Substanță cu 9 legături de carbon denumire. Rezumat: Carbonul și compușii săi anorganici de bază

Carbonul (simbol chimic - C) este un element chimic din grupa a 4-a a subgrupului principal al perioadei a 2-a a sistemului periodic al lui Mendeleev, numărul de serie 6, masa atomică a amestecului natural de izotopi este de 12,0107 g / mol.

La temperaturi obișnuite, carbonul este inert din punct de vedere chimic, la temperaturi suficient de ridicate se combină cu multe elemente și prezintă proprietăți reducătoare puternice. Activitate chimică diferite forme carbonul scade în serie: carbon amorf, grafit, diamant, în aer se aprind la temperaturi peste 300-500 °C, 600-700 °C, respectiv 850-1000 °C.

Izotopi:
Carbonul natural este format din doi izotopi stabili - 12C (98,892%) și 13C (1,108%) și un izotop radioactiv 14C (emițător β, T½ = 5730 ani) concentrați în atmosferă și în partea superioară a scoarței terestre. Se formează în mod constant în straturile inferioare ale stratosferei ca urmare a impactului neutronilor. radiații cosmice la nucleele de azot prin reacția: 14N (n, p) 14C și, de asemenea, de la mijlocul anilor 1950, ca produs artificial al funcționării centralei nucleare și ca rezultat al testelor bombe cu hidrogen.
Formarea și dezintegrarea 14C este baza metodei de datare cu radiocarbon, care este utilizată pe scară largă în geologia și arheologia cuaternarului.

alotropie:
Orbitalii electronici ai unui atom de carbon pot avea geometrii diferite, in functie de gradul de hibridizare a orbitalilor sai de electroni. Există trei geometrii de bază ale atomului de carbon.

Tetraedric, format prin amestecarea unui s- și a trei p-electroni (hibridare sp3). Atomul de carbon este situat în centrul tetraedrului, conectat prin patru legături σ echivalente la atomi de carbon sau alții la vârfurile tetraedrului. Această geometrie a atomului de carbon corespunde modificărilor alotropice ale diamantului de carbon și lonsdaleitei. Carbonul are o astfel de hibridizare, de exemplu, în metan și alte hidrocarburi.

Trigonal, format prin amestecarea unui orbital s- și a doi p-electron (hibridare sp²). Atomul de carbon are trei legături σ echivalente situate în același plan la un unghi de 120° una față de cealaltă. Orbitalul p, care nu este implicat în hibridizare și este situat perpendicular pe planul legăturilor σ, este folosit pentru a forma legături π cu alți atomi. Această geometrie a carbonului este tipică pentru grafit, fenol etc.
- digonală, formată prin amestecarea unui electron s- și unul p (sp-hibridare). În acest caz, doi nori de electroni sunt alungiți pe aceeași direcție și arată ca niște gantere asimetrice. Ceilalți doi electroni p formează legături π. Carbonul cu o astfel de geometrie a atomului formează o modificare alotropică specială - carabina.

Stari de oxidare +4, −4, rar +2 (CO, carburi metalice), +3 (C2N2, halocianati); afinitate electronică 1,27 eV; energia de ionizare în tranziția succesivă de la C0 la C4+ este 11,2604, 24,383, 47,871 și, respectiv, 64,19 eV.

Proprietățile chimice ale carbonului
Interacțiunea cu fluorul
Carbonul are o reactivitate scăzută; dintre halogeni, reacţionează numai cu fluor:

C + 2F2 = CF4.

Interacțiunea cu oxigenul
Când este încălzit, interacționează cu oxigenul:

2C + O2 = 2CO,

C + O2 = CO2,

formând oxizi de CO și CO2.

Interacțiunea cu alte nemetale
Reacţionează cu sulful:

nu interacționează cu azotul și fosforul.

Reacționează cu hidrogenul în prezența unui catalizator de nichel pentru a forma metan:

Interacțiunea cu metalele
Capabil să interacționeze cu metalele, formând carburi:
Ca + 2C = CaC2.

Interacțiunea cu apa
Când vaporii de apă sunt trecuți prin cărbune încins, se formează monoxid de carbon (II) și hidrogen:
C + H2O = CO + H2.

Proprietăți de restaurare
Carbonul este capabil să reducă multe metale din oxizii lor:
2ZnO + C = 2Zn + CO2.

sulfuric concentrat şi acid azotic când este încălzit, oxidează carbonul în monoxid de carbon (IV):

C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O.

