können. Und die Vielfalt der Stoffe wird durch die Fähigkeit des Kohlenstoffs bestimmt, chemische Bindungen unterschiedlicher Art einzugehen.

Wie sieht es mit den Eigenschaften von Kohlenstoff als einfacher Substanz aus? Sie lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Bei normale Bedingungen Die Dichte beträgt 2,25 g/cm³.
• Der Siedepunkt liegt bei 3506,85 °C.
• Molare Wärmekapazität – 8,54 J/(K.mol).
• Die kritische Temperatur des Phasenübergangs (wenn das Gas bei keinem Druck kondensiert) beträgt 4130 K, 12 MPa.
• Molvolumen 5,3 cm³/mol.

Es lohnt sich auch, Carbon-Modifikationen aufzulisten.

Die bekanntesten kristallinen Substanzen sind: Diamant, Carbin, Graphit, Nanodiamant, Fullerit, Lonsdaleit, Fulleren und Kohlenstofffasern.

Zu den amorphen Formationen gehören: Holz, fossiler und aktivierter Kohlenstoff, Anthrazit, Koks, Glaskohlenstoff, Ruß, Ruß und Nanoschaum.

Aber keines der oben genannten ist eine reine allotrope Form der diskutierten Substanz. Es ist nur Chemische Komponenten, in dem Kohlenstoff in hoher Konzentration enthalten ist.

Struktur

Interessanterweise sind die Elektronenorbitale des Kohlenstoffatoms nicht gleich. Sie haben unterschiedliche Geometrien. Es hängt alles vom Grad der Hybridisierung ab. Es gibt drei gängigste Geometrien:

• Tetraeder. Es entsteht, wenn sich drei p-Elektronen und ein s-Elektron vermischen. Diese Kohlenstoffatomgeometrie wird in Lonsdaleit und Diamant beobachtet. Methan und andere Kohlenwasserstoffe haben eine ähnliche Struktur.
• Trigonal. Diese Geometrie entsteht durch die Mischung zweier p-Elektronen- und eines s-Elektronenorbitals. Ein weiteres p-Element nimmt nicht an der Hybridisierung teil, ist aber an der Bildung von π-Bindungen mit anderen Atomen beteiligt. Diese Struktur ist charakteristisch für Phenol, Graphit und andere Modifikationen.
• Digonal. Diese Struktur entsteht durch die Vermischung von s- und p-Elektronen (einzeln). Interessanterweise sehen Elektronenwolken aus wie asymmetrische Hanteln. Sie sind in diese Richtung gestreckt. Zwei weitere p-Elektronen bilden die berüchtigten π-Bindungen. Diese Geometrie ist typisch für Carbin.

Vor nicht allzu langer Zeit, im Jahr 2010, entdeckten Wissenschaftler der Universität Nottingham eine Verbindung, in der sich vier Atome in derselben Ebene befanden. Sein Name ist Monomeres Dilithiomethandium.

Moleküle

Sie sind gesondert erwähnenswert. Atome der betrachteten Substanz können sich verbinden, wodurch komplexe Kohlenstoffmoleküle entstehen. Sie unterscheiden sich von gesättigtem Na, C 2 und H 2, zwischen denen die Anziehung zu schwach ist, durch ihre Tendenz, zu einem festen Zustand zu kondensieren. Kohlenstoffmoleküle können nur dann in gasförmigem Zustand bleiben, wenn die Temperatur hoch gehalten wird. Andernfalls härtet die Substanz sofort aus.

Vor einiger Zeit wurde in den USA am Berkeley National Laboratory eine neue Form von festem Kohlenstoff synthetisiert. Das ist C36. Und sein Molekül besteht aus 36 Kohlenstoffatomen. Die Substanz entsteht zusammen mit C60-Fullerenen. Dies geschieht zwischen zwei Graphitelektroden unter den Bedingungen einer Bogenentladungsflamme. Wissenschaftler vermuten, dass die Moleküle der neuen Substanz interessante chemisch-elektrische Eigenschaften haben, die noch nicht untersucht wurden.

Graphit

Jetzt können wir ausführlicher über die bekanntesten Modifikationen eines Stoffes wie Kohlenstoff sprechen.

Graphit ist ein einheimisches Mineral mit einer Schichtstruktur. Hier sind seine Funktionen:

• Es leitet den Strom sehr gut.
• Aufgrund seiner geringen Härte ist es ein relativ weicher Stoff.
• Beim Erhitzen unter Luftabschluss zeigt es Stabilität.
• Schmilzt nicht.
• Fühlt sich fettig und rutschig an.
• Naturgraphit enthält 10-12 % Verunreinigungen. In der Regel handelt es sich dabei um Eisen- und Tonoxide.

