Numărul atomic al carbonului este. Ce este carbonul? Descrierea, proprietățile și formula carbonului

Conținutul articolului

CARBON, C (carboneum), nemetalic element chimic Grupa IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) din Tabelul Periodic al Elementelor. Se găsește în natură sub formă de cristale de diamant (Fig. 1), grafit sau fullerenă și alte forme și face parte din substanțe organice (cărbune, ulei, organisme animale și vegetale etc.) și anorganice (calcar, bicarbonat de sodiu etc.).

Carbonul este larg răspândit, dar conținutul său în scoarța terestră este de doar 0,19%.

Carbonul este utilizat pe scară largă sub formă de substanțe simple. Pe lângă diamantele prețioase, care fac obiectul bijuteriilor, diamantele industriale sunt de mare importanță - pentru fabricarea sculelor de șlefuit și tăiere.

Cărbunele și alte forme amorfe de carbon sunt utilizate pentru decolorare, purificare, adsorbție de gaze, în domeniile de tehnologie în care sunt necesari adsorbanți cu suprafață dezvoltată. Carburele, compușii de carbon cu metale, precum și cu bor și siliciu (de exemplu, Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) se caracterizează prin duritate ridicată și sunt utilizați la fabricarea sculelor abrazive și tăietoare. Carbonul este prezent în oțeluri și aliaje în stare elementară și sub formă de carburi. Saturarea suprafeței pieselor turnate de oțel cu carbon la temperatură ridicată (cimentare) crește semnificativ duritatea suprafeței și rezistența la uzură. Vezi si ALIAJE.

În natură, sunt multe diferite forme grafit; unele sunt obținute artificial; există forme amorfe (de exemplu, cocs și cărbune). Funingine, cărbune de os, negru de lampă, negru de acetilenă se formează atunci când hidrocarburile sunt arse în absența oxigenului. Așa-zisul carbon alb obținute prin sublimarea grafitului pirolitic sub presiune redusă - acestea sunt cele mai mici cristale transparente de frunze de grafit cu margini ascuțite.

Referință istorică.

Grafitul, diamantul și carbonul amorf sunt cunoscute încă din antichitate. Se știe de mult timp că alt material poate fi marcat cu grafit, iar chiar numele „grafit”, care provine din cuvântul grecesc care înseamnă „a scrie”, a fost propus de A. Werner în 1789. Cu toate acestea, istoria grafitului este confuză, adesea substanțe cu proprietăți fizice externe similare au fost confundate cu acesta, de exemplu, molibdenita (molibdenă), considerată la un moment dat sulfură. Alte denumiri pentru grafit includ „plumb negru”, „carbură de fier”, „plumb argintiu”. În 1779, K. Scheele a descoperit că grafitul poate fi oxidat cu aer pentru a se forma dioxid de carbon.

Pentru prima dată, diamantele și-au găsit utilizare în India, iar în Brazilia, pietrele prețioase au căpătat importanță comercială în 1725; zăcăminte din Africa de Sud au fost descoperite în 1867. În secolul al XX-lea. Principalii producători de diamante sunt Africa de Sud, Zair, Botswana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tanzania și Rusia. Diamantele artificiale, a căror tehnologie a fost creată în 1970, sunt produse în scopuri industriale.

alotropie.

Dacă unitățile structurale ale unei substanțe (atomi pentru elemente monoatomice sau molecule pentru elemente și compuși poliatomici) sunt capabile să se combine între ele în mai multe forme cristaline, acest fenomen se numește alotropie. Carbonul are trei modificări alotrope - diamant, grafit și fullerene. În diamant, fiecare atom de carbon are 4 vecini situati tetraedric, formând o structură cubică (Fig. 1, A). Această structură corespunde covalenței maxime a legăturii și toți cei 4 electroni ai fiecărui atom de carbon formează legături C-C de înaltă rezistență, adică. nu există electroni de conducere în structură. Prin urmare, diamantul se distinge prin lipsa de conductivitate, conductivitate termică scăzută, duritate ridicată; este cea mai dură substanță cunoscută (fig. 2). Ruperea legăturii C–C (lungimea legăturii 1,54 Å, de unde raza covalentă 1,54/2 = 0,77 Å) într-o structură tetraedrică necesită multă energie, astfel încât diamantul, împreună cu o duritate excepțională, se caracterizează printr-un punct de topire ridicat (3550 ° C).

O altă formă alotropică de carbon este grafitul, care este foarte diferit de diamant în proprietăți. Grafitul este o substanță neagră moale din cristale care se exfoliază ușor, caracterizată printr-o bună conductivitate electrică (rezistență electrică 0,0014 Ohm cm). Prin urmare, grafitul este utilizat în lămpi cu arc și cuptoare (Fig. 3), în care este necesar să se creeze temperaturi ridicate. Grafitul de înaltă puritate este utilizat în reactoare nucleare ca moderator de neutroni. Punctul său de topire la presiune ridicată este de 3527 ° C. La presiune normală, grafitul se sublimează (se transferă de la o stare solidă la un gaz) la 3780 ° C.

Structura din grafit (Fig. 1, b) este un sistem de inele hexagonale condensate cu o lungime a legăturii de 1,42 Å (semnificativ mai scurtă decât în ​​diamant), dar fiecare atom de carbon are trei (nu patru, ca în diamant) legături covalente cu trei vecini, iar cea de-a patra legătură (3,4 Å) este prea lungă pentru o legătură covalentă și leagă slab unul de celălalt strat de grafit. Este al patrulea electron al carbonului care determină conductivitatea termică și electrică a grafitului - această legătură mai lungă și mai puțin puternică formează o compactitate mai mică a grafitului, ceea ce se reflectă în duritatea sa mai mică în comparație cu diamantul (densitatea grafitului este de 2,26 g / cm 3, diamant - 3,51 g / cm 3). Din același motiv, grafitul este alunecos la atingere și separă cu ușurință fulgii substanței, care este folosită pentru a face lubrifianți și mine de creion. Lustrul plumbului se datorează în principal prezenței grafitului.

Fibrele de carbon au o rezistență ridicată și pot fi folosite pentru a face fire de raion sau alte fire cu conținut ridicat de carbon.

La presiune ridicatași temperatura în prezența unui catalizator, cum ar fi fierul, grafitul poate fi transformat în diamant. Acest proces a fost implementat pentru producția industrială de diamante artificiale. Cristalele de diamant cresc pe suprafața catalizatorului. Echilibrul grafit-diamant există la 15.000 atm și 300 K sau la 4.000 atm și 1.500 K. Diamantele artificiale pot fi obținute și din hidrocarburi.