Carbon in sistem periodic elemente se situează în a doua perioadă în grupa IVA. Configurația electronică a atomului de carbon ls 2 2s 2 2p 2 . Când este excitat, se realizează cu ușurință o stare electronică în care există patru electroni nepereche în cei patru orbitali atomici exteriori:

Acest lucru explică de ce carbonul din compuși este de obicei tetravalent. Egalitatea numărului de electroni de valență din atomul de carbon cu numărul de orbitali de valență, precum și raportul unic dintre sarcina nucleară și raza atomului, îi conferă capacitatea de a adăuga și dona electroni la fel de ușor, în funcție de proprietățile partenerului (Sec. 9.3.1). Ca rezultat, carbonul se caracterizează prin diferite stări de oxidare de la -4 la +4 și prin ușurința hibridizării orbitalilor săi atomici în funcție de tip. sp3,sp2Și sp 1în timpul formării legăturilor chimice (secțiunea 2.1.3):

Toate acestea conferă carbonului capacitatea de a forma legături simple, duble și triple nu numai între ele, ci și cu atomii altor elemente organogene. Moleculele formate în acest caz pot avea o structură liniară, ramificată și ciclică.

Datorită mobilității electronilor comuni - MO formată cu participarea atomilor de carbon, aceștia sunt deplasați către atomul unui element mai electronegativ (efect inductiv), ceea ce duce la polaritatea nu numai a acestei legături, ci și a moleculei în ansamblu. . Cu toate acestea, carbonul, datorită valorii medii a electronegativității (0E0 = 2,5), formează legături slab polare cu atomii altor elemente organogene (Tabelul 12.1). În prezența sistemelor de legături conjugate în molecule (Sec. 2.1.3), electronii mobili (MO) și perechile de electroni neîmpărțiți sunt delocalizați odată cu alinierea densității electronilor și a lungimii legăturilor în aceste sisteme.

Din punctul de vedere al reactivității compușilor, polarizabilitatea legăturilor joacă un rol important (Sec. 2.1.3). Cu cât polarizabilitatea unei legături este mai mare, cu atât reactivitatea acesteia este mai mare. Dependența polarizabilității legăturilor care conțin carbon de natura lor reflectă următoarea serie:

Toate datele luate în considerare cu privire la proprietățile legăturilor care conțin carbon indică faptul că carbonul din compuși formează, pe de o parte, legături covalente suficient de puternice între ele și cu alți organogeni și, pe de altă parte, perechile de electroni comuni ale acestor legături. sunt destul de labile. Ca urmare, poate apărea atât o creștere a reactivității acestor legături, cât și o stabilizare. Aceste caracteristici ale compușilor care conțin carbon sunt cele care fac din carbon organogenul numărul unu.

Proprietățile acido-bazice ale compușilor de carbon. Monoxidul de carbon(4) este un oxid acid, iar hidroxidul corespunzător, acidul carbonic H2CO3, este un acid slab. Molecula de monoxid de carbon(4) este nepolară și, prin urmare, este slab solubilă în apă (0,03 mol/l la 298 K). În acest caz, la început, în soluție se formează hidratul de CO2 H2O, în care CO2 se află în cavitatea unui asociat de molecule de apă, iar apoi acest hidrat se transformă lent și reversibil în H2CO3. Majoritatea monoxidului de carbon (4) dizolvat în apă este sub formă de hidrat.

In organism, in eritrocitele sangvine, sub actiunea enzimei carboanhidrazei, echilibrul intre CO2 H2O si H2CO3 hidrat se stabileste foarte repede. Acest lucru face posibilă neglijarea prezenței CO2 sub formă de hidrat în eritrocit, dar nu și în plasma sanguină, unde nu există anhidrază carbonică. H2CO3 rezultat se disociază în condiții fiziologice într-un anion bicarbonat și într-un mediu mai alcalin într-un anion carbonat:

Acidul carbonic există doar în soluție. Formează două serii de săruri - bicarbonați (NaHCO3, Ca(HC0 3) 2) și carbonați (Na2CO3, CaCO3). Bicarbonații sunt mai solubili în apă decât carbonații. În soluții apoase, sărurile acidului carbonic, în special carbonații, sunt ușor hidrolizate de către anion, creând un mediu alcalin:

Substanțe precum NaHC03 bicarbonat de sodiu; cretă CaCO3, magnezie albă 4MgC03 * Mg (OH) 2 * H2O, hidrolizată cu formare mediu alcalin, sunt utilizați ca agenți antiacizi (acizi de neutralizare) pentru a reduce aciditatea ridicată a sucului gastric:

Combinația de acid carbonic și ion hidrocarbonat (H2CO3, HCO3 (-)) formează un hidrocarbonat sistem tampon(Secțiunea 8.5) - un sistem tampon glorios al plasmei sanguine, care asigură constanta pH-ului sângelui la pH = 7,40 ± 0,05.