Wenn wir über chemische Eigenschaften sprechen, ist es erwähnenswert, dass dieser Stoff mit Salzen und Alkalimetallen sogenannte Einschlussverbindungen bildet. Graphit reagiert bei hohen Temperaturen auch mit Sauerstoff und verbrennt zu Kohlendioxid. Der Kontakt mit nicht oxidierenden Säuren führt jedoch zu keinem Ergebnis – dieser Stoff löst sich darin einfach nicht auf.

Graphit wird am häufigsten verwendet verschiedene Bereiche. Es wird bei der Herstellung von Auskleidungsplatten und Schmelztiegeln sowie bei der Herstellung von Heizelementen und Elektroden verwendet. Ohne die Beteiligung von Graphit ist es unmöglich, synthetische Diamanten zu gewinnen. Es spielt auch die Rolle eines Neutronenmoderators in Kernreaktoren. Und natürlich werden daraus durch Mischen mit Kaolin Bleistiftminen hergestellt. Und das ist nur ein Teil der Einsatzgebiete.

Diamant

Es handelt sich um ein metastabiles Mineral, das aufgrund der Festigkeit und Dichte des Kohlenstoffs unbegrenzt existieren kann. Diamant ist die härteste Substanz auf der Mohs-Skala und schneidet Glas leicht.

Es verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, Dispersion und einen hohen Brechungsindex. Es ist verschleißfest und um es zum Schmelzen zu bringen, sind eine Temperatur von 4000 °C und ein Druck von etwa 11 GPa erforderlich. Seine Besonderheit ist die Lumineszenz, die Fähigkeit, in verschiedenen Farben zu leuchten.

Dies ist eine seltene, wenn auch häufige Substanz. Das Alter von Mineralien kann bestimmten Studien zufolge zwischen 100 Millionen und 2,5 Milliarden Jahren liegen. Es wurden Diamanten außerirdischen Ursprungs, vielleicht sogar präsolarem Ursprung, entdeckt.

Dieses Mineral hat seine Anwendung in Schmuck gefunden. Ein geschliffener Diamant, auch Diamant genannt, ist teuer, aber sein kostbarer Status und seine Schönheit haben ihn noch beliebter gemacht. Dieser Stoff wird übrigens auch bei der Herstellung von Fräsern, Bohrern, Messern etc. verwendet. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte wird das Mineral in vielen Branchen eingesetzt.

Karabiner

Um das Thema Kohlenstoff fortzusetzen, müssen wir ein paar Worte zu seiner Modifikation sagen, beispielsweise zu Carbin. Es sieht aus wie ein schwarzes, feinkristallines Pulver und hat halbleitende Eigenschaften. Es wurde Anfang der 60er Jahre von sowjetischen Wissenschaftlern künstlich gewonnen.

Die Besonderheit dieses Stoffes besteht darin, dass seine Leitfähigkeit unter Lichteinfluss zunimmt. Aus diesem Grund begann man, es in Photovoltaikzellen einzusetzen.

Graphen

Dies ist der weltweit erste zweidimensionale Kristall. Diese Modifikation weist eine größere mechanische Steifigkeit als Graphit und eine rekordverdächtige Wärmeleitfähigkeit von ~5,10 3 W.m−1.K− auf. Die Ladungsträger von Graphen verfügen über eine hohe Mobilität, weshalb der Stoff Aussicht auf einen Einsatz in verschiedenen Anwendungen hat. Es wird angenommen, dass es die zukünftige Grundlage der Nanoelektronik werden und sogar Silizium in integrierten Schaltkreisen ersetzen könnte.

Graphen wird in wissenschaftlichen Labors künstlich hergestellt. Dazu ist es notwendig, auf die mechanische Ablösung von Graphitschichten von einem hochorientierten Stoff zurückzugreifen. So werden Proben gewonnen Gute Qualität mit der notwendigen Mobilität der Träger.

Seine Eigenschaften sind noch nicht vollständig untersucht, aber Wissenschaftler haben bereits etwas Interessantes festgestellt. Beispielsweise gibt es in Graphen keine Winger-Kristallisation. Und in einer Doppelschicht aus Materie ähnelt das Verhalten der Elektronen dieser Eigenschaft Flüssigkristalle. Wenn die Spaltungsparameter am Kristall beobachtet werden, ist es möglich, eine kastenförmige Graphen-Nanostruktur zu erhalten.

