Quelle substance est le carbone ? États de valence de l'atome de carbone
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Dans cet article, nous examinerons un élément qui fait partie du tableau périodique D.I. Mendeleev, à savoir le carbone. Dans la nomenclature moderne, il est désigné par le symbole C, fait partie du quatorzième groupe et est un « participant » de la deuxième période, possède le sixième numéro d'ordre et son a.u.m. = 12,0107.
Les orbitales atomiques et leur hybridation
Commençons par examiner le carbone avec ses orbitales et leur hybridation - ses principales caractéristiques, grâce auxquelles il étonne encore les scientifiques du monde entier. Quelle est leur structure ?
L'hybridation de l'atome de carbone est organisée de telle manière que les électrons de valence occupent des positions sur trois orbitales, à savoir : un dans l'orbitale 2s et deux dans les orbitales 2p. Les deux dernières des trois orbitales forment un angle de 90 degrés l’une par rapport à l’autre et l’orbitale 2s a une symétrie sphérique. Cependant ce formulaire La structure des orbitales considérées ne permet pas de comprendre pourquoi le carbone, lorsqu'il pénètre dans des composés organiques, forme des angles de 120, 180 et 109,5 degrés. La formule de la structure électronique de l'atome de carbone s'exprime sous la forme suivante : (He) 2s 2 2p 2.
La résolution de la contradiction apparue a été réalisée en introduisant dans la circulation le concept d'hybridation des orbitales atomiques. Pour comprendre la nature triangulaire et variable du C, il était nécessaire de créer trois formes de représentation de son hybridation. La principale contribution à l'émergence et au développement de ce concept a été apportée par Linus Pauling.
Propriétés physiques
La structure de l’atome de carbone détermine la présence d’un certain nombre de caractéristiques physiques. Les atomes de cet élément forment une substance simple - le carbone, qui présente des modifications. Les variations dans les changements dans sa structure peuvent donner à la substance résultante des caractéristiques qualitatives différentes. Raison de la disponibilité grande quantité Les modifications du carbone résident dans sa capacité à établir et former différents types de liaisons de nature chimique.
La structure de l'atome de carbone peut varier, lui permettant d'avoir une certaine quantité de formes isotopiques. Le carbone présent dans la nature est formé à partir de deux isotopes à l'état stable - 12 C et 13 C - et d'un isotope avec propriétés radioactives- 14 C. Le dernier isotope se concentre dans couches supérieures la croûte terrestre et dans l'atmosphère. En raison de l'influence rayonnement cosmique, à savoir ses neutrons, sur le noyau des atomes d'azote, l'isotope radioactif 14 C se forme. Après le milieu des années cinquante du XXe siècle, il a commencé à tomber. environnement en tant que produit artificiel formé lors du fonctionnement des centrales nucléaires et grâce à l'utilisation d'une bombe à hydrogène. C'est sur le processus de désintégration du 14 C que repose la technique de datation au radiocarbone, qui a trouvé sa large application en archéologie et en géologie.
Modification du carbone sous forme allotropique
De nombreuses substances dans la nature contiennent du carbone. L'homme utilise la structure de l'atome de carbone à ses propres fins lors de la création de diverses substances, notamment :
- Carbones cristallins (diamants, nanotubes de carbone, fibres et fils, fullerènes…).
- Charbons amorphes (charbon actif et charbon, divers types de coke, noir de carbone, suie, nanomousse et anthracite).
- Formes de grappes de carbone (dicarbones, nanocônes et composés astralènes).
Caractéristiques structurelles de la structure atomique
La structure électronique d’un atome de carbone peut avoir différentes géométries, qui dépendent du niveau d’hybridation des orbitales qu’il possède. Il existe 3 principaux types de géométrie :
- Tétraédrique - créé en raison du déplacement de quatre électrons, dont l'un est des électrons s et trois appartiennent aux électrons p. L'atome C occupe une position centrale dans le tétraèdre et est relié par quatre liaisons sigma équivalentes avec d'autres atomes occupant le sommet de ce tétraèdre. Cet arrangement géométrique du carbone peut produire des allotropes tels que le diamant et la lonsdalite.
- Trigonal - doit son apparition au déplacement de trois orbitales, dont une s- et deux p-. Il y a ici trois liaisons sigma, qui sont dans une position équivalente les unes par rapport aux autres ; ils se trouvent dans un plan commun et maintiennent un angle de 120 degrés les uns par rapport aux autres. L'orbitale p libre est située perpendiculairement au plan de la liaison sigma. Le graphite a une géométrie structurelle similaire.
- Diagonale - apparaît en raison du mélange d'électrons s et p (hybridation sp). Les nuages d'électrons s'étendent dans la direction générale et prennent la forme d'un haltère asymétrique. Les électrons libres créent des liaisons π. Cette structure géométrique du carbone donne lieu à l'apparition du carbyne, une forme particulière de modification.
Atomes de carbone dans la nature
La structure et les propriétés de l'atome de carbone ont longtemps été prises en compte par l'homme et sont utilisées pour obtenir un grand nombre de substances différentes. Les atomes de cet élément, en raison de leur capacité unique à former différentes liaisons chimiques et de la présence d'une hybridation orbitale, créent de nombreuses modifications allotropiques différentes avec la participation d'un seul élément, à partir d'atomes du même type - le carbone.
Dans la nature, le carbone se trouve dans la croûte terrestre; prend la forme de diamants, de graphites, de diverses ressources naturelles combustibles, par exemple le pétrole, l'anthracite, le lignite, le schiste, la tourbe, etc. Il fait partie des gaz utilisés par les humains dans l’industrie énergétique. Le carbone contenu dans son dioxyde remplit l'hydrosphère et l'atmosphère de la Terre, atteignant jusqu'à 0,046 % dans l'air et jusqu'à soixante fois plus dans l'eau.
Dans le corps humain, le C est contenu en quantité approximativement égale à 21 % et est excrété principalement par l'urine et l'air expiré. Le même élément participe au cycle biologique ; il est absorbé par les plantes et consommé lors de la photosynthèse.
Les atomes de carbone, en raison de leur capacité à établir diverses liaisons covalentes et à construire des chaînes et même des cycles à partir d'elles, peuvent créer une énorme quantité de substances organiques. De plus, cet élément fait partie de l’atmosphère solaire, étant en combinaison avec l’hydrogène et l’azote.