Disponibilitate în ape naturale bicarbonații de calciu și magneziu provoacă rigiditatea lor temporară. Când o astfel de apă este fiartă, duritatea ei este eliminată. Acest lucru se datorează hidrolizei anionului HCO3 (-), descompunerii termice a acidului carbonic și precipitării cationilor de calciu și magneziu sub formă de compuși insolubili CaCO3 și Mg (OH)2:

Formarea Mg(OH)2 este cauzată de hidroliza completă a cationului de magneziu, care are loc în aceste condiţii datorită solubilităţii mai scăzute a Mg(0H)2 comparativ cu MgC03.

În practica biomedicală, pe lângă acidul carbonic, trebuie să se ocupe de alți acizi care conțin carbon. Aceasta este în primul rând o mare varietate de acizi organici diferiți, precum și acid cianhidric HCN. Din punct de vedere al proprietăților acide, puterea acestor acizi este diferită:

Aceste diferențe se datorează influenței reciproce a atomilor din moleculă, naturii legăturii de disociere și stabilității anionului, adică capacității sale de a delocaliza sarcina.

Acidul cianhidric sau cianura de hidrogen, HCN - un lichid incolor, volatil (T balot = 26 °C) cu miros de migdale amare, miscibil cu apă în orice raport. În soluții apoase, se comportă ca un acid foarte slab, ale cărui săruri se numesc cianuri. Cianurile metalelor alcaline și alcalino-pământoase sunt solubile în apă, în timp ce sunt hidrolizate de anion, motiv pentru care soluțiile lor apoase au miros de acid cianhidric (miros de migdale amare) și au un pH > 12:

Cu expunerea prelungită la CO2 conținut în aer, cianurile se descompun cu eliberarea de acid cianhidric:

Ca urmare a acestei reacții, cianura de potasiu (cianura de potasiu) și soluțiile sale își pierd toxicitatea în timpul depozitării pe termen lung. Anionul cianură este una dintre cele mai puternice otrăvuri anorganice, deoarece este un ligand activ și formează cu ușurință compuși complecși stabili cu enzime care conțin Fe3+ și Сu2(+) ca ioni de complexare (Sec. 10.4).

proprietăți redox. Deoarece carbonul din compuși poate prezenta orice stare de oxidare de la -4 la +4, în timpul reacției, carbonul liber poate dona și adăuga electroni, acționând ca agent reducător sau, respectiv, agent oxidant, în funcție de proprietățile celui de-al doilea reactiv:

Atunci când agenții oxidanți puternici interacționează cu substanțele organice, poate avea loc oxidarea incompletă sau completă a atomilor de carbon ai acestor compuși.

În condiții de oxidare anaerobă, cu lipsa sau absența oxigenului, atomii de carbon ai unui compus organic, în funcție de conținutul de atomi de oxigen din acești compuși și de condițiile externe, se pot transforma în CO2, CO, C și chiar CH4 și alți organogeni se transformă în H2O, NH3 și H2S.

În organism, oxidarea completă a compușilor organici cu oxigen în prezența enzimelor oxidaze (oxidare aerobă) este descrisă de ecuația:

Din ecuațiile de mai sus ale reacțiilor de oxidare, se poate observa că în compușii organici, doar atomii de carbon modifică starea de oxidare, în timp ce atomii altor organogeni își păstrează starea de oxidare.

În reacțiile de hidrogenare, adică adăugarea de hidrogen (reductor) la o legătură multiplă, atomii de carbon care o formează își reduc starea de oxidare (acționează ca agenți de oxidare):

Reacțiile de substituție organică cu apariția unei noi legături intercarbonice, de exemplu, în reacția Wurtz, sunt, de asemenea, reacții redox în care atomii de carbon acționează ca agenți de oxidare și atomii de metal ca agenți reducători:

Acest lucru se observă în reacțiile de formare a compușilor organometalici:

În același timp, în reacțiile de alchilare cu formarea unei noi legături intercarbonice, rolul de agent oxidant și de agent reducător este jucat de atomii de carbon ai substratului și respectiv ai reactivului:

Ca urmare a reacțiilor de adăugare a unui reactiv polar la un substrat printr-o legătură intercarbonică multiplă, unul dintre atomii de carbon scade gradul de oxidare, prezentând proprietățile unui agent oxidant, iar celălalt crește gradul de oxidare, acționând ca un agent reducător:

În aceste cazuri are loc reacția de oxidare-reducere intramoleculară a atomilor de carbon ai substratului, adică procesul dismutații, sub acţiunea unui reactiv care nu prezintă proprietăţi redox.

Reacțiile tipice de dismutare intramoleculară a compușilor organici în detrimentul atomilor lor de carbon sunt reacțiile de decarboxilare ale aminoacizilor sau cetoacizilor, precum și reacțiile de rearanjare și izomerizare a compușilor organici, care au fost luate în considerare în Sec. 9.3. Exemple date reacții organice, precum și reacțiile din Sec. 9.3 indică în mod convingător faptul că atomii de carbon din compușii organici pot fi atât agenți oxidanți, cât și reductori.