Toxizität

Dieses Thema ist am Ende der Geschichte darüber, was Kohlenstoff ist, erwähnenswert. Tatsache ist, dass dieser Stoff zusammen mit Autoabgasen in die Atmosphäre gelangt. Und auch bei der Kohleverbrennung, der unterirdischen Vergasung und vielen anderen Prozessen.

Erhöhte Konzentrationen dieses Stoffes in der Luft führen zu einem Anstieg der Zahl von Krankheiten. Dies gilt insbesondere für die Lunge und die oberen Atemwege. Und die toxische Wirkung beruht auf der Wechselwirkung radioaktiver Strahlung mit β-Partikeln, die dazu führt, dass sich die chemische Zusammensetzung des Moleküls und auch die Eigenschaften des Stoffes ändern.

Kohlenstoff ist in der Lage, mehrere allotrope Modifikationen zu bilden. Dies sind Diamant (die inertste allotrope Modifikation), Graphit, Fulleren und Carbin.

Holzkohle und Ruß sind amorpher Kohlenstoff. Kohlenstoff hat in diesem Zustand keine geordnete Struktur und besteht tatsächlich aus winzigen Fragmenten von Graphitschichten. Mit heißem Wasserdampf behandelter amorpher Kohlenstoff wird Aktivkohle genannt. 1 Gramm Aktivkohle hat aufgrund der vielen Poren eine Gesamtoberfläche von mehr als dreihundert Quadratmeter! Dank seiner Fähigkeit zu absorbieren verschiedene Substanzen Aktivkohle wird häufig als Filterfüller sowie als Enterosorbens bei verschiedenen Arten von Vergiftungen verwendet.

Aus chemischer Sicht ist amorpher Kohlenstoff seine aktivste Form, Graphit weist eine mäßige Aktivität auf und Diamant ist ein äußerst inerter Stoff. Aus diesem Grund wird unten diskutiert Chemische Eigenschaften Kohlenstoff sollte in erster Linie als amorpher Kohlenstoff klassifiziert werden.

Reduzierende Eigenschaften von Kohlenstoff

Als Reduktionsmittel reagiert Kohlenstoff mit Nichtmetallen wie Sauerstoff, Halogenen und Schwefel.

Je nach Sauerstoffüberschuss oder -mangel bei der Kohleverbrennung kommt es zur Bildung von Kohlenmonoxid CO oder Kohlendioxid CO 2:

Wenn Kohlenstoff mit Fluor reagiert, entsteht Kohlenstofftetrafluorid:

Beim Erhitzen von Kohlenstoff mit Schwefel entsteht Schwefelkohlenstoff CS 2:

Kohlenstoff ist in der Lage, Metalle nach Aluminium in der Aktivitätsreihe aus ihren Oxiden zu reduzieren. Zum Beispiel:

Kohlenstoff reagiert auch mit Oxiden aktiver Metalle, allerdings wird in diesem Fall in der Regel nicht die Reduktion des Metalls beobachtet, sondern die Bildung seines Karbids:

Wechselwirkung von Kohlenstoff mit Nichtmetalloxiden

Kohlenstoff geht mit Kohlenstoff eine Coproportionierungsreaktion ein Kohlendioxid CO2:

Einer der wichtigsten Prozesse aus industrieller Sicht ist der sogenannte Umwandlung von Kraftwerkskohle. Der Prozess wird durchgeführt, indem Wasserdampf durch heiße Kohle geleitet wird. Es kommt zu folgender Reaktion:

Bei hohen Temperaturen ist Kohlenstoff in der Lage, sogar eine so inerte Verbindung wie Siliziumdioxid zu reduzieren. In diesem Fall ist je nach Bedingungen die Bildung von Silizium oder Siliziumkarbid möglich ( Karborund):

Außerdem reagiert Kohlenstoff als Reduktionsmittel mit oxidierenden Säuren, insbesondere konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure:

Oxidative Eigenschaften von Kohlenstoff

Das chemische Element Kohlenstoff ist nicht stark elektronegativ, daher zeigen die einfachen Stoffe, die es bildet, selten oxidierende Eigenschaften gegenüber anderen Nichtmetallen.