Formele amorfe de carbon care nu formează cristale includ cărbunele obținut prin încălzirea lemnului fără acces la aer, lampă și funingine de gaz formată în timpul arderii la temperatură joasă a hidrocarburilor cu lipsă de aer și condensate pe o suprafață rece, carbon de os - un amestec cu fosfat de calciu în procesul de distrugere a țesutului osos, precum și substanță naturală de distilare a cărbunelui uscat prin distilare (cărbune uscat) și substanță naturală obținută prin distilare uscată. de cărbune sau reziduuri de petrol (cărbuni bituminoși), adică incalzire fara aer. Cocsul este folosit pentru topirea fierului, în metalurgia feroasă și neferoasă. În timpul cocsării, se formează, de asemenea, produse gazoase - gaz de cuptor de cocs (H 2, CH 4, CO etc.) și produse chimice care sunt materii prime pentru producția de benzină, vopsele, îngrășăminte, medicamente, materiale plastice etc. Schema aparatului principal pentru producerea de cocs - un cuptor de cocs - este prezentată în fig. 3.

Diferite tipuri de cărbune și funingine sunt caracterizate de o suprafață dezvoltată și, prin urmare, sunt utilizate ca adsorbanți pentru purificarea gazelor și lichidelor, precum și ca catalizatori. Pentru a obține diferite forme de carbon, se folosesc metode speciale de tehnologie chimică. Grafitul artificial este obținut prin calcinarea antracitului sau a cocsului de petrol între electrozii de carbon la 2260°C (procesul Acheson) și este utilizat în producția de lubrifianți și electrozi, în special pentru producerea electrolitică a metalelor.

Structura atomului de carbon.

Nucleul celui mai stabil izotop de carbon de masă 12 (abundență de 98,9%) are 6 protoni și 6 neutroni (12 nucleoni) dispuși în trei cvartete, fiecare conținând 2 protoni și doi neutroni, similar unui nucleu de heliu. Un alt izotop stabil de carbon este 13 C (cca. 1,1%), iar un izotop instabil 14 C există în natură în urme, cu un timp de înjumătățire de 5730 de ani, care are b-radiații. Toți cei trei izotopi sub formă de CO 2 participă la ciclul normal al carbonului al materiei vii. După moartea unui organism viu, consumul de carbon se oprește și obiectele care conțin C pot fi datate prin măsurarea nivelului de radioactivitate 14 C. Scăderea b-radiaţia de 14 CO 2 este proporţională cu timpul scurs de la moarte. În 1960, W. Libby a primit Premiul Nobel pentru cercetarea carbonului radioactiv.

În starea fundamentală, 6 electroni de carbon formează o configurație electronică de 1 s 2 2s 2 2p x 1 2py 1 2pz 0 . Patru electroni de al doilea nivel sunt valența, care corespunde poziției carbonului în grupul IVA al sistemului periodic ( cm. TABEL PERIODIC AL ELEMENTELOR). Deoarece desprinderea unui electron de un atom în faza gazoasă necesită o energie mare (aproximativ 1070 kJ/mol), carbonul nu formează legături ionice cu alte elemente, deoarece aceasta ar necesita desprinderea unui electron cu formarea unui ion pozitiv. Cu o electronegativitate de 2,5, carbonul nu prezintă o afinitate puternică pentru electroni și, prin urmare, nu este un acceptor de electroni activ. Prin urmare, nu este predispus să formeze o particulă cu sarcină negativă. Dar cu o natură parțial ionică a legăturii, există unii compuși de carbon, de exemplu, carburi. În compuși, carbonul prezintă o stare de oxidare de 4. Pentru ca patru electroni să poată participa la formarea legăturilor, este necesară depărtarea lui 2. s-electroni și saltul unuia dintre acești electroni cu 2 pz-orbital; în acest caz, se formează 4 legături tetraedrice cu un unghi între ele de 109°. În compuși, electronii de valență ai carbonului sunt îndepărtați doar parțial de acesta, astfel încât carbonul formează legături covalente puternice între atomii vecini de tip C-C folosind o pereche de electroni comună. Energia de rupere a unei astfel de legături este de 335 kJ/mol, în timp ce pentru legătura Si–Si este de doar 210 kJ/mol; prin urmare, lanțurile lungi –Si–Si– sunt instabile. Natura covalentă a legăturii este păstrată chiar și în compușii de halogeni foarte reactivi cu carbon, CF4 și CCl4. Atomii de carbon sunt capabili să furnizeze mai mult de un electron din fiecare atom de carbon pentru formarea legăturilor; astfel se formează legături duble C=C și triple CºC. Alte elemente formează, de asemenea, legături între atomii lor, dar numai carbonul este capabil să formeze lanțuri lungi. Prin urmare, mii de compuși sunt cunoscuți pentru carbon, numiți hidrocarburi, în care carbonul este legat de hidrogen și alți atomi de carbon, formând catene lungi sau structuri inelare. Cm. CHIMIE ORGANICE.

În acești compuși, este posibilă înlocuirea hidrogenului cu alți atomi, cel mai adesea cu oxigen, azot și halogeni, cu formarea multor compuși organici. Fluorocarburile, hidrocarburi în care hidrogenul este înlocuit cu fluor, ocupă un loc important printre ele. Astfel de compuși sunt extrem de inerți și sunt utilizați ca plastic și lubrifianți (fluorocarburi, adică hidrocarburi în care toți atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu atomi de fluor) și ca agenți frigorifici la temperatură joasă (freoni, sau freoni, - fluoroclorhidrocarburi).

În anii 1980, fizicienii americani au descoperit compuși de carbon foarte interesanți în care atomii de carbon sunt legați în 5 sau 6 gooane, formând o moleculă C 60 sub forma unei mingi goale, cu o simetrie perfectă a mingii de fotbal. Întrucât un astfel de design stă la baza „domului geodezic” inventat de arhitectul și inginerul american Buckminster Fuller, noua clasa compuși a fost numit „buckminsterfullerenes” sau „fulerene” (și, de asemenea, mai pe scurt, „fasiballs” sau „buckyballs”). Fulerenele - a treia modificare a carbonului pur (cu excepția diamantului și grafitului), constând din 60 sau 70 (și chiar mai mulți) atomi - a fost obținută prin acțiunea radiației laser asupra celor mai mici particule de carbon. Fulerenele de o formă mai complexă constau din câteva sute de atomi de carbon. Diametrul moleculei C60 este de ~ 1 nm. Există suficient spațiu în centrul unei astfel de molecule pentru a găzdui un atom mare de uraniu.

masa atomică standard.

În 1961, Uniunile Internaționale de Chimie Pură și Aplicată (IUPAC) și în fizică au adoptat masa izotopului de carbon 12 C ca unitate de masă atomică, eliminând scara de oxigen existentă anterior a maselor atomice. Masa atomică a carbonului în acest sistem este de 12.011, deoarece este media pentru cei trei izotopi naturali de carbon, ținând cont de abundența lor în natură. Cm. MASĂ ATOMICĂ.

Proprietățile chimice ale carbonului și ale unora dintre compușii săi.