Un atom de carbon într-un compus- un agent oxidant, dacă în urma reacției numărul legăturilor sale cu atomi ai elementelor mai puțin electronegative (hidrogen, metale) crește, deoarece, prin atragerea electronilor comuni ai acestor legături, atomul de carbon în cauză își scade starea de oxidare .

Un atom de carbon într-un compus- un agent reducător, dacă în urma reacției crește numărul legăturilor sale cu atomi ai mai multor elemente electronegative(C, O, N, S), deoarece, împingând electronii comuni ai acestor legături, atomul de carbon în cauză își mărește starea de oxidare.

Astfel, multe reacții din chimia organică, datorită dualității redox a atomilor de carbon, sunt reacții redox. Cu toate acestea, spre deosebire de reacțiile similare din chimia anorganică, redistribuirea electronilor între un agent oxidant și un agent reducător în compușii organici poate fi însoțită doar de o schimbare a perechii de electroni comune a unei legături chimice la un atom care acționează ca un agent oxidant. În acest caz, această conexiune poate fi păstrată, dar în cazurile de polarizare puternică, se poate rupe.

Proprietăți de complexare ale compușilor de carbon. Atomul de carbon din compuși nu are perechi de electroni neîmpărțiți și, prin urmare, numai compușii de carbon care conțin legături multiple cu participarea sa pot acționa ca liganzi. Deosebit de activi în procesele de formare a complexului sunt electronii legăturii triple polare a monoxidului de carbon (2) și anionul acidului cianhidric.

Într-o moleculă de monoxid de carbon(2), atomii de carbon și de oxigen formează o legătură una și una datorită suprapunerii reciproce a celor doi orbitali atomici 2p ai lor prin mecanismul de schimb. A treia legătură, adică încă o legătură, este formată de mecanismul donor-acceptor. Acceptorul este orbitalul atomic liber 2p al atomului de carbon, iar donorul este atomul de oxigen, care furnizează o pereche de electroni singuratică din orbitalul 2p:

Multiplicitatea crescută a legăturilor oferă acestei molecule stabilitate și inerție ridicate în condiții normale în ceea ce privește proprietățile acido-bazice (CO - oxid care nu formează sare) și proprietăți redox (CO - agent reducător la T > 1000 K). În același timp, îl face un ligand activ în reacții complexe de formare cu atomi și cationi ai d-metalelor, în primul rând cu fier, cu care formează pentacarbonilul de fier, un lichid otrăvitor volatil:

Capacitatea de a forma compuși complecși cu cationi d-metalici este motivul toxicității monoxidului de carbon (H) pentru sistemele vii (Sec. 10.4) datorită apariției reacțiilor reversibile cu hemoglobină și oxihemoglobină care conține cationul Fe 2+, cu formarea carboxihemoglobinei:

Aceste echilibre sunt deplasate către formarea carboxihemoglobinei HHbCO, a cărei stabilitate este de 210 de ori mai mare decât cea a oxihemoglobinei HHbO2. Aceasta duce la acumularea de carboxihemoglobină în sânge și, în consecință, la o scădere a capacității sale de a transporta oxigen.

Anionul acid cianhidric CN- conține, de asemenea, electroni ușor polarizabili, din cauza cărora formează în mod eficient complexe cu metalele d, inclusiv metalele de viață care fac parte din enzime. Prin urmare, cianurile sunt compuși foarte toxici (Secțiunea 10.4).

Ciclul carbonului în natură. Ciclul carbonului în natură se bazează în principal pe reacțiile de oxidare și reducere a carbonului (Fig. 12.3).

Plantele asimilează (1) monoxidul de carbon (4) din atmosferă și hidrosferă. O parte din masa vegetală este consumată (2) de om și animale. Respirația animalelor și putrezirea rămășițelor lor (3), precum și respirația plantelor, putrezirea plantelor moarte și arderea lemnului (4) returnează CO2 în atmosferă și hidrosferă. Procesul de mineralizare a resturilor de plante (5) și animale (6) cu formarea de turbă, cărbuni fosili, petrol, gaze duce la trecerea carbonului în resurse naturale. Reacțiile acido-bazice (7) care se desfășoară între CO2 și diverse roci cu formare de carbonați (medii, acizi și bazici) acționează în aceeași direcție:

Această parte anorganică a ciclului duce la pierderi de CO2 în atmosferă și hidrosferă. Activitatea umană în arderea și prelucrarea cărbunelui, petrolului, gazelor (8), lemnului de foc (4), dimpotrivă, îmbogățește mediul cu monoxid de carbon (4). Multă vreme s-a crezut că fotosinteza a menținut constantă concentrația de CO2 din atmosferă. Cu toate acestea, în prezent, creșterea conținutului de CO2 din atmosferă din cauza activităților umane nu este compensată de scăderea lui naturală. Venit total CO2 din atmosferă crește în progresie geometrică cu 4-5% pe an. Conform calculelor, în anul 2000 conţinutul de CO2 din atmosferă va ajunge la aproximativ 0,04% în loc de 0,03% (1990).