Propriétés de nature chimique
Examinons maintenant la structure et les propriétés de l'atome de carbone d'un point de vue chimique.
Il est important de savoir que le carbone présente des propriétés inertes à des températures normales, mais peut présenter des propriétés réductrices sous l'influence de températures élevées. Les principaux états d'oxydation sont : + - 4, parfois +2, et aussi +3.
Participe à des réactions avec un grand nombre d'éléments. Peut réagir avec l'eau, l'hydrogène, les halogènes, les métaux alcalins, les acides, le fluor, le soufre, etc.
La structure de l'atome de carbone donne naissance à un nombre incroyablement grand de substances, divisées en une classe distincte. De tels composés sont appelés organiques et sont basés sur C. Cela est possible grâce à la propriété des atomes de cet élément à former des chaînes polymères. Parmi les groupes les plus connus et les plus étendus figurent les protéines (protéines), les graisses, les glucides et les composés hydrocarbonés.
Méthodes de fonctionnement
En raison de la structure unique de l'atome de carbone et de ses propriétés associées, l'élément est largement utilisé par l'homme, par exemple dans la création de crayons, la fusion de creusets métalliques - le graphite est utilisé ici. Les diamants sont utilisés comme abrasifs, bijoux, forets, etc.
La pharmacologie et la médecine traitent également de l’utilisation du carbone dans divers composés. Cet élément fait partie de l'acier, sert de base à toute substance organique, participe au processus de photosynthèse, etc.
Toxicité de l'élément
La structure de l'atome de l'élément carbone implique la présence d'un effet dangereux sur la matière vivante. Le carbone pénètre dans le monde qui nous entoure grâce à la combustion du charbon dans les centrales thermiques, est inclus dans les gaz produits par les voitures, dans le cas des concentrés de charbon, etc.
Le pourcentage de carbone dans les aérosols est élevé, ce qui entraîne une augmentation du pourcentage de personnes tombant malades. Les voies respiratoires supérieures et les poumons sont le plus souvent touchés. Certaines maladies peuvent être classées comme professionnelles, par exemple la bronchite poussiéreuse et les maladies du groupe des pneumoconioses.
Le 14 C est toxique et la force de son influence est déterminée par l'interaction du rayonnement avec les particules β. Cet atome entre dans la composition de molécules biologiques, notamment celles présentes dans les acides désoxy et ribonucléiques. Quantité acceptable de 14 °C dans l'air zone de travail le niveau est estimé à 1,3 Bq/l. La quantité maximale de carbone entrant dans l'organisme lors de la respiration correspond à 3,2 * 10 8 Bq/an.
(premier électron)
La capacité du carbone à former des chaînes polymères donne naissance à une vaste classe de composés à base de carbone appelés composés organiques, qui sont beaucoup plus nombreux que les composés inorganiques et font l'objet d'études en chimie organique.
Histoire
Au tournant des XVII-XVIII siècles. est née la théorie du phlogistique, avancée par Johann Becher et Georg Stahl. Cette théorie reconnaissait la présence dans chaque corps combustible d'une substance élémentaire spéciale - un fluide en apesanteur - le phlogistique, qui s'évapore pendant le processus de combustion. Étant donné que lorsqu'une grande quantité de charbon est brûlée, il ne reste qu'une petite quantité de cendres, les phlogistiques croyaient que le charbon était du phlogistique presque pur. C'est ce qui explique notamment l'effet « phlogistique » du charbon, sa capacité à restituer les métaux de la « chaux » et des minerais. Les phlogistiques ultérieurs, Réaumur, Bergman et autres, avaient déjà commencé à comprendre que le charbon était une substance élémentaire. Cependant, le « charbon propre » a été reconnu pour la première fois comme tel par Antoine Lavoisier, qui a étudié le processus de combustion du charbon et d'autres substances dans l'air et l'oxygène. Dans l'ouvrage de Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet et Fourcroix « Méthode nomenclature chimique" (1787) le nom « carbone » (carbone) apparaît à la place du français « charbon pur » (charbone pur). Sous le même nom, le carbone apparaît dans le « Tableau corps simples" dans le Manuel élémentaire de chimie de Lavoisier.
origine du nom
DANS début XIX des siècles dans la littérature chimique russe, le terme « solution carbonée » a parfois été utilisé (Scherer, 1807 ; Severgin, 1815) ; Depuis 1824, Soloviev a introduit le nom « carbone ». Les composés carbonés ont un rôle dans leur nom glucides (il)- du lat. carbō (n. glucides) "charbon".
Propriétés physiques
Le carbone existe sous une variété d’allotropes aux propriétés physiques très diverses. La variété des modifications est due à la capacité du carbone à former des liaisons chimiques de différents types.
Isotopes du carbone
Le carbone naturel est constitué de deux isotopes stables - 12 C (98,93 %) et 13 C (1,07 %) et d'un isotope radioactif 14 C (émetteur β, T ½ = 5730 ans), concentrés dans l'atmosphère et la partie supérieure de la terre. aboyer. Il se forme constamment dans les couches inférieures de la stratosphère suite à l'impact des neutrons du rayonnement cosmique sur les noyaux d'azote selon la réaction : 14 N (n, p) 14 C, et aussi, depuis le milieu des années 1950, comme un produit fabriqué par l'homme à partir de centrales nucléaires et à la suite d'essais de bombes à hydrogène.
Modifications allotropiques du carbone
Carbone cristallin
Carbone amorphe
- Charbon fossile : anthracite et charbon fossile.
- Coke de charbon, coke de pétrole, etc.
En pratique, en règle générale, les formes amorphes énumérées ci-dessus sont des composés chimiques à forte teneur en carbone, plutôt que la forme allotropique pure du carbone.
Formes de cluster
Structure
Le carbone liquide n'existe qu'à une certaine pression externe. Points triples : graphite - liquide - vapeur T= 4130K, R.= 10,7 MPa et graphite - diamant - liquide T≈ 4000K, R.≈ 11 GPa. Graphite de ligne d'équilibre - liquide en phase R., T- le diagramme a une pente positive, qui devient négative à mesure qu'on s'approche du triple point graphite - diamant - liquide, qui est associé à propriétés uniques les atomes de carbone créent des molécules de carbone constituées d'un nombre variable d'atomes (de deux à sept). La pente de la ligne d'équilibre diamant-liquide, en l'absence d'expériences directes dans la région de températures (>4000-5000 K) et de pressions très élevées (>10-20 GPa), de longues années a été jugé négatif. Des expériences directes réalisées par des chercheurs japonais et le traitement des données expérimentales obtenues, prenant en compte la capacité thermique anormale du diamant à haute température, ont montré que la pente de la ligne d'équilibre diamant-liquide est positive, c'est-à-dire que le diamant est plus lourd que son liquide. (dans la fonte, il coulera et ne flottera pas comme la glace dans l'eau).