Unele fizice și Proprietăți chimice carbon sunt date în articolul ELEMENTE CHIMICE. Reactivitatea carbonului depinde de modificarea, temperatura și dispersia acestuia. La temperaturi scăzute toate formele de carbon sunt destul de inerte, dar atunci când sunt încălzite, sunt oxidate de oxigenul atmosferic, formând oxizi:

Carbonul fin dispersat în exces de oxigen este capabil să explodeze atunci când este încălzit sau de la o scânteie. Pe lângă oxidarea directă, există metode mai moderne de obținere a oxizilor.

suboxid de carbon

C 3 O 2 se formează în timpul deshidratării acidului malonic peste P 4 O 10:

C 3 O 2 are un miros neplăcut, se hidrolizează ușor, reformând acidul malonic.

Monoxid de carbon (II) CO se formează în timpul oxidării oricărei modificări a carbonului în absența oxigenului. Reacția este exotermă, se eliberează 111,6 kJ/mol. Cocsul la căldură albă reacţionează cu apa: C + H 2 O = CO + H 2; în curs de dezvoltare amestec de gaze se numește „gaz de apă” și este un combustibil gazos. De asemenea, CO se formează în timpul arderii incomplete a produselor petroliere, se găsește în cantități semnificative în gazele de eșapament ale automobilelor și se obține prin disocierea termică a acidului formic:

Starea de oxidare a carbonului în CO este +2 și, deoarece carbonul este mai stabil în starea de oxidare +4, CO este ușor oxidat de oxigen la CO 2: CO + O 2 → CO 2, această reacție este extrem de exotermă (283 kJ / mol). CO este utilizat în industrie în amestec cu H 2 și alte gaze combustibile ca combustibil sau agent reducător gazos. Când este încălzit la 500 ° C, CO formează C și CO 2 într-o măsură vizibilă, dar la 1000 ° C, echilibrul este stabilit la concentrații scăzute de CO 2. CO reacționează cu clorul, formând fosgen - COCl 2, reacțiile cu alți halogeni decurg similar, în reacția cu sulful se obține sulfură de carbonil COS, cu metale (M) CO formează carbonili de diverse compoziții M (CO) X, care sunt compuși complecși. Carbonilul de fier se formează prin interacțiunea hemoglobinei din sânge cu CO, prevenind reacția hemoglobinei cu oxigenul, deoarece carbonilul de fier este un compus mai puternic. Ca urmare, funcția hemoglobinei ca purtător de oxigen pentru celule este blocată, care în acest caz mor (și în primul rând sunt afectate celulele creierului). (De aici un alt nume pentru CO - " monoxid de carbon"). Deja 1% (vol.) CO în aer este periculos pentru o persoană dacă se află într-o astfel de atmosferă mai mult de 10 minute. Unele proprietăți fizice ale CO sunt prezentate în tabel.

Dioxid de carbon sau monoxid de carbon (IV) CO 2 se formează în timpul arderii carbonului elementar în exces de oxigen cu degajare de căldură (395 kJ/mol). CO 2 (numele trivial este „dioxid de carbon”) se formează și în timpul oxidării complete a CO, a produselor petroliere, a benzinei, a uleiurilor și a altor compuși organici. Când carbonații sunt dizolvați în apă, CO 2 este, de asemenea, eliberat ca rezultat al hidrolizei:

Această reacție este adesea folosită în practica de laborator pentru a obține CO 2 . Acest gaz poate fi obținut și prin calcinarea bicarbonaților metalici:

în interacțiunea fază gazoasă a aburului supraîncălzit cu CO:

la arderea hidrocarburilor și a derivaților lor de oxigen, de exemplu:

În mod similar, produsele alimentare sunt oxidate într-un organism viu cu eliberarea de energie termică și de alte tipuri. În acest caz, oxidarea are loc în condiții blânde prin etape intermediare, dar produsele finale sunt aceleași - CO 2 și H 2 O, ca, de exemplu, în timpul descompunerii zaharurilor sub acțiunea enzimelor, în special în timpul fermentației glucozei:

Producția cu tonaj mare de dioxid de carbon și oxizi metalici se realizează în industrie prin descompunerea termică a carbonaților:

CaO este utilizat în cantități mari în tehnologia de producție a cimentului. Stabilitatea termică a carbonaților și consumul de căldură pentru descompunerea lor conform acestei scheme cresc în seria CaCO 3 ( Vezi si PREVENIREA INCENDIILOR ȘI PROTECȚIA INCENDIILOR).

Structura electronică a oxizilor de carbon.

Structura electronică a oricărui monoxid de carbon poate fi descrisă prin trei scheme echiprobabile cu diferite aranjamente de perechi de electroni - trei forme rezonante:

Toți oxizii de carbon au o structură liniară.

Acid carbonic.

Când CO2 interacționează cu apa, se formează acid carbonic H2CO3. Într-o soluție saturată de CO2 (0,034 mol/l), doar o parte din molecule formează H2CO3, iar cea mai mare parte a CO2 este în stare hidratată de CO2CHH2O.

Carbonați.

Carbonații se formează prin interacțiunea oxizilor metalici cu CO 2, de exemplu, Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

Cu excepția carbonaților de metale alcaline, restul sunt practic insolubili în apă, iar carbonatul de calciu este parțial solubil în acid carbonic sau soluție de CO 2 în apă sub presiune:

Aceste procese au loc în apele subterane care curg prin stratul de calcar. In conditii presiune scăzută si evaporarea din panza freatica conţinând Ca(HC03)2 CaC03 precipitat. Așa cresc stalactitele și stalagmitele în peșteri. Culoarea acestor formațiuni geologice interesante se explică prin prezența impurităților de ioni de fier, cupru, mangan și crom în ape. Dioxidul de carbon reacționează cu hidroxizii metalici și soluțiile acestora pentru a forma hidrocarbonați, de exemplu:

CS2 + 2Cl2® CCl4 + 2S

Tetraclorura CCl 4 este o substanță neinflamabilă, folosită ca solvent în procesele de curățare chimică, dar nu este recomandată utilizarea ca ignifug, deoarece la temperatură ridicată formează fosgen toxic (o substanță gazoasă otrăvitoare). CCl 4 în sine este, de asemenea, otrăvitor și, dacă este inhalat în cantități apreciabile, poate provoca intoxicații hepatice. CCl4 se formează de asemenea printr-o reacție fotochimică între metan CH4 și CI2; în acest caz, este posibilă formarea de produse de clorurare incompletă a metanului - CHCl 3 , CH 2 Cl 2 și CH 3 Cl. Reacțiile se desfășoară în mod similar cu alți halogeni.

reacții cu grafit.

Grafitul ca modificare a carbonului, caracterizat prin distanțe mari între straturile de inele hexagonale, intră în reacții neobișnuite, de exemplu, Metale alcaline, halogenii și unele săruri (FeCl 3) pătrund între straturi, formând compuși de tipul KC 8 , KC 16 (numiți compuși interstițiali, de incluziune sau clatrat). Agenți oxidanți puternici, cum ar fi KClO 3 în mediu acid (sulfuric sau acid azotic) formează substanţe cu volum mare rețea cristalină(până la 6 Å între straturi), care se explică prin introducerea de atomi de oxigen și formarea de compuși, pe suprafața cărora, ca urmare a oxidării, se formează grupări carboxil (–COOH) - compuși de tipul acidului grafit oxidat sau melitic (benzenhexacarboxilic) C 6 (COOH) 6 (COOH). În acești compuși, raportul C:O poate varia de la 6:1 la 6:2,5.