După luarea în considerare a proprietăților și caracteristicilor compușilor care conțin carbon, rolul principal al carbonului trebuie subliniat încă o dată.

Orez. 12.3. Ciclul carbonului în natură

organogen nr. 1: în primul rând, atomii de carbon formează scheletul moleculelor de compuși organici; în al doilea rând, atomii de carbon joacă un rol cheie în procesele redox, deoarece dintre atomii tuturor organogenilor, dualitatea redox este cea mai caracteristică pentru carbon. Pentru mai multe informații despre proprietățile compușilor organici, consultați modulul IV „Fundamentals of Bioorganic Chemistry”.

caracteristici generaleși rolul biologic al elementelor p din grupa IVA. Analogii electronici ai carbonului sunt elementele grupului IVA: siliciu Si, germaniu Ge, staniu Sn și plumb Pb (vezi Tabelul 1.2). Razele atomice ale acestor elemente cresc în mod natural odată cu creșterea număr de serie, iar energia lor de ionizare și electronegativitatea scad în mod natural în acest caz (Sec. 1.3). Prin urmare, primele două elemente ale grupului: carbonul și siliciul sunt nemetale tipice, iar germaniul, staniul, plumbul sunt metale, deoarece se caracterizează cel mai mult prin întoarcerea electronilor. În seria Ge - Sn - Pb, proprietățile metalice sunt îmbunătățite.

Din punct de vedere al proprietăților redox, elementele C, Si, Ge, Sn și Pb în conditii normale suficient de rezistent la aer si apa (metale Sn si Pb - datorita formarii unei pelicule de oxid la suprafata). În același timp, compușii de plumb(4) sunt agenți oxidanți puternici:

Proprietățile de complexare sunt cele mai caracteristice plumbului, deoarece cationii săi Pb 2+ sunt agenți de complexare puternici în comparație cu cationii celorlalte elemente p din grupa IVA. Cationii de plumb formează complexe puternice cu bioliganzii.

Elementele grupului IVA diferă puternic atât ca conținut în organism, cât și în rol biologic. Carbonul joacă un rol fundamental în viața organismului, unde conținutul său este de aproximativ 20%. Conținutul din corpul elementelor rămase din grupul IVA este în intervalul 10 -6 -10 -3%. În același timp, dacă siliciul și germaniul joacă, fără îndoială rol importantîn viața organismului, atunci staniul și mai ales plumbul sunt toxice. Astfel, odată cu creșterea masă atomică elemente din grupa IVA, toxicitatea compușilor acestora crește.

Praful, format din particule de cărbune sau dioxid de siliciu SiO2, atunci când este expus sistematic la plămâni, provoacă boli - pneumoconioză. În cazul prafului de cărbune, acesta este antracoza -Boala profesională mineri. Silicoza apare atunci când este inhalat praful care conține Si02. Mecanismul de dezvoltare a pneumoconiozei nu a fost încă stabilit. Se presupune că la contactul prelungit al boabelor de silicat cu fluidele biologice, acidul polisilicic Si02 yH2O se formează într-o stare asemănătoare unui gel, a cărui depunere în celule duce la moartea lor.

Efectul toxic al plumbului este cunoscut omenirii de foarte mult timp. Utilizarea plumbului la fabricarea ustensilelor și țevi de apa a dus la otrăvirea în masă a oamenilor. În prezent, plumbul continuă să fie unul dintre principalii poluanți mediu inconjurator, deoarece eliberarea de compuși de plumb în atmosferă este de peste 400.000 de tone anual. Plumbul se acumulează în principal în schelet sub formă de fosfat slab solubil Pb3(PO4)2, iar în timpul demineralizării osoase are un efect toxic regulat asupra organismului. Prin urmare, plumbul este clasificat ca o otravă cumulativă. Toxicitatea compușilor de plumb este asociată în primul rând cu proprietățile sale de complexare și cu afinitatea ridicată pentru bioliganzi, în special cei care conțin grupări sulfhidril (-SH):

Formarea compușilor complecși ai ionilor de plumb cu proteine, fosfolipide și nucleotide duce la denaturarea acestora. Ionii de plumb inhibă adesea metaloenzimele EM 2+, înlocuind cationii metalici de viață din ele:

Plumbul și compușii săi sunt otrăvuri care acționează în primul rând asupra sistem nervos, vasele de sânge și sângele. În același timp, compușii de plumb afectează sinteza proteinelor, echilibrul energetic al celulelor și aparatul lor genetic.