Diamants ultradispersés (nanodiamants)
Dans les années 1980, en URSS, on a découvert que dans des conditions de chargement dynamique de matériaux contenant du carbone, des structures semblables à des diamants, appelées diamants ultrafins (UDD), pouvaient se former. Actuellement, le terme « nanodiamants » est de plus en plus utilisé. La taille des particules de ces matériaux est de quelques nanomètres. Les conditions de formation d'UDD peuvent être réalisées lors de la détonation d'explosifs avec un bilan d'oxygène négatif important, par exemple des mélanges de TNT avec de l'hexogène. De telles conditions peuvent également être réalisées lors d'impacts de corps célestes sur la surface de la Terre en présence de matériaux contenant du carbone (matière organique, tourbe, charbon, etc.). Ainsi, dans la zone de chute de la météorite Toungouska, des UDA ont été découverts dans le sol forestier.
Carbine
La modification cristalline du carbone du système hexagonal avec une structure en chaîne de molécules est appelée carbyne. Les chaînes ont soit une structure polyène (−C≡C−) soit une structure polycumulène (=C=C=). Plusieurs formes de carbyne sont connues, différant par le nombre d'atomes dans la maille unitaire, la taille des cellules et la densité (2,68-3,30 g/cm³). Le carbyne se présente dans la nature sous forme de chaoite minérale (veines blanches et inclusions dans le graphite) et est obtenu artificiellement par déshydropolycondensation oxydative de l'acétylène, action d'un rayonnement laser sur le graphite, à partir d'hydrocarbures ou de CCl 4 dans un plasma à basse température.
La carbyne est une poudre noire finement cristalline (densité 1,9-2 g/cm³) et possède des propriétés semi-conductrices. Obtenu dans des conditions artificielles à partir de longues chaînes d'atomes de carbone disposées parallèlement les unes aux autres.
Le carbyne est un polymère linéaire de carbone. Dans la molécule de carbyne, les atomes de carbone sont reliés en chaînes alternativement soit par des liaisons triples et simples (structure polyène), soit en permanence par des doubles liaisons (structure polycumulène). Cette substance a été obtenue pour la première fois par les chimistes soviétiques V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin et Yu.P. Kudryavtsev au début des années 1960 à l'Académie des sciences de l'URSS. Le carbyne a des propriétés semi-conductrices et sa conductivité augmente considérablement lorsqu'il est exposé à la lumière. Le premier est basé sur cette propriété utilisation pratique- dans les photocellules.
Fullerènes et nanotubes de carbone
Le carbone est également connu sous forme de particules en grappe C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 et similaires (fullerènes), ainsi que de graphènes, nanotubes et structures complexes- astralénov.
Carbone amorphe (structure)
La structure du carbone amorphe est basée sur la structure désordonnée du graphite monocristallin (contient toujours des impuretés). Il s'agit du coke, de la houille brune et dure, du noir de carbone, de la suie et du charbon actif.
Graphène
Le graphène est une modification allotropique bidimensionnelle du carbone, formée par une couche d'atomes de carbone d'un atome d'épaisseur, reliés par des liaisons sp² dans un réseau cristallin bidimensionnel hexagonal.
Être dans la nature
On estime que la Terre dans son ensemble est composée de 730 ppm de carbone, dont 2 000 ppm dans le noyau et 120 ppm dans le manteau et la croûte. Puisque la masse de la Terre est de 5,972⋅10 24 kg, cela implique la présence de 4 360 millions de gigatonnes de carbone.
La plupart des composés carbonés, et principalement les hydrocarbures, ont un brillant caractère prononcé composés covalents. La force des liaisons simples, doubles et triples des atomes de C entre eux, la capacité de former des chaînes et des cycles stables à partir d'atomes de C déterminent l'existence d'un grand nombre de composés contenant du carbone étudiés en chimie organique. La shungite minérale se trouve dans la nature et contient à la fois du carbone solide (≈25 %) et des quantités importantes d'oxyde de silicium (≈35 %). Propriétés chimiquesAux températures ordinaires, le carbone est chimiquement inerte ; à des températures suffisamment élevées, il se combine avec de nombreux éléments et présente de fortes propriétés réductrices. Activité chimique différentes formes le carbone diminue dans la série : carbone amorphe, graphite, diamant ; dans l'air, ils s'enflamment à des températures respectivement supérieures à 300-501 °C, 600-700 °C et 800-1000 °C. L'état d'oxydation varie de -4 à +4. Affinité électronique 1,27 eV ; L'énergie d'ionisation pendant la transition séquentielle de C 0 à C 4+ est respectivement de 11,2604, 24,383, 47,871 et 64,19 eV. Composés inorganiquesLe carbone réagit avec de nombreux éléments. Les composés contenant des non-métaux ont leurs propres noms - méthane, tétrafluorométhane. Les produits de combustion du carbone sont le CO et le CO 2 (respectivement monoxyde de carbone et dioxyde de carbone). Le sous-oxyde de carbone instable C 3 O 2 (point de fusion -111 °C, point d'ébullition 7 °C) et certains autres oxydes (par exemple, C 12 O 9, C 5 O 2, C 12 O 12) sont également connus. Le graphite et le carbone amorphe commencent à réagir avec l'hydrogène à une température de 1 200 °C, avec le fluor à 900 °C. Le graphite avec des halogènes, des métaux alcalins et d'autres substances forme des composés d'inclusion. Lorsqu'une décharge électrique passe entre des électrodes de carbone dans une atmosphère d'azote, du cyanogène se forme. À haute température, l'interaction du carbone avec un mélange de H 2 et N 2 produit |
Il est impossible de décrire brièvement ce qu'est le carbone. Après tout, il est la base de la vie. Cet élément se trouve dans tous les composés organiques et lui seul peut former des molécules d'ADN à partir de millions d'atomes. Ses propriétés sont nombreuses, il vaut donc la peine d'en parler plus en détail.