Carburi.

Carbonul formează cu metale, bor și siliciu diverși compuși numiți carburi. Cele mai active metale (subgrupe IA-IIIA) formează carburi asemănătoare sărurilor, de exemplu, Na2C2, CaC2, Mg4C3, Al4C3. În industrie, carbura de calciu este obținută din cocs și calcar prin următoarele reacții:

Carburele sunt neconductoare, aproape incolore, se hidrolizează pentru a forma hidrocarburi, de exemplu

CaC 2 + 2H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2

Acetilena C2H2 formată prin reacție servește ca materie primă în producerea multor substanțe organice. Acest proces este interesant deoarece reprezintă trecerea de la materii prime de natură anorganică la sinteza compușilor organici. Carburele care formează acetilenă la hidroliză se numesc acetilide. În siliciul și carburile de bor (SiC și B 4 C), legătura dintre atomi este covalentă. Metalele de tranziție (elementele subgrupului B) când sunt încălzite cu carbon formează și carburi cu compoziție variabilă în fisurile de pe suprafața metalului; legătura dintre ele este aproape de metal. Unele carburi de acest tip, cum ar fi WC, W2C, TiC și SiC, se caracterizează prin duritate și refractaritate ridicate și au o conductivitate electrică bună. De exemplu, NbC, TaC și HfC sunt cele mai refractare substanțe (p.t. = 4000–4200 ° C), carbura de diniobiu Nb 2 C este un supraconductor la 9,18 K, TiC și W 2 C sunt apropiate ca duritate de diamant, iar duritatea lui B 4 C (un analog structural pe scara Moh 5) este similară cu diamantul 9. cm. orez. 2). Se formează carburi inerte dacă raza metalului de tranziție

Derivați de azot ai carbonului.

Această grupă include ureea NH 2 CONH 2 - un îngrășământ cu azot utilizat sub formă de soluție. Ureea se obține din NH3 și CO2 când este încălzită sub presiune:

Cianogenul (CN) 2 este similar în multe proprietăți cu halogenii și este adesea denumit pseudohalogen. Cianura se obtine prin oxidarea usoara a ionului de cianura cu oxigen, peroxid de hidrogen sau ion Cu 2+: 2CN - ® (CN) 2 + 2e.

Ionul de cianură, fiind donor de electroni, formează cu ușurință compuși complecși cu ioni de metale de tranziție. La fel ca CO, ionul de cianură este o otravă, care leagă compuși vitali ai fierului într-un organism viu. Ionii complexi de cianuri au formula generala –0,5X, Unde X este numărul de coordonare al metalului (agent de complexare), empiric egal cu dublul valorii stării de oxidare a ionului metalic. Exemple de astfel de ioni complecși sunt (structura unor ioni este prezentată mai jos) tetraciano-nichelat (II) -ion 2–, hexacianoferrat (III) 3–, dicianoargentat -:

Carbonili.

Monoxidul de carbon este capabil să reacționeze direct cu multe metale sau ioni metalici, formând compuși complecși numiți carbonili, cum ar fi Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9,3, Mo(CO)6,2. Legătura din acești compuși este similară cu legătura din complecșii ciano descriși mai sus. Ni(CO)4 este o substanță volatilă folosită pentru a separa nichelul de alte metale. Deteriorarea structurii fontei și oțelului în structuri este adesea asociată cu formarea carbonililor. Hidrogenul poate face parte din carbonili, formând hidruri de carbonil, cum ar fi H2Fe (CO)4 și HCo (CO)4, care prezintă proprietăți acide și reacţionează cu alcalii:

H2Fe(CO)4 + NaOH → NaHFe(CO)4 + H2O

Halogenurile de carbonil sunt de asemenea cunoscute, de exemplu Fe (CO) X 2 , Fe (CO ) 2 X 2 , Co (CO ) I 2 , Pt (CO) CI 2 , unde X este orice halogen.

Hidrocarburi.

Se cunosc un număr mare de compuși ai carbonului cu hidrogen

Zona importanta aplicație practică ultimele descoperiri în domeniul fizicii, chimiei și chiar astronomiei - crearea și studiul de noi materiale cu neobișnuite, uneori proprietăți unice. Despre direcțiile în care se desfășoară aceste lucrări și ce au reușit deja să realizeze oamenii de știință, vom povesti într-o serie de articole create în parteneriat cu Universitatea Federală Ural. Primul nostru text este dedicat materialelor neobișnuite care pot fi obținute din cea mai comună substanță - carbonul.

Dacă întrebi un chimist care element este cel mai important, poți obține o mulțime de răspunsuri diferite. Cineva va spune despre hidrogen - cel mai comun element din univers, cineva despre oxigen - cel mai comun element din scoarța terestră. Dar cel mai adesea veți auzi răspunsul „carbon” - el este cel care stă la baza tuturor substanțelor organice, de la ADN și proteine ​​până la alcooli și hidrocarburi.

Articolul nostru este dedicat diverselor aspecte ale acestui element: se dovedește că numai din atomii săi pot fi construite zeci de materiale diferite - de la grafit la diamant, de la carbyne la fulerene și nanotuburi. Deși toate constau din exact aceiași atomi de carbon, proprietățile lor sunt radical diferite - iar aranjarea atomilor în material joacă un rol major în acest sens.

Grafit

Cel mai adesea în natură, carbonul pur poate fi găsit sub formă de grafit - un material negru moale care se exfoliază cu ușurință și pare a fi alunecos la atingere. Mulți își amintesc că minele de creion sunt făcute din grafit - dar acest lucru nu este întotdeauna adevărat. Adesea, mina este făcută dintr-un compozit de așchii de grafit și lipici, dar există și creioane complet din grafit. Interesant este că mai mult de o douăzecime din producția mondială de grafit natural este cheltuită pe creioane.

Ce are special grafitul? În primul rând, îi merge bine. electricitate- deși carbonul în sine nu este ca alte metale. Dacă luăm o placă de grafit, se dovedește că conductivitatea de-a lungul planului său este de aproximativ o sută de ori mai mare decât în ​​direcția transversală. Acest lucru este direct legat de modul în care atomii de carbon din material sunt organizați.

Dacă ne uităm la structura grafitului, vom vedea că acesta constă din straturi separate de un atom grosime. Fiecare dintre straturi este o grilă de hexagoane, asemănătoare cu un fagure. Atomii de carbon din strat sunt legați prin legături chimice covalente. Mai mult, unii dintre electronii care asigură legătura chimică sunt „untați” pe întregul plan. Ușurința mișcării lor determină conductivitatea ridicată a grafitului de-a lungul planului fulgilor de carbon.