Ein Beispiel für solche Reaktionen ist die Wechselwirkung von amorphem Kohlenstoff mit Wasserstoff beim Erhitzen in Gegenwart eines Katalysators:

und auch mit Silizium bei einer Temperatur von 1200-1300 o C:

Kohlenstoff weist gegenüber Metallen oxidierende Eigenschaften auf. Kohlenstoff ist in der Lage, mit aktiven Metallen und einigen Metallen mittlerer Aktivität zu reagieren. Beim Erhitzen treten folgende Reaktionen auf:

Aktive Metallkarbide werden durch Wasser hydrolysiert: sowie Lösungen nichtoxidierender Säuren: Dabei entstehen Kohlenwasserstoffe, die Kohlenstoff in der gleichen Oxidationsstufe enthalten wie das ursprüngliche Karbid.

Chemische Eigenschaften von Silizium

Silizium kann wie Kohlenstoff in einem kristallinen und amorphen Zustand vorliegen und wie im Fall von Kohlenstoff ist amorphes Silizium chemisch deutlich aktiver als kristallines Silizium.

Manchmal werden amorphes und kristallines Silizium als allotrope Modifikationen bezeichnet, was streng genommen nicht ganz stimmt. Amorphes Silizium ist im Wesentlichen ein Konglomerat aus zufällig zueinander angeordneten Elementen winzige Partikel kristallines Silizium.

Wechselwirkung von Silizium mit einfachen Stoffen

Nichtmetalle

Bei normale Bedingungen Silizium reagiert aufgrund seiner Trägheit nur mit Fluor:

Silizium reagiert nur beim Erhitzen mit Chlor, Brom und Jod. Charakteristisch ist, dass je nach Aktivität des Halogens eine entsprechend unterschiedliche Temperatur erforderlich ist:

Bei Chlor findet die Reaktion also bei 340–420 °C statt:

Mit Brom – 620-700 o C:

Mit Jod – 750-810 o C:

Die Reaktion von Silizium mit Sauerstoff findet statt, erfordert jedoch eine sehr starke Erwärmung (1200–1300 °C), da der starke Oxidfilm die Wechselwirkung erschwert:

Bei einer Temperatur von 1200–1500 °C interagiert Silizium langsam mit Kohlenstoff in Form von Graphit und bildet Carborundum SiC – eine Substanz mit einem atomaren Kristallgitter, das dem Diamanten ähnelt und diesem in der Festigkeit fast nicht nachsteht:

Silizium reagiert nicht mit Wasserstoff.

Metalle

Aufgrund seiner geringen Elektronegativität kann Silizium nur gegenüber Metallen oxidierende Eigenschaften aufweisen. Von den Metallen reagiert Silizium mit aktiven (Alkali- und Erdalkalimetallen) sowie vielen Metallen mit mittlerer Aktivität. Durch diese Wechselwirkung entstehen Silizide:

Wechselwirkung von Silizium mit komplexen Substanzen

Silizium reagiert selbst beim Kochen nicht mit Wasser, jedoch interagiert amorphes Silizium mit überhitztem Wasserdampf bei einer Temperatur von etwa 400–500 °C. Dabei entstehen Wasserstoff und Siliziumdioxid:

Von allen Säuren reagiert Silizium (in amorphem Zustand) nur mit konzentrierter Flusssäure:

Silizium löst sich in konzentrierten Alkalilösungen. Die Reaktion geht mit der Freisetzung von Wasserstoff einher.

Kohlenstoff(lat. Carboneum), C, chemisches Element der Gruppe IV des Periodensystems von Mendelejew, Ordnungszahl 6, Atommasse 12.011. Es sind zwei stabile Isotope bekannt: 12 C (98,892 %) und 13 C (1,108 %). Von den radioaktiven Isotopen ist 14 C das wichtigste mit einer Halbwertszeit (T ½ = 5,6 · 10 3 Jahre). Unter dem Einfluss kosmischer Strahlungsneutronen auf das Stickstoffisotop 14 N werden in den oberen Schichten der Atmosphäre ständig geringe Mengen 14 C (ca. 2·10 -10 Masse-%) gebildet. Die spezifische Aktivität des 14 C-Isotops in Rückständen Zur Bestimmung des Alters wird auf biogenen Ursprungs zurückgegriffen. 14 C wird häufig als Isotopen-Tracer verwendet.

Historische Referenz. Kohlenstoff ist seit der Antike bekannt. Holzkohle diente zur Wiederherstellung von Metallen aus Erzen, Diamanten usw Edelstein. Viel später begann man, Graphit zur Herstellung von Tiegeln und Bleistiften zu verwenden.