În medicină se folosesc ca antiseptice externe astringente: acetat de plumb Pb (CH3COO) 2 ZH2O (loțiuni de plumb) și oxid de plumb (2) PbO (ghips de plumb). Ionii de plumb ai acestor compuși reacționează cu proteinele (albuminele) din citoplasma celulelor și țesuturilor microbiene, formând albuminate asemănătoare gelului. Formarea gelurilor ucide microbii și, în plus, le face dificilă pătrunderea în celulele țesuturilor, ceea ce reduce răspunsul inflamator local.

Considerate ca fiind chimia compușilor de carbon, dar, aducând un omagiu istoriei, ei continuă să o numească chimie organică. Prin urmare, este atât de important să se ia în considerare mai detaliat structura atomului acestui element, natura și direcția spațială a legăturilor chimice formate de acesta.

Valenţă element chimic determinată cel mai adesea de numărul de electroni nepereche. Atomul de carbon, după cum se poate vedea din formula electron-grafică, are doi electroni nepereche, prin urmare, cu participarea lor, se pot forma două perechi de electroni care formează două legături covalente. Cu toate acestea, în compușii organici, carbonul nu este bivalent, ci întotdeauna tetravalent. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că în atomul excitat (energie suplimentară dobândită), electronii 2n sunt deprimați și unul dintre ei trece la orbitalul 2p:

Un astfel de atom are patru electroni nepereche și poate lua parte la crearea a patru legături covalente.

Pentru formarea unei legături covalente, este necesar ca orbitalul unui atom să se suprapună cu orbitalul altuia. Cu cât se suprapune mai multe, cu atât legătura este mai puternică.

În molecula de hidrogen H2, formarea unei legături covalente are loc datorită suprapunerii orbitalilor s (Fig. 3).

Distanța dintre nucleele atomilor de hidrogen sau lungimea legăturii este de 7,4 * 10 -2 nm, iar puterea sa este de 435 kJ / mol.

Pentru comparație: în molecula de fluor F 2 se formează o legătură covalentă datorită suprapunerii a doi p-orbitali.

Lungimea legăturii fluor-fluor este de 14,2×10 -2 nm, iar puterea de legătură (energia) este de 154 kJ/mol.

Legăturile chimice formate ca urmare a suprapunerii orbitalilor de electroni de-a lungul unei linii de legătură se numesc legături a (legături sigma).

Linia de comunicare este o linie dreaptă care leagă nucleele atomilor. Pentru orbitalii β, este posibilă o singură modalitate de suprapunere - cu formarea de legături α.

Orbitalii p se pot suprapune cu formarea de legături a și se pot suprapune, de asemenea, în două regiuni, formând o legătură covalentă de alt tip - datorită suprapunerii „laterale”:

Legăturile chimice formate ca urmare a suprapunerii „laterale” a orbitalilor de electroni în afara liniei de comunicație, adică în două regiuni, sunt numite legături n (legături pi).

Tipul de legătură considerat este caracteristic moleculelor de etilenă C2H4 și acetilenă C2H2. Dar veți afla mai multe despre acest lucru în paragraful următor.

1. Notează formula electronica atom de carbon. Explicați semnificația fiecărui simbol din el.

Care sunt formulele electronice ale atomilor de bor, beriliu și litiu?

Realizați formule grafice electronice corespunzătoare atomilor acestor elemente.

2. Notează formulele electronice:

a) atom de sodiu și cation Na +;

b) atom de magneziu şi cation Mg2+;

c) un atom de fluor şi un anion F-;

d) un atom de oxigen şi un anion O2-;

e) un atom de hidrogen și ioni H + și H -.

Alcătuiți formule electronic-grafice pentru distribuția electronilor pe orbitele acestor particule.

3. Atomul cărui element chimic corespunde formulei electronice 1s 2 2s 2 2p 6?

Care cationi și anioni au aceeași formulă electronică? Faceți o formulă electronică grafică a atomului și a acestor ioni.