Straturile separate sunt interconectate datorită forțelor van der Waals - ele sunt mult mai slabe decât legătura chimică obișnuită, dar suficiente pentru a se asigura că cristalul de grafit nu se delaminează spontan. O astfel de discrepanță duce la faptul că este mult mai dificil pentru electroni să se miște perpendicular pe planuri - rezistența electrică crește de 100 de ori.

Datorită conductivității sale electrice, precum și capacității de a încorpora atomi ai altor elemente între straturi, grafitul este folosit ca anozi pentru bateriile litiu-ion și alte surse de curent. Electrozii de grafit sunt esențiali pentru producția de aluminiu metalic - și chiar și troleibuzele folosesc contacte glisante din grafit ale colectoarelor de curent.

În plus, grafitul este un diamagnet cu una dintre cele mai mari sensibilități pe unitate de masă. Aceasta înseamnă că, dacă plasați o bucată de grafit într-un câmp magnetic, atunci va încerca în toate modurile posibile să împingă acest câmp din sine - până la punctul în care grafitul poate levita peste un magnet suficient de puternic.

Iar ultima proprietate importantă a grafitului este refractaritatea sa incredibilă. Cea mai refractară substanță astăzi este una dintre carburile de hafniu cu un punct de topire de aproximativ 4000 de grade Celsius. Totuși, dacă încercați să topiți grafitul, atunci la presiuni de aproximativ o sută de atmosfere, acesta va păstra duritatea până la 4800 de grade Celsius (la presiunea atmosferică, grafitul se sublimează - se evaporă, ocolind faza lichidă). Ca rezultat, materialele pe bază de grafit sunt utilizate, de exemplu, în corpurile duzelor de rachetă.

Diamant

Multe materiale sub presiune încep să-și schimbe structura atomică - are loc o tranziție de fază. Grafitul în acest sens nu este diferit de alte materiale. La presiuni de o sută de mii de atmosfere și o temperatură de 1–2 mii de grade Celsius, straturile de carbon încep să se apropie unul de celălalt, apar legături chimice între ele și, odată ce planurile netede devin ondulate. Se formează un diamant, una dintre cele mai frumoase forme de carbon.

Proprietățile diamantului sunt radical diferite de cele ale grafitului - este un material dur transparent. Este extrem de greu de zgâriat (proprietorul de 10 pe scara de duritate Mohs, aceasta este duritatea maximă). În același timp, conductivitatea electrică a diamantului și grafitului diferă cu un factor de chintilioane (acesta este un număr cu 18 zerouri).

Diamant în stâncă

Wikimedia Commons

Acest lucru determină utilizarea diamantelor: majoritatea diamantelor extrase și artificiale sunt folosite în prelucrarea metalelor și în alte industrii. De exemplu, roțile de șlefuit și sculele de tăiere cu pulbere de diamant sau acoperire sunt larg răspândite. Straturile de diamante sunt folosite chiar și în chirurgie - pentru bisturii. Utilizarea acestor pietre în industria de bijuterii este bine cunoscută de toată lumea.

Duritatea uimitoare este folosită și în cercetarea științifică - cu ajutorul diamantelor de înaltă calitate, laboratoarele studiază materialele la presiuni de milioane de atmosfere. Puteți citi mai multe despre acest lucru în materialul nostru „”.

Grafen

În loc să comprimăm și să încălzim grafitul, noi, după Andrey Geim și Konstantin Novoselov, vom lipi o bucată de bandă adezivă pe cristalul de grafit. Apoi desprindeți-l - un strat subțire de grafit va rămâne pe banda adezivă. Să repetăm ​​această operațiune încă o dată - vom atașa banda adezivă pe un strat subțire și o vom desprinde din nou. Stratul va deveni și mai subțire. Repetând procedura de câteva ori, obținem grafen - materialul pentru care fizicienii britanici menționați mai sus au primit Premiul Nobel în 2010.

Grafenul este un monostrat plat de atomi de carbon, complet identic cu straturile atomice de grafit. Popularitatea sa se datorează comportamentului neobișnuit al electronilor din el. Se mișcă de parcă nu ar avea deloc masă. În realitate, desigur, masa electronilor rămâne aceeași ca în orice substanță. Atomii de carbon din cadrul de grafen sunt de vină pentru tot, atrăgând particule încărcate și formând un câmp periodic special.

Dispozitiv pe bază de grafen. Pe fundalul fotografiei sunt contacte de aur, deasupra lor este grafen, deasupra este un strat subțire de metacrilat de polimetil

Inginerie la Cambridge / flickr.com

Consecința acestui comportament a fost mobilitatea mare a electronilor – aceștia se mișcă în grafen mult mai repede decât în ​​siliciu. Din acest motiv, mulți oameni de știință speră că grafenul va deveni baza electronicii viitorului.

Interesant, grafenul are omologii de carbon - și. Prima dintre acestea constă din secțiuni pentagonale ușor distorsionate și, spre deosebire de grafen, este un slab conductor de electricitate. Fagraphene este format din cinci, șase și secțiuni heptagonale. Dacă proprietățile grafenului sunt aceleași în toate direcțiile, atunci fagrafenul va avea o anizotropie pronunțată a proprietăților. Ambele materiale au fost prezise teoretic, dar nu există încă în realitate.

Un fragment dintr-un singur cristal de siliciu (în prim-plan) pe o matrice verticală de nanotuburi de carbon

nanotuburi de carbon

Imaginați-vă că ați rulat o bucată mică de foaie de grafen într-un tub și ați lipit capetele împreună. Rezultatul a fost o structură goală, constând din aceleași hexagoane de atomi de carbon ca și grafenul și grafitul - un nanotub de carbon. Acest material este în multe privințe înrudit cu grafenul - are o rezistență mecanică ridicată (odată ce s-a propus construirea unui ascensor în spațiu din nanotuburi de carbon), o mare mobilitate a electronilor.

Cu toate acestea, există o caracteristică neobișnuită. Foaia de grafen poate fi răsucită paralel cu o margine imaginară (partea unuia dintre hexagoane) sau în unghi. Se dovedește că modul în care răsucim un nanotub de carbon va afecta foarte mult proprietățile sale electronice, și anume: va arăta mai mult ca un semiconductor cu o bandă interzisă sau un metal.

Nanotub de carbon multistrat

Wikimedia Commons

Când nanotuburile de carbon au fost observate pentru prima dată nu se știe cu siguranță. În anii 1950–1980 grupuri diferite cercetătorii implicați în cataliza reacțiilor care implică hidrocarburi (de exemplu, piroliza metanului) au acordat atenție structurilor alungite din funinginea care acoperă catalizatorul. Acum, pentru a sintetiza nanotuburi de carbon doar de un anumit tip (de o anumită chiralitate), chimiștii sugerează utilizarea semințelor speciale. Acestea sunt molecule mici sub formă de inele, care, la rândul lor, constau din inele benzenice hexagonale. Puteți citi despre munca la sinteza lor, de exemplu,.