Im Jahr 1778 entdeckte K. Scheele beim Erhitzen von Graphit mit Salpeter, dass dabei wie beim Erhitzen von Kohle mit Salpeter Kohlendioxid freigesetzt wird. Chemische Zusammensetzung Diamant entstand als Ergebnis der Experimente von A. Lavoisier (1772) zur Untersuchung der Verbrennung von Diamant in Luft und der Studien von S. Tennant (1797), der bewies, dass gleiche Mengen Diamant und Kohle gleiche Mengen Kohlendioxid erzeugen während der Oxidation. Kohlenstoff wurde erkannt Chemisches Element im Jahr 1789 von Lavoisier. Carbon erhielt seinen lateinischen Namen Carboneum von carbo – Kohle.

Verteilung von Kohlenstoff in der Natur. Der durchschnittliche Kohlenstoffgehalt in der Erdkruste beträgt 2,3 · 10 -2 Massen-% (1 · 10 -2 in ultrabasischen, 1 · 10 -2 in basischen, 2 · 10 -2 in mittleren, 3 · 10 -2 in sauren Gesteinen). Kohlenstoff reichert sich im oberen Teil der Erdkruste (Biosphäre) an: in lebender Materie 18 % Kohlenstoff, Holz 50 %, Kohle 80 %, Öl 85 %, Anthrazit 96 %. Ein erheblicher Teil des Kohlenstoffs in der Lithosphäre ist in Kalksteinen und Dolomiten konzentriert.

Die Anzahl der kohlenstoffeigenen Mineralien beträgt 112; außergewöhnlich große Zahl organische Verbindungen Kohlenstoff – Kohlenwasserstoffe und ihre Derivate.

Die Anreicherung von Kohlenstoff in der Erdkruste ist mit der Ansammlung vieler anderer Elemente verbunden, die von organischem Material sorbiert und in Form von unlöslichen Carbonaten usw. ausgefällt werden. CO 2 und Kohlensäure spielen in der Erdkruste eine wichtige geochemische Rolle. Beim Vulkanismus wird eine große Menge CO 2 freigesetzt – in der Erdgeschichte war dies die Hauptkohlenstoffquelle für die Biosphäre.

Verglichen mit dem durchschnittlichen Gehalt in der Erdkruste entzieht die Menschheit dem Untergrund außergewöhnlich große Mengen Kohlenstoff (Kohle, Öl, Erdgas), da diese Fossilien die Hauptenergiequelle sind.

Der Kohlenstoffkreislauf ist von großer geochemischer Bedeutung.

Kohlenstoff ist auch im Weltraum weit verbreitet; Auf der Sonne liegt es an vierter Stelle nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff.

Physikalische Eigenschaften von Kohlenstoff. Es sind mehrere kristalline Modifikationen von Kohlenstoff bekannt: Graphit, Diamant, Carbin, Lonsdaleit und andere. Graphit ist eine grauschwarze, undurchsichtige, sich fettig anfühlende, schuppige, sehr weiche Masse mit metallischem Glanz. Konstruiert aus Kristallen mit hexagonaler Struktur: a = 2,462 Å, c = 6,701 Å. Bei Zimmertemperatur und Normaldruck (0,1 MN/m2 oder 1 kgf/cm2) Graphit ist thermodynamisch stabil. Diamant ist sehr hart kristalline Substanz. Die Kristalle haben ein kubisch flächenzentriertes Gitter: a = 3,560 Å. Bei Raumtemperatur und Normaldruck ist Diamant metastabil. Eine merkliche Umwandlung von Diamant in Graphit wird bei Temperaturen über 1400 °C im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre beobachtet. Bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von etwa 3700 °C sublimiert Graphit. Flüssiger Kohlenstoff kann bei Drücken über 10,5 Mn/m2 (105 kgf/cm2) und Temperaturen über 3700 °C gewonnen werden. Fester Kohlenstoff (Koks, Ruß, Holzkohle) zeichnet sich auch durch einen Zustand mit ungeordneter Struktur aus – den sogenannten „amorphen“ Kohlenstoff, der keine eigenständige Modifikation darstellt; Seine Struktur basiert auf der Struktur von feinkristallinem Graphit. Das Erhitzen einiger Arten von „amorphem“ Kohlenstoff auf über 1500–1600 °C ohne Zugang zu Luft führt zu ihrer Umwandlung in Graphit. Physikalische Eigenschaften„amorpher“ Kohlenstoff hängt stark von der Partikelverteilung und dem Vorhandensein von Verunreinigungen ab. Die Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit von „amorphem“ Kohlenstoff sind immer höher als die von Graphit. Carbin wird künstlich gewonnen. Es handelt sich um ein feinkristallines schwarzes Pulver (Dichte 1,9-2 g/cm3). Hergestellt aus langen Ketten parallel zueinander angeordneter C-Atome. Lonsdaleit kommt in Meteoriten vor und wird künstlich gewonnen.

Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff. Externe Konfiguration Elektronenhülle Kohlenstoffatom 2s 2 2p 2. Kohlenstoff zeichnet sich durch die Bildung von vier kovalenten Bindungen aufgrund der Anregung der äußeren Elektronenhülle in den 2sp 3 -Zustand aus. Daher ist Kohlenstoff gleichermaßen in der Lage, Elektronen anzuziehen und abzugeben. Die chemische Bindung kann durch sp 3 -, sp 2 - und sp-Hybridorbitale erfolgen, die den Koordinationszahlen 4, 3 und 2 entsprechen. Die Anzahl der Valenzelektronen von Kohlenstoff und die Anzahl der Valenzorbitale sind gleich; Dies ist einer der Gründe für die Stabilität der Bindung zwischen Kohlenstoffatomen.

Die einzigartige Fähigkeit von Kohlenstoffatomen, sich untereinander zu starken und langen Ketten und Zyklen zu verbinden, hat zur Entstehung einer großen Anzahl unterschiedlicher Kohlenstoffverbindungen geführt, die untersucht werden organische Chemie.

In Verbindungen weist Kohlenstoff eine Oxidationsstufe von -4 auf; +2; +4. Atomradius 0,77 Å, kovalente Radien 0,77 Å, 0,67 Å bzw. 0,60 Å in Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen; Ionenradius C 4- 2,60 Å, C 4+ 0,20 Å. Unter normalen Bedingungen ist Kohlenstoff chemisch inert; bei hohen Temperaturen verbindet er sich mit vielen Elementen und zeigt stark reduzierende Eigenschaften. Die chemische Aktivität nimmt in der folgenden Reihenfolge ab: „amorpher“ Kohlenstoff, Graphit, Diamant; Die Wechselwirkung mit Luftsauerstoff (Verbrennung) erfolgt bei Temperaturen über 300–500 °C, 600–700 °C bzw. 850–1000 °C unter Bildung von Kohlenmonoxid (IV) CO 2 und Kohlenmonoxid (II) CO.

CO 2 löst sich in Wasser unter Bildung von Kohlensäure. 1906 erhielt O. Diels Kohlenstoffsuboxid C 3 O 2. Alle Formen von Kohlenstoff sind beständig gegen Laugen und Säuren und werden nur durch sehr starke Oxidationsmittel (Chrommischung, eine Mischung aus konzentrierter HNO 3 und KClO 3 und andere) langsam oxidiert. „Amorpher“ Kohlenstoff reagiert bei Raumtemperatur mit Fluor, Graphit und Diamant – beim Erhitzen. Die direkte Verbindung von Kohlenstoff mit Chlor erfolgt im Lichtbogen; Kohlenstoff reagiert nicht mit Brom und Jod, daher werden zahlreiche Kohlenstoffhalogenide indirekt synthetisiert. Aus Oxyhalogeniden allgemeine Formel COX 2 (wobei X ein Halogen ist), das bekannteste ist Chloroxid COCl (Phosgen). Wasserstoff interagiert nicht mit Diamant; es reagiert mit Graphit und „amorphem“ Kohlenstoff bei hohen Temperaturen in Gegenwart von Katalysatoren (Ni, Pt): Bei 600-1000 °C entsteht hauptsächlich Methan CH 4, bei 1500-2000 °C - Acetylen C 2 H 2; In den Produkten können auch andere Kohlenwasserstoffe enthalten sein, beispielsweise Ethan C 2 H 6, Benzol C 6 H 6. Die Wechselwirkung von Schwefel mit „amorphem“ Kohlenstoff und Graphit beginnt bei 700–800 °C, bei Diamant bei 900–1000 °C; in allen Fällen entsteht Schwefelkohlenstoff CS 2. Andere schwefelhaltige Kohlenstoffverbindungen (CS-Thioxid, C 3 S 2-Thionoxid, COS-Schwefeloxid und Thiophosgen CSCl 2) werden indirekt gewonnen. Bei der Wechselwirkung von CS 2 mit Metallsulfiden entstehen Thiocarbonate – Salze schwacher Thiocarbonsäure. Die Wechselwirkung von Kohlenstoff mit Stickstoff zur Bildung von Cyan (CN) 2 erfolgt, wenn eine elektrische Entladung zwischen Kohlenstoffelektroden in einer Stickstoffatmosphäre geleitet wird. Unter den stickstoffhaltigen Verbindungen ist Kohlenstoff wichtig praktische Bedeutung haben Blausäure HCN (Blausäure) und ihre zahlreichen Derivate: Cyanide, Halocyanine, Nitrile und andere. Bei Temperaturen über 1000 ° C reagiert Kohlenstoff mit vielen Metallen zu Karbiden. Alle Formen von Kohlenstoff reduzieren beim Erhitzen Metalloxide unter Bildung freier Metalle (Zn, Cd, Cu, Pb und andere) oder Karbide (CaC 2, Mo 2 C, WC, TaC und andere). Kohlenstoff reagiert bei Temperaturen über 600-800 °C mit Wasserdampf und Kohlendioxid (Brennstoffvergasung). Besonderheit Graphit ist die Fähigkeit, bei mäßiger Erwärmung auf 300–400 °C mit Graphit zu interagieren Alkali Metalle und Halogenide unter Bildung von Einschlussverbindungen vom Typ C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (wobei X ein Halogen und Me ein Metall ist). Bekannt sind Verbindungen von Graphiteinschlüssen mit HNO 3, H 2 SO 4, FeCl 3 und anderen (zum Beispiel Graphitbisulfat C 24 SO 4 H 2). Alle Formen von Kohlenstoff sind in gewöhnlichen anorganischen und organischen Lösungsmitteln unlöslich, in einigen geschmolzenen Metallen (z. B. Fe, Ni, Co) jedoch löslich.