4. Comparați lungimile legăturilor în moleculele de hidrogen și fluor. Ce a cauzat diferența lor?

5. Moleculele de azot și fluor sunt diatomice. Comparați numărul și natura legăturilor chimice dintre atomii din ele.

Conținutul lecției rezumatul lecției suport cadru prezentarea lecției metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autoexaminare, traininguri, cazuri, quest-uri teme de discuție întrebări întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini grafice, tabele, scheme umor, anecdote, glume, pilde cu benzi desenate, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole jetoane pentru curioase cheat sheets manuale de bază și glosar suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment din manualul elementelor de inovare la lecție înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru un an instrucțiuni programe de discuții Lecții integrate

În această carte, cuvântul „carbon” apare destul de des: în poveștile despre frunza verde și despre fier, despre materiale plastice și cristale și în multe alte povești. Carbonul – „dând naștere cărbunelui” – este unul dintre cele mai uimitoare elemente chimice. Istoria sa este istoria apariției și dezvoltării vieții pe Pământ, deoarece face parte din întreaga viață de pe Pământ.

Cum arată carbonul?

Să facem câteva experimente. Luați zahăr și încălziți-l fără aer. Mai întâi se va topi, deveni maro, apoi se va înnegri și se va transforma în cărbune, eliberând apă. Dacă acum încălzim acest cărbune în prezența lui, acesta va arde fără reziduuri și se va transforma în . Deci, zahărul era alcătuit din cărbune și apă (zahărul, apropo, se numește carbohidrat), iar cărbunele „zahăr” este, aparent, carbon pur, deoarece dioxidul de carbon este o combinație de carbon și oxigen. Deci carbonul este o pulbere neagră, moale.

Să luăm o piatră de grafit moale, gri, bine cunoscută de tine datorită creioanelor. Dacă este încălzit în oxigen, va arde și fără reziduuri, deși puțin mai lent decât cărbunele, iar dioxidul de carbon va rămâne în dispozitivul în care a ars. Deci, grafitul este și carbon pur? Desigur, dar asta nu este tot.

Dacă un diamant este încălzit în același aparat în oxigen, o strălucire transparentă bijuterie, cel mai dur dintre toate mineralele, se va arde și deveni dioxid de carbon. Dacă încălziți un diamant fără acces la oxigen, acesta se va transforma în grafit și la foarte mult presiuni mariși temperaturi, este posibil să se obțină diamant din grafit.

Deci, cărbunele, grafitul și diamantul sunt forme diferite de existență ale aceluiași element - carbonul.

Și mai surprinzătoare este capacitatea carbonului de a „participa” la un număr mare de compuși diferiți (de aceea cuvântul „carbon” apare atât de des în această carte).

104 elemente ale sistemului periodic formează peste patruzeci de mii de compuși studiați. Și sunt deja cunoscuți peste un milion de compuși, a căror bază este carbonul!

Motivul pentru această diversitate este că atomii de carbon pot fi legați între ei și cu alți atomi printr-o legătură puternică, formând unele complexe sub formă de lanțuri, inele și alte forme. Niciun element din tabel, cu excepția carbonului, nu este capabil de acest lucru.

Există un număr infinit de figuri care pot fi construite din atomi de carbon și, prin urmare, un număr infinit de compuși posibili. Acestea pot fi substanțe foarte simple, de exemplu, gazul metan, în care patru atomi sunt legați de un atom de carbon și atât de complexe încât structura moleculelor lor nu a fost încă stabilită. Astfel de substanțe includ

Viața organică pe Pământ este reprezentată de compuși de carbon. Elementul face parte din principalele componente ale structurilor celulare: proteine, carbohidrați și grăsimi și, de asemenea, formează baza substanței eredității - acidul dezoxiribonucleic. În natura anorganică, carbonul este unul dintre cele mai comune elemente care se formează scoarta terestrași atmosfera planetei. Chimie organica ca o secțiune a științei chimice este complet dedicată proprietăților elementului chimic carbon și compușilor săi. Articolul nostru va lua în considerare caracteristicile fizico-chimice ale carbonului și caracteristicile proprietăților sale.

Locul elementului în sistemul periodic al lui Mendeleev

Subgrupul de carbon este principalul subgrup al grupului IV, care, pe lângă carbon, include și siliciu, germaniu, staniu și plumb. Toate elementele enumerate au aceeași structură externă. nivel de energie, care are patru electroni. Acest lucru determină asemănarea proprietăților lor chimice. În stare normală, elementele subgrupului sunt divalente, iar atunci când atomii lor intră într-o stare excitată, ei prezintă o valență egală cu 4. Fizice și Proprietăți chimice carbonul depinde de starea învelișurilor de electroni ale atomului său. Astfel, în reacție cu oxigenul, un element ale cărui particule sunt în stare neexcitată formează un oxid CO indiferent. Atomii de carbon în stare excitată sunt oxidați la dioxid de carbon, care prezintă proprietăți acide.