Formule, notation, fonctionnalités
Cet élément, situé dans le tableau sous numéro de série six, indiqués par le symbole "C". La formule structurelle électronique du carbone ressemble à de la manière suivante: 1s 2 2s 2 2p 2 . Sa masse est de 12,0107 amu. Cette substance possède :
- Deux électrons non appariés dans l’état fondamental. Montre la valence II.
- Quatre électrons non appariés dans un état excité. Montre la valence IV.
Il convient de noter qu'une certaine masse de carbone est contenue dans la croûte terrestre. 0,023% pour être exact. Il s'accumule principalement dans la partie supérieure, dans la biosphère. La majeure partie de la masse carbonée de la lithosphère s'accumule dans les dolomies et les calcaires, sous forme de carbonates.
caractéristiques physiques
Alors, qu’est-ce que le carbone ? Il s'agit d'une substance qui existe sous une grande variété de modifications allotropiques et dont les propriétés physiques peuvent être répertoriées depuis longtemps. Et la diversité des substances est déterminée par la capacité du carbone à former des liaisons chimiques de différents types.
Qu’en est-il des propriétés du carbone en tant que substance simple ? Ils peuvent être résumés ainsi :
- À conditions normales la densité est de 2,25 g/cm³.
- Le point d'ébullition est de 3506,85 °C.
- Capacité thermique molaire - 8,54 J/(K.mol).
- La température critique de transition de phase (lorsque le gaz ne se condense sous aucune pression) est de 4 130 K, 12 MPa.
- Volume molaire 5,3 cm³/mol.
Il convient également d’énumérer les modifications apportées au carbone.
Les substances cristallines les plus connues sont : le diamant, le carbyne, le graphite, le nanodiamant, la fullérite, la lonsdalite, le fullerène et les fibres de carbone.
Les formations amorphes comprennent : le bois, le charbon fossile et activé, l'anthracite, le coke, le carbone vitreux, la suie, le noir de carbone et la nanomousse.
Mais aucun des éléments ci-dessus n’est une forme allotropique pure de la substance en discussion. C'est juste composants chimiques, dans lequel le carbone est contenu en forte concentration.
Structure
Il est intéressant de noter que les orbitales électroniques de l’atome de carbone ne sont pas les mêmes. Ils ont des géométries différentes. Tout dépend du degré d'hybridation. Il existe trois géométries les plus courantes :
- Tétraédrique. Il se forme lorsque trois électrons p et un électron s se mélangent. Cette géométrie des atomes de carbone est observée dans la lonsdalite et le diamant. Le méthane et d'autres hydrocarbures ont une structure similaire.
- Trigone. Cette géométrie est formée par le mélange de deux orbitales d’électrons p et d’une orbitale d’électrons s. Un autre élément p ne participe pas à l'hybridation, mais il est impliqué dans la formation de liaisons π avec d'autres atomes. Cette structure est caractéristique du phénol, du graphite et d'autres modifications.
- Digonal. Cette structure est formée par le mélange des électrons s et p (un à la fois). Il est intéressant de noter que les nuages d’électrons ressemblent à des haltères asymétriques. Ils s’étendent dans cette direction. Deux autres électrons p forment les fameuses liaisons π. Cette géométrie est typique du carbyne.
Il n'y a pas si longtemps, en 2010, des scientifiques de l'Université de Nottingham ont découvert un composé dans lequel quatre atomes se trouvaient dans le même plan. Son nom est dilithio méthandium monomère.
Molécules
Ils méritent d’être mentionnés séparément. Les atomes de la substance en question peuvent se combiner, entraînant la formation de molécules de carbone complexes. Ils se distinguent des Na, C 2 et H 2 saturés, entre lesquels l'attraction est trop faible, par leur tendance à se condenser à l'état solide. Les molécules de carbone ne peuvent rester à l’état gazeux que si la température est maintenue élevée. Sinon, la substance durcira instantanément.
Il y a quelque temps aux États-Unis, au laboratoire national de Berkeley, une nouvelle forme de carbone solide a été synthétisée. C'est C36. Et sa molécule est formée de 36 atomes de carbone. La substance est formée avec les fullerènes C60. Cela se produit entre deux électrodes de graphite, dans les conditions d'une flamme de décharge en arc. Les scientifiques suggèrent que les molécules de la nouvelle substance possèdent des propriétés chimiques et électriques intéressantes qui n'ont pas encore été étudiées.
Graphite
Nous pouvons maintenant parler plus en détail des modifications les plus connues d'une substance telle que le carbone.
Le graphite est un minéral natif avec une structure en couches. Voici ses caractéristiques :
- Il conduit très bien le courant.
- C'est une substance relativement molle en raison de sa faible dureté.
- Lorsqu'il est chauffé en l'absence d'air, il présente une stabilité.
- Ne fond pas.
- C'est gras et glissant.
- Le graphite naturel contient 10 à 12 % d'impuretés. En règle générale, ce sont des oxydes de fer et d'argile.
Si nous parlons de propriétés chimiques, il convient de noter que cette substance forme des composés dits d'inclusion avec des sels et des métaux alcalins. Le graphite réagit également avec l'oxygène à haute température, brûlant en dioxyde de carbone. Mais le contact avec des acides non oxydants n'entraîne aucun résultat - cette substance ne s'y dissout tout simplement pas.
Le graphite est le plus utilisé différentes régions. Il est utilisé dans la fabrication de plaques de revêtement et de creusets de fusion, dans la fabrication d'éléments chauffants et d'électrodes. Sans la participation du graphite, il est impossible d'obtenir des diamants synthétiques. Il joue également le rôle de modérateur de neutrons dans les réacteurs nucléaires. Et bien sûr, les mines de crayon en sont fabriquées en les mélangeant avec du kaolin. Et ce n’est qu’une partie des domaines où il est utilisé.
diamant
C’est un minéral métastable qui peut exister indéfiniment, en partie grâce à la force et à la densité du carbone. Le diamant est la substance la plus dure sur l'échelle de Mohs et coupe facilement le verre.
Il a une conductivité thermique, une dispersion et un indice de réfraction élevés. Il est résistant à l'usure et pour le faire fondre, il faut une température de 4 000 °C et une pression d'environ 11 GPa. Sa particularité est la luminescence, la capacité de briller de différentes couleurs.