Die volkswirtschaftliche Bedeutung von Kohlenstoff wird durch die Tatsache bestimmt, dass über 90 % aller weltweit verbrauchten Primärenergiequellen aus fossilen Brennstoffen stammen, deren dominierende Rolle trotz intensiver Entwicklung auch in den kommenden Jahrzehnten bestehen bleiben wird Atomkraft. Nur etwa 10 % des geförderten Brennstoffs werden als Rohstoff für die organische Grundsynthese und petrochemische Synthese, für die Herstellung von Kunststoffen und anderen verwendet.

Kohlenstoff im Körper. Kohlenstoff ist das wichtigste biogene Element, das die Grundlage des Lebens auf der Erde bildet, eine Struktureinheit einer Vielzahl organischer Verbindungen, die am Aufbau von Organismen beteiligt sind und deren lebenswichtige Funktionen sicherstellen (Biopolymere sowie zahlreiche niedermolekulare biologisch aktive Substanzen). - Vitamine, Hormone, Mediatoren und andere). Ein erheblicher Teil der für Organismen notwendigen Energie wird in Zellen durch die Oxidation von Kohlenstoff gebildet. Die Entstehung des Lebens auf der Erde wird in betrachtet moderne Wissenschaft als komplexer Prozess der Evolution von Kohlenstoffverbindungen.

Die einzigartige Rolle von Kohlenstoff in der belebten Natur beruht auf seinen Eigenschaften, die insgesamt kein anderes Element des Periodensystems besitzt. Zwischen Kohlenstoffatomen sowie zwischen Kohlenstoff und anderen Elementen werden starke chemische Bindungen gebildet, die jedoch unter relativ milden physiologischen Bedingungen aufgebrochen werden können (diese Bindungen können einfach, doppelt und dreifach sein). Die Fähigkeit von Kohlenstoff, mit anderen Kohlenstoffatomen vier äquivalente Valenzbindungen zu bilden, bietet die Möglichkeit für den Aufbau von Kohlenstoffgerüsten verschiedene Arten- linear, verzweigt, zyklisch. Bezeichnend ist, dass nur drei Elemente – C, O und H – 98 % der Gesamtmasse lebender Organismen ausmachen. Dadurch wird eine gewisse Effizienz in der belebten Natur erreicht: Bei einer nahezu unbegrenzten strukturellen Vielfalt an Kohlenstoffverbindungen und einer geringen Anzahl chemischer Bindungsarten ist es möglich, die Anzahl der für den Abbau und die Synthese organischer Stoffe erforderlichen Enzyme deutlich zu reduzieren. Die Strukturmerkmale des Kohlenstoffatoms liegen zugrunde verschiedene Arten Isomerie organischer Verbindungen (die Fähigkeit zur optischen Isomerie erwies sich als entscheidend für die biochemische Entwicklung von Aminosäuren, Kohlenhydraten und einigen Alkaloiden).