La fel ca grafenul, nanotuburile de carbon pot găsi aplicații grozave în microelectronică. Au fost deja creați primii tranzistori bazați pe nanotuburi, care sunt dispozitive tradiționale din siliciu în ceea ce privește proprietățile lor. În plus, nanotuburile au format baza tranzistorului cu.

Carabină

Vorbind de structurile alungite ale atomilor de carbon, nu se poate să nu menționăm carabinele. Acestea sunt lanțuri liniare, care, potrivit teoreticienilor, se pot dovedi a fi cel mai puternic material posibil (vorbim despre rezistența specifică). De exemplu, modulul Young pentru carabină este estimat la 10 giganewtoni pe kilogram. Pentru oțel, această cifră este de 400 de ori mai mică, pentru grafen - de cel puțin două ori mai puțin.

Fir subțire care se întinde până la particulele de fier de dedesubt - carabină

Wikimedia Commons

Carbyne sunt de două tipuri, în funcție de modul în care sunt aranjate legăturile dintre atomii de carbon. Dacă toate legăturile din lanț sunt aceleași, atunci vorbim de cumulen, dar dacă legăturile alternează (single-triplu-single-triplu și așa mai departe), atunci vorbim de poliine. Fizicienii au demonstrat că firul de carabină poate fi „commutat” între aceste două tipuri prin deformare – atunci când este întins, cumulenul se transformă în poliină. Interesant este că acest lucru schimbă radical proprietățile electrice ale carbinei. Dacă poliina conduce electricitatea, atunci cumulenul este un dielectric.

Principala dificultate în studierea carbinelor este că sunt foarte greu de sintetizat. Acestea sunt substanțe chimic active, în plus, se oxidează ușor. Astăzi, lanțurile au doar șase mii de atomi lungime. Pentru a realiza acest lucru, chimiștii au trebuit să crească carbină în interiorul unui nanotub de carbon. În plus, sinteza carabinei va ajuta la spargerea recordului de dimensiune a porții într-un tranzistor - poate fi redusă la un atom.

Fulerene

Deși hexagonul este una dintre cele mai stabile configurații pe care le pot forma atomii de carbon, există o întreagă clasă de obiecte compacte în care pentagon obișnuit din carbon. Aceste obiecte se numesc fullerene.

În 1985, Harold Kroto, Robert Curl și Richard Smalley au investigat vaporii de carbon și ce fragmente se lipesc atomii de carbon atunci când sunt răciți. S-a dovedit că există două clase de obiecte în faza gazoasă. Primul este grupuri formate din 2-25 de atomi: lanțuri, inele și alte structuri simple. Al doilea sunt clustere formate din 40-150 de atomi, care nu au fost observate înainte. În următorii cinci ani, chimiștii au reușit să demonstreze că această a doua clasă era un cadru gol de atomi de carbon, dintre care cel mai stabil consta din 60 de atomi și se repetă în formă. minge de fotbal. C 60 , sau buckminsterfullerene, a constat din douăzeci de secțiuni hexagonale și 12 secțiuni pentagonale fixate împreună într-o sferă.

Descoperirea fulerenelor a trezit un mare interes în rândul chimiștilor. Ulterior, a fost sintetizată o clasă neobișnuită de endofulerene - fulerene, în cavitatea cărora se afla un atom străin sau o moleculă mică. De exemplu, în urmă cu doar un an în fullerene pentru prima dată o moleculă acid hidrofloric, ceea ce a făcut posibilă determinarea foarte precisă a proprietăților sale electronice.

Fullerite - cristale de fullerene

Wikimedia Commons

În 1991, s-a dovedit că fulleridele - cristale de fullerene, în care o parte din cavitățile dintre poliedrele vecine sunt ocupate de metale - sunt supraconductori moleculari cu o temperatură de tranziție ridicată record pentru această clasă, și anume 18 kelvin (pentru K 3 C 60). Mai târziu, fulleridele au fost găsite cu o temperatură de tranziție și mai mare - 33 kelvin, Cs 2 RbC 60 . Astfel de proprietăți s-au dovedit a fi direct legate de structura electronică a materiei.

Q-carbon

Printre recent forme deschise carbonul poate fi remarcat așa-numitul Q-carbon. A fost primul cercetător american în domeniul materialelor de la Universitatea din Carolina de Nord în 2015. Oamenii de știință au iradiat carbon amorf cu un laser puternic, încălzind local materialul la 4000 de grade Celsius. Ca rezultat, aproximativ un sfert din toți atomii de carbon din substanță au avut hibridizare sp 2, adică aceeași stare electronică ca și în grafit. Atomii Q-carbon rămași au păstrat caracteristica de hibridizare a diamantului.

Q-carbon

Spre deosebire de diamant, grafit și alte forme de carbon, Q-carbon este un feromagnet, cum ar fi magnetitul sau fierul. În același timp, temperatura lui Curie era de aproximativ 220 de grade Celsius - doar cu o astfel de încălzire materialul și-a pierdut proprietățile magnetice. Și când Q-carbonul a fost dopat cu bor, fizicienii au obținut un alt supraconductor de carbon, cu o temperatură de tranziție de aproximativ 58 kelvin.

***

Nu sunt enumerate toate formele cunoscute de carbon. Mai mult, chiar acum teoreticienii și experimentatorii creează și studiază noi materiale de carbon. În special, o astfel de muncă se desfășoară la Universitatea Federală Ural. Am apelat la Anatoly Fedorovich Zatsepin, profesor asociat și cercetător șef la Institutul de Fizică și Tehnologie al Universității Federale Ural, pentru a afla cum să prezicem proprietățile materialelor încă nesintetizate și să creăm noi forme de carbon.

Anatoly Zatsepin lucrează la una dintre cele șase descoperiri proiecte științifice Universitatea Federală Ural „Dezvoltarea principiilor fundamentale ale noilor materiale funcționale bazate pe modificări de dimensiuni reduse ale carbonului”. Lucrarea se desfășoară cu parteneri academici și industriali din Rusia și din lume.

Proiectul este implementat de Institutul de Fizică și Tehnologie al UrFU, o unitate academică strategică (SAU) a universității. Poziția universității în clasamentele rusești și internaționale, în primul rând pe domenii, depinde de succesul cercetătorilor.

N+1: Proprietățile nanomaterialelor de carbon sunt foarte dependente de structură și variază foarte mult. Este posibil să preziceți cumva proprietățile unui material din structura sa în avans?

Anatoly Zatsepin: Este posibil să prezicem și noi o facem. Există metode de simulare pe calculator care efectuează calcule cu principiile de bază ( ab initio) - punem o anumită structură, modelăm și luăm totul caracteristici fundamentale atomii care alcătuiesc această structură. Ca urmare, se obțin acele proprietăți pe care le poate avea materialul sau substanța nouă pe care o modelăm. În special, în ceea ce privește carbonul, am reușit să modelăm noi modificări necunoscute naturii. Ele pot fi create artificial.