Il s'agit d'une substance rare, quoique courante. L'âge des minéraux, selon certaines études, peut varier de 100 millions à 2,5 milliards d'années. Des diamants d’origine extraterrestre, peut-être même présolaire, ont été découverts.
Ce minéral a trouvé son application en bijouterie. Un diamant taillé, appelé diamant, coûte cher, mais sa valeur précieuse et sa beauté l'ont rendu encore plus populaire. À propos, cette substance est également utilisée dans la fabrication de fraises, de forets, de couteaux, etc. En raison de sa dureté exceptionnelle, le minéral est utilisé dans de nombreuses industries.
Carbine
Poursuivant le sujet de ce qu'est le carbone, nous devons dire quelques mots sur sa modification, telle que le carbyne. Il ressemble à une poudre noire finement cristalline et possède des propriétés semi-conductrices. Il a été obtenu artificiellement au début des années 60 par des scientifiques soviétiques.
La particularité de cette substance est que sa conductivité augmente sous l'influence de la lumière. C’est pourquoi on a commencé à l’utiliser dans les cellules photovoltaïques.
Graphène
Il s'agit du premier cristal bidimensionnel au monde. Cette modification a une plus grande rigidité mécanique que le graphite et une conductivité thermique record de ~5.10 3 W.m−1.K−. Les porteurs de charge du graphène ont une grande mobilité, c'est pourquoi la substance a des perspectives d'utilisation dans diverses applications. On pense qu’il pourrait devenir la future base de la nanoélectronique et même remplacer le silicium dans les circuits intégrés.
Le graphène est produit artificiellement dans des laboratoires scientifiques. Pour ce faire, il est nécessaire de recourir au détachement mécanique des couches de graphite d'une substance hautement orientée. C'est ainsi que les échantillons sont obtenus Haute qualité avec la mobilité nécessaire des transporteurs.
Ses propriétés n’ont pas été entièrement étudiées, mais les scientifiques ont déjà noté quelque chose d’intéressant. Par exemple, il n’y a pas de cristallisation Winger dans le graphène. Et dans une double couche de matière, le comportement des électrons ressemble à cette caractéristique cristaux liquides. Si les paramètres de clivage sur le cristal sont observés, il sera possible d'obtenir une nanostructure de graphène en forme de boîte.
Toxicité
Ce sujet mérite d’être mentionné à la fin de l’histoire sur ce qu’est le carbone. Le fait est que cette substance est rejetée dans l'atmosphère avec les gaz d'échappement des voitures. Et aussi lors de la combustion du charbon, de la gazéification souterraine et de nombreux autres processus.
L’augmentation des niveaux de cette substance dans l’air entraîne une augmentation du nombre de maladies. Cela s'applique en particulier aux poumons et aux voies respiratoires supérieures. Et l'effet toxique est dû à l'interaction de nature radiologique avec les particules β, ce qui conduit au fait que la composition chimique de la molécule change ainsi que les propriétés de la substance.
Le carbone est capable de former plusieurs modifications allotropiques. Il s'agit du diamant (la modification allotropique la plus inerte), du graphite, du fullerène et du carbyne.
Le charbon de bois et la suie sont du carbone amorphe. Le carbone dans cet état n’a pas de structure ordonnée et est en réalité constitué de minuscules fragments de couches de graphite. Le charbon amorphe traité avec de la vapeur d'eau chaude est appelé charbon actif. 1 gramme de charbon actif, en raison de la présence de nombreux pores, a une surface totale de plus de trois cents mètres carrés! Grâce à sa capacité à absorber diverses substances le charbon actif est largement utilisé comme agent de remplissage de filtre, ainsi que comme entérosorbant pour divers types d'empoisonnement.
D'un point de vue chimique, le carbone amorphe est sa forme la plus active, le graphite présente une activité modérée et le diamant est une substance extrêmement inerte. Pour cette raison, discutée ci-dessous Propriétés chimiques le carbone doit être principalement classé comme carbone amorphe.
Propriétés réductrices du carbone
En tant qu'agent réducteur, le carbone réagit avec les non-métaux tels que l'oxygène, les halogènes et le soufre.
En fonction de l'excès ou du manque d'oxygène lors de la combustion du charbon, la formation de monoxyde de carbone CO ou dioxyde de carbone CO 2 :
Lorsque le carbone réagit avec le fluor, il se forme du tétrafluorure de carbone :
Lorsque le carbone est chauffé avec du soufre, du disulfure de carbone CS 2 se forme :
Le carbone est capable de réduire les métaux après l'aluminium dans la série d'activités à partir de leurs oxydes. Par exemple:
Le carbone réagit également avec les oxydes de métaux actifs, mais dans ce cas, en règle générale, ce n'est pas la réduction du métal qui est observée, mais la formation de son carbure :
Interaction du carbone avec des oxydes non métalliques
Le carbone entre dans une réaction de coproportion avec gaz carbonique CO2 :
L'un des processus les plus importants d'un point de vue industriel est ce qu'on appelle conversion du charbon vapeur. Le processus est réalisé en faisant passer de la vapeur d’eau à travers du charbon chaud. La réaction suivante se produit :
À haute température, le carbone est capable de réduire même un composé inerte comme le dioxyde de silicium. Dans ce cas, selon les conditions, la formation de silicium ou de carbure de silicium est possible ( carborundum):
De plus, le carbone en tant qu'agent réducteur réagit avec les acides oxydants, en particulier les acides sulfurique et nitrique concentrés :
Propriétés oxydantes du carbone
L'élément chimique carbone n'est pas hautement électronégatif, de sorte que les substances simples qu'il forme présentent rarement des propriétés oxydantes envers d'autres non-métaux.
Un exemple de telles réactions est l'interaction du carbone amorphe avec l'hydrogène lorsqu'il est chauffé en présence d'un catalyseur :
et aussi avec du silicium à une température de 1200-1300 o C :
Le carbone présente des propriétés oxydantes par rapport aux métaux. Le carbone est capable de réagir avec les métaux actifs et certains métaux d’activité intermédiaire. Des réactions se produisent lorsqu'elles sont chauffées :
| Les carbures métalliques actifs sont hydrolysés par l'eau :
ainsi que des solutions d'acides non oxydants : Dans ce cas, il se forme des hydrocarbures contenant du carbone dans le même état d'oxydation que dans le carbure d'origine. |
Propriétés chimiques du silicium
Le silicium peut exister, comme le carbone, à l’état cristallin et amorphe et, comme dans le cas du carbone, le silicium amorphe est chimiquement nettement plus actif que le silicium cristallin.