Nach der allgemein anerkannten Hypothese von A. I. Oparin waren die ersten organischen Verbindungen auf der Erde abiogenen Ursprungs. Die Kohlenstoffquellen waren Methan (CH 4) und Blausäure (HCN), die in der Primäratmosphäre der Erde enthalten sind. Mit der Entstehung des Lebens, der einzigen Quelle anorganischer Kohlenstoff, aufgrund dessen alle organischen Stoffe der Biosphäre gebildet werden, ist Kohlenmonoxid (IV) (CO 2), das sich in der Atmosphäre befindet und darin gelöst ist natürliche Gewässer in Form von NSO 3. Der stärkste Mechanismus zur Aufnahme (Assimilation) von Kohlenstoff (in Form von CO 2) – die Photosynthese – wird überall von grünen Pflanzen durchgeführt (jährlich werden etwa 100 Milliarden Tonnen CO 2 aufgenommen). Auf der Erde gibt es evolutionär gesehen mehr alter Weg CO 2 -Assimilation durch Chemosynthese; In diesem Fall nutzen chemosynthetische Mikroorganismen nicht die Strahlungsenergie der Sonne, sondern die Oxidationsenergie anorganischer Verbindungen. Die meisten Tiere nehmen Kohlenstoff mit der Nahrung in Form fertiger organischer Verbindungen auf. Abhängig von der Art der Assimilation organischer Verbindungen wird üblicherweise zwischen autotrophen und heterotrophen Organismen unterschieden. Anwendung für die Proteinbiosynthese und andere Nährstoffe Mikroorganismen, die Erdölkohlenwasserstoffe als einzige Kohlenstoffquelle nutzen, ist eines der wichtigen modernen wissenschaftlichen und technischen Probleme.

Der Kohlenstoffgehalt in lebenden Organismen, berechnet auf Trockenmassebasis, beträgt: 34,5-40 % Wasserpflanzen und Tiere, 45,4–46,5 % bei Landpflanzen und Tieren und 54 % bei Bakterien. Während der Lebensaktivität von Organismen, hauptsächlich aufgrund der Gewebeatmung, kommt es zu einem oxidativen Abbau organischer Verbindungen unter Freisetzung von Außenumgebung CO2. Kohlenstoff wird auch als Teil komplexerer Stoffwechselendprodukte freigesetzt. Nach dem Absterben von Tieren und Pflanzen wird ein Teil des Kohlenstoffs durch Zerfallsprozesse von Mikroorganismen wieder in CO 2 umgewandelt. So läuft der Kohlenstoffkreislauf in der Natur ab. Ein erheblicher Teil des Kohlenstoffs ist mineralisiert und bildet Ablagerungen fossilen Kohlenstoffs: Kohle, Öl, Kalkstein und andere. Neben der Hauptfunktion – einer Kohlenstoffquelle – trägt CO 2, gelöst in natürlichen Gewässern und biologischen Flüssigkeiten, dazu bei, den für Lebensprozesse optimalen Säuregehalt der Umwelt aufrechtzuerhalten. Als Teil von CaCO 3 bildet Kohlenstoff das Exoskelett vieler Wirbelloser (z. B. Muschelschalen) und kommt auch in Korallen vor. Eierschalen Vögel und andere Kohlenstoffverbindungen wie HCN, CO, CCl 4, die in der präbiologischen Zeit in der Primäratmosphäre der Erde vorherrschten, verwandelten sich später im Prozess der biologischen Evolution in starke Antimetaboliten des Stoffwechsels.

Neben den stabilen Kohlenstoffisotopen ist radioaktives 14 C in der Natur weit verbreitet (der menschliche Körper enthält etwa 0,1 Mikrocurie). Die Verwendung von Kohlenstoffisotopen in der biologischen und medizinischen Forschung ist mit vielen großen Errungenschaften bei der Erforschung des Stoffwechsels und des Kohlenstoffkreislaufs in der Natur verbunden. So wurde mit Hilfe einer Radiokohlenstoffmarkierung die Möglichkeit der Fixierung von H 14 CO 3 - durch Pflanzen- und Tiergewebe nachgewiesen, die Abfolge von Photosynthesereaktionen ermittelt, der Stoffwechsel von Aminosäuren untersucht und die Biosynthesewege vieler biologisch aktiver Substanzen untersucht Verbindungen wurden verfolgt usw. Die Verwendung von 14 C trug zum Erfolg der Molekularbiologie bei der Untersuchung der Mechanismen der Proteinbiosynthese und -übertragung bei erbliche Informationen. Die Bestimmung der spezifischen Aktivität von 14 C in kohlenstoffhaltigen organischen Rückständen ermöglicht eine Altersbeurteilung, die in der Paläontologie und Archäologie verwendet wird.