În special, laboratorul nostru de la Universitatea Federală Ural dezvoltă, sintetizează și cercetează în prezent proprietățile unui nou tip de carbon. Poate fi numit astfel: carbon cu lanț liniar ordonat bidimensional. Un nume atât de lung se datorează faptului că acest material este o așa-numită structură 2D. Acestea sunt filme compuse din lanțuri de carbon separate, iar în cadrul fiecărui lanț atomii de carbon sunt în aceeași „formă chimică” - hibridizare sp 1. Acest lucru dă proprietăți complet neobișnuite materialului; în lanțurile de carbon sp 1, rezistența depășește rezistența diamantului și a altor modificări ale carbonului.

Când formăm filme din aceste lanțuri, se obține un nou material care are proprietățile inerente lanțurilor de carbon, plus combinația acestor lanțuri ordonate formează o structură bidimensională sau superlatice pe un substrat special. Un astfel de material are perspective mari nu numai datorită proprietăților sale mecanice. Cel mai important, lanțurile de carbon într-o anumită configurație pot fi închise într-un inel și apar proprietăți foarte interesante, cum ar fi supraconductibilitatea, iar proprietățile magnetice ale unor astfel de materiale pot fi mai bune decât cele ale feromagneților existenți.

Provocarea rămâne să le creăm efectiv. Simularea noastră arată calea de urmat.

Eroarea există întotdeauna, dar adevărul este că calculele și modelarea primelor principii folosesc caracteristicile fundamentale ale atomilor individuali - proprietăți cuantice. Și când structurile sunt formate din acești atomi cuantici la un astfel de nivel micro și nano, atunci erorile sunt asociate cu limitarea existentă a teoriei și a acelor modele care există. De exemplu, se știe că ecuația Schrödinger poate fi rezolvată exact doar pentru atomul de hidrogen, în timp ce pentru atomii mai grei trebuie folosite anumite aproximări dacă vorbim de solide sau de sisteme mai complexe.

Pe de altă parte, pot apărea erori din cauza calculelor computerizate. Cu toate acestea, erorile grave sunt excluse, iar acuratețea este suficientă pentru a prezice una sau alta proprietate sau efect care va fi inerent unui anumit material.

Când vine vorba de materiale de carbon, există multe variații și sunt sigur că nu au fost încă explorate și descoperite multe. UrFU are totul pentru a cerceta noi materiale de carbon și mai este mult de lucru.

De asemenea, ne ocupăm de alte obiecte, de exemplu, materiale de siliciu pentru microelectronică. Siliciul și carbonul sunt, apropo, analogi, sunt în același grup în tabelul periodic.

Vladimir Korolev

Carbonul este cunoscut din cele mai vechi timpuri. În 1778, K. Scheele, încălzind grafitul cu salpetru, a descoperit că în acest caz, ca și în încălzirea cărbunelui cu salpetru, se eliberează dioxid de carbon. Compoziția chimică a diamantului a fost stabilită ca urmare a experimentelor lui A. Lavoisier (1772) privind arderea diamantului în aer și a studiilor lui S. Tennant (1797), care a demonstrat că aceleași cantități de diamant și cărbune dau cantități egale de dioxid de carbon în timpul oxidării. Carbonul ca element chimic a fost recunoscut abia în 1789 de A. Lavoisier. ÎN începutul XIX V. vechiul cuvânt cărbune din literatura chimică rusă a fost uneori înlocuit cu cuvântul „cărbune” (Sherer, 1807; Severgin, 1815); din 1824 Solovyov a introdus denumirea de carbon. Carbon a primit numele latin de carboneum de la carbon - cărbune.

Chitanță:

Arderea incompletă a metanului: CH 4 + O 2 \u003d C + 2H 2 O (funingine);
Distilarea uscată a lemnului, cărbunelui (cărbune, cocs).

Proprietăți fizice:

Sunt cunoscute mai multe modificări cristaline ale carbonului: grafit, diamant, carabină, grafen.
Grafit- gri-negru, opac, uleios la atingere, solz, masa foarte moale cu o luciu metalic. La temperatura camereiși presiune normală (0,1 MN/m2, sau 1kgf/cm2), grafitul este stabil termodinamic. La presiunea atmosferică și la o temperatură de aproximativ 3700°C, grafitul se sublimează. Carbonul lichid poate fi obținut la presiuni de peste 10,5 MN/m2 (1051 kgf/cm2) și temperaturi peste 3700°C. Structura grafitului cu granulație fină stă la baza structurii carbonului „amorf”, care nu este o modificare independentă (cocs, funingine, cărbune). Încălzirea unor varietăți de carbon „amorf” peste 1500-1600°C fără aer determină transformarea lor în grafit. Proprietățile fizice ale carbonului „amorf” depind foarte mult de finețea particulelor și de prezența impurităților. Densitatea, capacitatea termică, conductibilitatea termică și conductibilitatea electrică a carbonului „amorf” este întotdeauna mai mare decât cea a grafitului.
Diamant- substanta foarte solida, cristalina. Cristalele au o rețea cubică centrată pe fețe: a=3,560. La temperatura camerei și la presiune normală, diamantul este metastabil. O transformare notabilă a diamantului în grafit se observă la temperaturi de peste 1400°C în vid sau într-o atmosferă inertă.
Carabină obtinut artificial. Este o pulbere neagră fin cristalină (densitate 1,9 - 2 g/cm3). Este construit din lanțuri lungi de atomi de C stivuiți paralel unul cu celălalt.
Grafen- un strat monomolecular (un strat gros de o moleculă) de atomi de carbon, care sunt împachetate dens într-o rețea bidimensională care seamănă cu un fagure de miere. Grafenul a fost descoperit și studiat pentru prima dată de Alexander Geim și Konstantin Novoselov, care a câștigat Premiul Nobel pentru Fizică în 2010 pentru această descoperire.

Proprietăți chimice:

Carbonul este inactiv, la frig reactioneaza doar cu F 2 (formand CF 4). Când este încălzit, reacționează cu multe nemetale și substanțe complexe, prezentând proprietăți reducătoare:
CO2 + C = CO peste 900°C
2H 2 O + C \u003d CO 2 + H 2 peste 1000 ° C sau H 2 O + C \u003d CO + H 2 peste 1200 ° C
CuO + C = Cu + CO
HNO 3 + 3C \u003d 3 CO 2 + 4 NO + 2 H 2 O
Proprietățile oxidante slabe se manifestă în reacții cu metale, hidrogen
Ca + C \u003d CaC 2 carbură de calciu
Si + C = CSi carborundum
CaO + C \u003d CaC 2 + CO

Cele mai importante conexiuni:

oxizi CO, CO2
Acid carbonic H2CO3, carbonați de calciu (cretă, marmură, calcit, calcar),
Carburi SaS 2
materie organică de exemplu, carbohidrați, proteine, grăsimi

Aplicație:

Grafitul este folosit în industria creionului și este folosit și ca lubrifiant la temperaturi deosebit de ridicate sau scăzute. Diamantul este folosit ca material abraziv, pietre pretioaseîn bijuterii. Duzele de șlefuit ale burghiilor au un strat de diamant. În farmacologie și medicină se folosesc compuși de carbon - derivați ai acidului carbonic și acizi carboxilici, diverși heterocicli, polimeri etc. Astfel, carbolina ( Cărbune activ), este folosit pentru absorbția și eliminarea diferitelor toxine din organism; grafit (sub formă de unguente) - pentru tratament boli de piele; izotopi radioactivi ai carbonului – pt cercetare științifică(analiza radiocarbonului). Carbonul sub formă de combustibili fosili: cărbunele și hidrocarburile (petrol, gaze naturale) este una dintre cele mai importante surse de energie pentru omenire.