Parfois, le silicium amorphe et cristallin est appelé modification allotropique, ce qui, à proprement parler, n'est pas tout à fait vrai. Le silicium amorphe est essentiellement un conglomérat de éléments situés de manière aléatoire les uns par rapport aux autres. minuscules particules silicium cristallin.
Interaction du silicium avec des substances simples
non-métaux
À conditions normales Le silicium, du fait de son inertie, ne réagit qu'avec le fluor :
Le silicium réagit avec le chlore, le brome et l'iode uniquement lorsqu'il est chauffé. Il est caractéristique que, en fonction de l'activité de l'halogène, une température différente en conséquence soit requise :
Ainsi, avec le chlore, la réaction se produit à 340-420°C :
Avec brome – 620-700 o C :
Avec de l'iode – 750-810 o C :
La réaction du silicium avec l'oxygène se produit, mais nécessite un très fort chauffage (1 200-1 300 o C) en raison du fait que le film d'oxyde résistant rend l'interaction difficile :
À une température de 1 200 à 1 500 ° C, le silicium interagit lentement avec le carbone sous forme de graphite pour former du carborundum SiC - une substance avec un réseau cristallin atomique similaire au diamant et qui ne lui est presque pas inférieur en force :
Le silicium ne réagit pas avec l'hydrogène.
les métaux
En raison de sa faible électronégativité, le silicium ne peut présenter des propriétés oxydantes que vis-à-vis des métaux. Parmi les métaux, le silicium réagit avec les métaux actifs (alcalins et alcalino-terreux), ainsi qu'avec de nombreux métaux à activité intermédiaire. À la suite de cette interaction, des siliciures se forment :
Interaction du silicium avec des substances complexes
Le silicium ne réagit pas avec l'eau même lorsqu'il est bouilli, cependant, le silicium amorphe interagit avec la vapeur d'eau surchauffée à une température d'environ 400-500 ° C. Dans ce cas, de l'hydrogène et du dioxyde de silicium se forment :
De tous les acides, le silicium (à l'état amorphe) ne réagit qu'avec l'acide fluorhydrique concentré :
Le silicium se dissout dans les solutions alcalines concentrées. La réaction s'accompagne de la libération d'hydrogène.
Carbone(lat. Carboneum), C, élément chimique du groupe IV du système périodique de Mendeleev, numéro atomique 6, masse atomique 12 011. Deux isotopes stables sont connus : 12 C (98,892 %) et 13 C (1,108 %). Parmi les isotopes radioactifs, le plus important est le 14 C avec une demi-vie (T ½ = 5,6 10 3 ans). De petites quantités de 14 C (environ 2,10 à 10 % en masse) se forment constamment dans les couches supérieures de l'atmosphère sous l'influence des neutrons du rayonnement cosmique sur l'isotope de l'azote 14 N. L'activité spécifique de l'isotope 14 C dans les résidus d’origine biogénique déterminent leur âge. Le 14 C est largement utilisé comme traceur isotopique.
Référence historique. Le carbone est connu depuis l’Antiquité. Le charbon de bois servait à restaurer les métaux des minerais, le diamant - comme gemme. Bien plus tard, le graphite a commencé à être utilisé pour fabriquer des creusets et des crayons.
En 1778, K. Scheele, chauffant du graphite avec du salpêtre, découvrit que dans ce cas, comme lors du chauffage du charbon avec du salpêtre, du dioxyde de carbone était libéré. Composition chimique le diamant a été créé à la suite des expériences de A. Lavoisier (1772) sur l'étude de la combustion du diamant dans l'air et des études de S. Tennant (1797), qui a prouvé que des quantités égales de diamant et de charbon produisent des quantités égales de dioxyde de carbone. lors de l'oxydation. Le carbone est reconnu élément chimique en 1789 par Lavoisier. Le carbone tire son nom latin carboneum de carbo - charbon.
Répartition du carbone dans la nature. La teneur moyenne en carbone de la croûte terrestre est de 2,3 10 -2 % en masse (1 10 -2 dans les roches ultrabasiques, 1 10 -2 dans les roches basiques, 2 10 -2 dans les roches moyennes, 3 10 -2 dans les roches acides). Le carbone s'accumule dans la partie supérieure de la croûte terrestre (biosphère) : dans la matière vivante 18 % de carbone, bois 50 %, charbon 80 %, pétrole 85 %, anthracite 96 %. Une partie importante du carbone de la lithosphère est concentrée dans les calcaires et les dolomies.
Le nombre de minéraux contenus dans le carbone est de 112 ; nombre exceptionnellement important composés organiques Carbone - hydrocarbures et leurs dérivés.
L'accumulation de Carbone dans la croûte terrestre est associée à l'accumulation de nombreux autres éléments qui sont sorbés par la matière organique et précipités sous forme de carbonates insolubles, etc. Le CO 2 et l'acide carbonique jouent un rôle géochimique majeur dans la croûte terrestre. Une énorme quantité de CO 2 est libérée lors du volcanisme - dans l'histoire de la Terre, c'était la principale source de carbone pour la biosphère.
Par rapport à la teneur moyenne de la croûte terrestre, l'humanité extrait du sous-sol du carbone en quantités exceptionnellement importantes (charbon, pétrole, gaz naturel), puisque ces fossiles constituent la principale source d’énergie.
Le cycle du carbone revêt une grande importance géochimique.
Le carbone est également répandu dans l’espace ; sur le Soleil, il occupe la 4ème place après l'hydrogène, l'hélium et l'oxygène.
Propriétés physiques du carbone. Plusieurs modifications cristallines du Carbone sont connues : graphite, diamant, carbyne, lonsdalite et autres. Le graphite est une masse gris-noir, opaque, grasse au toucher, écailleuse, très molle, avec un éclat métallique. Construit à partir de cristaux de structure hexagonale : a = 2,462Å, c = 6,701Å. À température ambiante et le graphite à pression normale (0,1 MN/m2 ou 1 kgf/cm2) est thermodynamiquement stable. Le diamant est très dur substance cristalline. Les cristaux ont un réseau cubique à faces centrées : a = 3,560Å. À température ambiante et pression normale, le diamant est métastable. Une transformation notable du diamant en graphite est observée à des températures supérieures à 1400 °C sous vide ou sous atmosphère inerte. A pression atmosphérique et à une température d'environ 3700°C, le graphite se sublime. Le carbone liquide peut être obtenu à des pressions supérieures à 10,5 Mn/m2 (105 kgf/cm2) et à des températures supérieures à 3 700 °C. Le carbone solide (coke, suie, charbon de bois) se caractérise également par un état de structure désordonnée - le carbone dit « amorphe », qui ne représente pas une modification indépendante ; Sa structure est basée sur la structure du graphite finement cristallin. Le chauffage de certaines variétés de carbone « amorphe » au-dessus de 1 500-1 600 °C sans accès à l’air provoque leur transformation en graphite. Propriétés physiques Le carbone « amorphe » dépend beaucoup de la dispersion des particules et de la présence d'impuretés. La densité, la capacité thermique, la conductivité thermique et la conductivité électrique du carbone « amorphe » sont toujours supérieures à celles du graphite. La carbyne est obtenue artificiellement. C'est une poudre noire finement cristalline (densité 1,9-2 g/cm3). Construit à partir de longues chaînes d’atomes de carbone disposés parallèlement les uns aux autres. La Lonsdaleite se trouve dans les météorites et est obtenue artificiellement.
Propriétés chimiques du carbone. Configuration externe couche électronique Atome de carbone 2s 2 2p 2. Le carbone est caractérisé par la formation de quatre liaisons covalentes, dues à l'excitation de la couche électronique externe à l'état 2sp 3. Par conséquent, le carbone est également capable d’attirer et de donner des électrons. La liaison chimique peut être réalisée grâce aux orbitales hybrides sp 3 -, sp 2 - et sp-, qui correspondent aux numéros de coordination 4, 3 et 2. Le nombre d'électrons de valence du Carbone et le nombre d'orbitales de valence sont les mêmes ; c'est l'une des raisons de la stabilité de la liaison entre les atomes de carbone.
La capacité unique des atomes de carbone à se connecter les uns aux autres pour former des chaînes et des cycles solides et longs a conduit à l'émergence d'un grand nombre de composés carbonés différents étudiés. chimie organique.
Dans les composés, le carbone présente un état d'oxydation de -4 ; +2 ; +4. Rayon atomique 0,77Å, rayons covalents 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å, respectivement, dans les liaisons simples, doubles et triples ; rayon ionique C 4- 2,60Å, C 4+ 0,20Å. Dans des conditions normales, le carbone est chimiquement inerte ; à haute température, il se combine avec de nombreux éléments, présentant de fortes propriétés réductrices. L'activité chimique diminue dans l'ordre suivant : Carbone « amorphe », graphite, diamant ; l'interaction avec l'oxygène de l'air (combustion) se produit respectivement à des températures supérieures à 300-500 °C, 600-700 °C et 850-1000 °C avec formation de monoxyde de carbone (IV) CO 2 et de monoxyde de carbone (II) CO.
Le CO 2 se dissout dans l'eau pour former de l'acide carbonique. En 1906, O. Diels obtient du sous-oxyde de carbone C 3 O 2. Toutes les formes de carbone résistent aux alcalis et aux acides et ne sont lentement oxydées que par des agents oxydants très puissants (mélange de chrome, mélange de HNO 3 et KClO 3 concentrés et autres). Le carbone « amorphe » réagit avec le fluor à température ambiante, le graphite et le diamant lorsqu'il est chauffé. La combinaison directe du carbone avec le chlore se produit dans un arc électrique ; Le carbone ne réagit pas avec le brome et l'iode, c'est pourquoi de nombreux halogénures de carbone sont synthétisés indirectement. À partir d'oxyhalogénures formule générale COX 2 (où X est un halogène), le plus connu est le chloroxyde COCl (phosgène). L'hydrogène n'interagit pas avec le diamant ; il réagit avec le graphite et le carbone « amorphe » à haute température en présence de catalyseurs (Ni, Pt) : à 600-1000 °C, il se forme principalement du méthane CH 4, à 1500-2000 °C - de l'acétylène C 2 H 2 ; D'autres hydrocarbures peuvent également être présents dans les produits, par exemple l'éthane C 2 H 6, le benzène C 6 H 6. L'interaction du soufre avec le carbone « amorphe » et le graphite commence à 700-800 °C, avec le diamant à 900-1 000 °C ; dans tous les cas, il se forme du sulfure de carbone CS 2 . D'autres composés carbonés contenant du soufre (thioxyde CS, oxyde de thione C 3 S 2, oxyde de soufre COS et thiophosgène CSCl 2) sont obtenus indirectement. Lorsque CS 2 interagit avec les sulfures métalliques, des thiocarbonates se forment - des sels d'acide thiocarbonique faible. L'interaction du carbone avec l'azote pour produire du cyanogène (CN) 2 se produit lorsqu'une décharge électrique passe entre des électrodes de carbone dans une atmosphère d'azote. Parmi les composés azotés, le carbone est important importance pratique avoir du cyanure d'hydrogène HCN (acide prussique) et ses nombreux dérivés : cyanures, halocyanines, nitriles et autres À des températures supérieures à 1000°C, le carbone réagit avec de nombreux métaux, donnant des carbures. Toutes les formes de carbone, lorsqu'elles sont chauffées, réduisent les oxydes métalliques avec formation de métaux libres (Zn, Cd, Cu, Pb et autres) ou de carbures (CaC 2, Mo 2 C, WC, TaC et autres). Le carbone réagit à des températures supérieures à 600-800 °C avec la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone (gazéification du carburant). Particularité le graphite est la capacité, lorsqu'il est modérément chauffé à 300-400 °C, d'interagir avec métaux alcalins et des halogénures avec formation de composés d'inclusion du type C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (où X est un halogène, Me est un métal). Des composés d'inclusions de graphite avec HNO 3, H 2 SO 4, FeCl 3 et autres sont connus (par exemple, le bisulfate de graphite C 24 SO 4 H 2). Toutes les formes de carbone sont insolubles dans les solvants inorganiques et organiques ordinaires, mais sont solubles dans certains métaux fondus (par exemple Fe, Ni, Co).