Karpenko D.
Universitatea de Stat HF ​​Tyumen 561gr.

Surse:
Carbon // Wikipedia. Data actualizării: 18.01.2019. URL: https://ru.wikipedia.org/?oldid=97565890 (data accesului: 02/04/2019).

DEFINIȚIE

Carbon- al șaselea element al tabelului periodic. Denumirea - C din latinescul „carboneum”. Situat în a doua perioadă, grupul IVA. Se referă la nemetale. Sarcina nucleară este 6.

Carbonul se găsește în natură atât în ​​stare liberă, cât și sub formă de numeroși compuși. Carbonul liber apare sub formă de diamant și grafit. Pe lângă cărbunele fosil, există acumulări mari de petrol în intestinele Pământului. Cantități uriașe de săruri ale acidului carbonic, în special carbonat de calciu, se găsesc în scoarța terestră. Întotdeauna există dioxid de carbon în aer. În cele din urmă, organismele vegetale și animale constau din substanțe la formarea cărora participă carbonul. Astfel, acest element este unul dintre cele mai comune de pe Pământ, deși conținutul său total în scoarța terestră este de doar aproximativ 0,1% (greutate).

Greutatea atomică și moleculară a carbonului

Masa moleculară relativă a unei substanțe (M r ) este un număr care arată de câte ori masa unei molecule date este mai mare decât 1/12 din masa unui atom de carbon, iar masa atomică relativă a unui element (Ar r) este de câte ori masa medie a atomilor unui element chimic este mai mare decât 1/12 din masa unui atom de carbon.

Deoarece carbonul în stare liberă există sub formă de molecule C monoatomice, valorile maselor sale atomice și moleculare sunt aceleași. Ele sunt egale cu 12,0064.

Alotropia și modificările alotropice ale carbonului

În stare liberă, carbonul există sub formă de diamant, care cristalizează în sistemele cubic și hexagonal (lonsdaleit), și grafit, care aparține sistemului hexagonal (Fig. 1). Formele de carbon precum cărbunele, cocs sau funingine au o structură dezordonată. Exista si modificari alotropice obtinute pe cale sintetica - acestea sunt carabina si policumulena - soiuri de carbon construite din polimeri cu catenă liniară de tip -C= C- sau = C = C=.

Orez. 1. Modificări alotropice ale carbonului.

Sunt cunoscute și modificări alotropice ale carbonului, care poartă următoarele denumiri: grafen, fuleren, nanotuburi, nanofibre, astralen, carbon sticlos, nanotuburi colosale; carbon amorf, nanomuguri de carbon și nanospumă de carbon.

Izotopi ai carbonului

În natură, carbonul există sub forma a doi izotopi stabili 12 C (98,98%) și 13 C (1,07%). Numerele lor de masă sunt 12 și, respectiv, 13. Nucleul izotopului de carbon 12 C conține șase protoni și șase neutroni, iar izotopul 13 C conține același număr de protoni și cinci neutroni.

Există un izotop artificial de carbon (radioactiv), 14 C, cu un timp de înjumătățire de 5730 de ani.

ionii de carbon

Pe dinafara nivel de energie Un atom de carbon are patru electroni care sunt de valență:

1s 2 2s 2 2p 2 .

Ca rezultat al interacțiunii chimice, carbonul își poate pierde electronii de valență, adică. fi donatorul lor și se transformă în ioni încărcați pozitiv sau acceptă electroni de la un alt atom, adică să fie acceptorul lor și să se transforme în ioni încărcați negativ:

C0-2e → C2+;

C0-4e → C4+;

C0 +4e → C4-.

Moleculă și atom de carbon

În stare liberă, carbonul există sub formă de molecule monoatomice C. Iată câteva proprietăți care caracterizează atomul și molecula de carbon:

Aliaje de carbon

Cele mai cunoscute aliaje de carbon din întreaga lume sunt oțelul și fonta. Oțelul este un aliaj de fier și carbon, al cărui conținut de carbon nu depășește 2%. În fontă (de asemenea, un aliaj de fier cu carbon), conținutul de carbon este mai mare - de la 2 la 4%.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

EXEMPLUL 2

C (carboneum), un element chimic nemetalic din grupa IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) din Tabelul Periodic al Elementelor. Se găsește în natură sub formă de cristale de diamant (Fig. 1), grafit sau fullerenă și alte forme și face parte din substanțe organice (cărbune, ulei, organisme animale și vegetale etc.) și anorganice (calcar, bicarbonat de sodiu etc.). Carbonul este larg răspândit, dar conținutul său în scoarța terestră este de doar 0,19% ( Vezi si DIAMANT; FULLERENES).

Carbonul este utilizat pe scară largă sub formă de substanțe simple. Pe lângă diamantele prețioase, care fac obiectul bijuteriilor, diamantele industriale au o importanță deosebită pentru fabricarea sculelor de șlefuit și tăiat. Cărbunele și alte forme amorfe de carbon sunt utilizate pentru decolorare, purificare, adsorbție de gaze, în domeniile de tehnologie în care sunt necesari adsorbanți cu suprafață dezvoltată. Carburele, compușii de carbon cu metale, precum și cu bor și siliciu (de exemplu, Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) se caracterizează prin duritate ridicată și sunt utilizați la fabricarea sculelor abrazive și tăietoare. Carbonul este prezent în oțeluri și aliaje în stare elementară și sub formă de carburi. Saturarea suprafeței pieselor turnate de oțel cu carbon la temperatură ridicată (cimentare) crește semnificativ duritatea suprafeței și rezistența la uzură. Vezi si ALIAJE.

Există multe forme diferite de grafit în natură; unele sunt obținute artificial; sunt disponibile forme amorfe (ex. cocs și cărbune). Funingine, cărbune de os, negru de lampă, negru de acetilenă se formează atunci când hidrocarburile sunt arse în absența oxigenului. Așa-zisul carbon alb obținute prin sublimarea grafitului pirolitic la presiune redusă acestea sunt cele mai mici cristale transparente de frunze de grafit cu margini ascuțite.

Sunyaev Z.I. Carbon de petrol. M., 1980
Chimia carbonului hipercoordonat. M., 1990

Găsiți „CARBON” pe