L'importance économique nationale du carbone est déterminée par le fait que plus de 90 % de toutes les sources primaires d'énergie consommées dans le monde proviennent de combustibles fossiles, dont le rôle dominant continuera dans les décennies à venir, malgré un développement intensif. Pouvoir nucléaire. Seulement environ 10 % du carburant extrait est utilisé comme matière première pour la synthèse organique de base et la synthèse pétrochimique, pour la production de plastiques et autres.
Du carbone dans le corps. Le carbone est l'élément biogénique le plus important qui constitue la base de la vie sur Terre, une unité structurelle d'un grand nombre de composés organiques impliqués dans la construction des organismes et assurant leurs fonctions vitales (biopolymères, ainsi que de nombreuses substances biologiquement actives de faible poids moléculaire - vitamines, hormones, médiateurs et autres). Une partie importante de l'énergie nécessaire aux organismes est formée dans les cellules en raison de l'oxydation du carbone. L'émergence de la vie sur Terre est considérée dans science moderne comme un processus complexe d'évolution des composés carbonés.
Le rôle unique du carbone dans la nature vivante est dû à ses propriétés, qui, globalement, ne sont possédées par aucun autre élément du tableau périodique. Des liaisons chimiques fortes se forment entre les atomes de carbone, ainsi qu'entre le carbone et d'autres éléments, qui peuvent toutefois être rompues dans des conditions physiologiques relativement douces (ces liaisons peuvent être simples, doubles et triples). La capacité du carbone à former 4 liaisons de valence équivalentes avec d'autres atomes de carbone crée l'opportunité de construire des squelettes carbonés. divers types- linéaire, ramifié, cyclique. Il est significatif que seuls trois éléments - C, O et H - représentent 98 % de la masse totale des organismes vivants. On obtient ainsi une certaine efficacité dans la nature vivante : avec une diversité structurelle quasi illimitée de composés carbonés, un petit nombre de types de liaisons chimiques permet de réduire considérablement le nombre d'enzymes nécessaires à la dégradation et à la synthèse des substances organiques. Les caractéristiques structurelles de l’atome de carbone sous-tendent divers types isomérie des composés organiques (la capacité d'isomérie optique s'est avérée décisive dans l'évolution biochimique des acides aminés, des glucides et de certains alcaloïdes).
Selon l'hypothèse généralement acceptée d'A.I. Oparin, les premiers composés organiques sur Terre étaient d'origine abiogénique. Les sources de carbone étaient le méthane (CH 4) et le cyanure d'hydrogène (HCN), contenus dans l'atmosphère primaire de la Terre. Avec l'émergence de la vie, la seule source carbone inorganique, grâce auquel se forme toute la matière organique de la biosphère, est le monoxyde de carbone (IV) (CO 2), situé dans l'atmosphère, ainsi que dissous dans eaux naturelles sous la forme de NSO 3. Le mécanisme d'assimilation (assimilation) le plus puissant du Carbone (sous forme de CO 2) - la photosynthèse - est réalisé partout par les plantes vertes (environ 100 milliards de tonnes de CO 2 sont assimilées chaque année). Sur Terre, il y a, au cours de l'évolution, davantage manière ancienne Assimilation du CO 2 par chimiosynthèse ; dans ce cas, les micro-organismes chimiosynthétiques n'utilisent pas l'énergie radiante du Soleil, mais l'énergie d'oxydation des composés inorganiques. La plupart des animaux consomment du carbone avec leur nourriture sous forme de composés organiques prêts à l'emploi. Selon le mode d'assimilation des composés organiques, il est d'usage de distinguer les organismes autotrophes des organismes hétérotrophes. Application à la biosynthèse des protéines et autres nutriments Les micro-organismes utilisant les hydrocarbures pétroliers comme seule source de carbone constituent l’un des problèmes scientifiques et techniques modernes les plus importants.
La teneur en carbone des organismes vivants, calculée sur la base de la matière sèche, est de : 34,5 à 40 % plantes aquatiques et les animaux, 45,4 à 46,5 % chez les plantes et animaux terrestres et 54 % chez les bactéries. Au cours de l'activité vitale des organismes, principalement en raison de la respiration des tissus, une décomposition oxydative des composés organiques se produit avec la libération de environnement externe CO2. Le carbone est également libéré dans le cadre de produits métaboliques finaux plus complexes. Après la mort des animaux et des plantes, une partie du carbone est à nouveau convertie en CO 2 à la suite des processus de décomposition effectués par des micro-organismes. C’est ainsi que se déroule le cycle du carbone dans la nature. Une partie importante du Carbone est minéralisée et forme des gisements de Carbone fossile : charbon, pétrole, calcaire et autres. En plus de la fonction principale - source de Carbone - le CO 2, dissous dans les eaux naturelles et les fluides biologiques, participe au maintien de l'acidité du milieu optimale pour les processus vitaux. Faisant partie du CaCO 3, le carbone forme l'exosquelette de nombreux invertébrés (par exemple, les coquilles de mollusques) et se trouve également dans les coraux, coquilles d'oeufs oiseaux et autres Composés carbonés tels que HCN, CO, CCl 4, qui prédominaient dans l'atmosphère primaire de la Terre pendant la période prébiologique, plus tard, au cours du processus d'évolution biologique, se sont transformés en de puissants antimétabolites du métabolisme.
En plus des isotopes stables du carbone, le 14 C radioactif est répandu dans la nature (le corps humain en contient environ 0,1 microcurie). L'utilisation des isotopes du carbone dans la recherche biologique et médicale est associée à de nombreuses réalisations majeures dans l'étude du métabolisme et du cycle du carbone dans la nature. Ainsi, à l'aide d'un marqueur radiocarbone, la possibilité de fixer H 14 CO 3 - par les plantes et les tissus animaux a été prouvée, la séquence des réactions de photosynthèse a été établie, le métabolisme des acides aminés a été étudié, les voies de biosynthèse de nombreux biologiquement actifs des composés ont été tracés, etc. L'utilisation du 14 C a contribué au succès de la biologie moléculaire dans l'étude des mécanismes de biosynthèse et de transmission des protéines informations héréditaires. La détermination de l'activité spécifique du 14 C dans les résidus organiques carbonés permet de juger de leur âge, ce qui est utilisé en paléontologie et en archéologie.