Forme ale carbonului în natură

Diamantul, grafitul și carabina sunt trei modificări alotropice ale carbonului ca substanță simplă. Cristale clare cu un grad înalt refracția razelor de lumină, care sunt cei mai duri compuși din natură - acestea sunt diamante. Sunt slabi conductori de căldură și sunt dielectrici. Rețeaua cristalină este atomică, foarte puternică. În el, fiecare atom al unui element este înconjurat de alte patru particule, formând un tetraedru regulat.

Complet diferit caracteristici fizico-chimice grafit care formează carbon. Este gras la atingere substanță cristalină gri inchis. Are o structură stratificată, distanțele dintre straturile de atomi sunt destul de mari, în timp ce forțele lor atractive sunt slabe. Prin urmare, atunci când apăsați pe o tijă de grafit, substanța este stratificată în fulgi subțiri. Ei lasă o urmă întunecată pe hârtie. Grafitul este conductiv termic și ușor inferior metalelor în conductivitate electrică.

Capacitatea de a conduce curentul electric este explicată de structura cristalului unei substanțe. În el, particulele de carbon sunt legate de alte trei folosind legături chimice covalente puternice. Al patrulea electron de valență al fiecărui atom rămâne liber și este capabil să se miște în grosimea substanței. Mișcarea direcționată a particulelor încărcate negativ și provoacă apariția curent electric. Domeniile de aplicare ale grafitului sunt diverse. Deci, este utilizat pentru fabricarea electrozilor în inginerie electrică și pentru efectuarea procesului de electroliză, cu care, de exemplu, Metale alcaline V formă pură. Grafitul și-a găsit aplicație în reactoarele nucleare pentru a controla viteza reacțiilor în lanț care au loc în ele ca moderator de neutroni. Este cunoscută utilizarea substanței ca tije de ardezie sau lubrifianți în părțile de frecare ale mecanismelor.

Ce este carabina?

Pulberea cristalină neagră cu un luciu sticlos este carabină. A fost sintetizat la mijlocul secolului al XX-lea în Rusia. Substanța depășește grafitul ca duritate, este pasivă din punct de vedere chimic, are proprietățile unui semiconductor și este cea mai stabilă modificare a carbonului. Conexiunea este mai puternică decât grafitul. Există și astfel de forme de carbon, ale căror proprietăți chimice diferă unele de altele. Este funingine cărbuneși coca-cola.

Caracteristici diverse Modificările alotropice ale carbonului sunt explicate prin structura rețelelor cristaline ale acestora. Este o substanta refractara, incolora si inodora. Este insolubil în solvenți organici, dar este capabil să formeze soluții solide - aliaje, de exemplu, cu fier.

Proprietățile chimice ale carbonului

În funcție de substanța cu care reacționează carbonul, acesta poate prezenta proprietăți duble: atât un agent reducător, cât și un agent oxidant. De exemplu, prin topirea cocsului cu metale, se obțin compușii acestora - carburi. În reacția cu hidrogenul, se formează hidrocarburi. Aceștia sunt compuși organici, de exemplu, metanul, etilena, acetilena, în care, ca și în cazul metalelor, carbonul are o stare de oxidare de -4. Recuperare reacții chimice carbonul, ale cărui proprietăți le studiem, se manifestă în timpul interacțiunii sale cu oxigenul, halogenii, apa și oxizii bazici.

Oxizii de carbon

Prin arderea cărbunelui în aer cu un conținut scăzut de oxigen se obține monoxid de carbon - oxid de carbon divalent. Este incolor, inodor și foarte toxic. Combinându-se cu hemoglobina din sânge în timpul respirației, monoxidul de carbon este transportat în tot corpul uman, provocând otrăvire și apoi moartea prin sufocare. În clasificare, o substanță ia locul oxizilor indiferenți, nu reacționează cu apa și nu îi corespunde nici o bază, nici un acid. Proprietățile chimice ale carbonului având o valență de 4 diferă de caracteristicile discutate anterior.

Dioxid de carbon

O substanță gazoasă incoloră la o temperatură de 15 și o presiune de o atmosferă trece într-o fază solidă. Se numește gheață uscată. Moleculele de CO 2 sunt nepolare, deși legătura covalentă dintre atomii de oxigen și carbon este polară. Conexiunea se referă la oxizi acizi. Când interacționează cu apa, formează acid carbonic. Sunt cunoscute reacțiile dintre dioxidul de carbon și substanțele simple: metale și nemetale, de exemplu, cu magneziu, calciu sau cocs. În ele, joacă rolul unui agent oxidant.

Reacție calitativă la dioxid de carbon

Pentru a ne asigura că gazul studiat este într-adevăr monoxid de carbon CO 2, se efectuează următorul experiment în chimie anorganică: substanța este trecută printr-o soluție transparentă de apă de var. Observarea turbulenței soluției datorită precipitării unui precipitat alb de carbonat de calciu confirmă prezența moleculelor de dioxid de carbon în amestecul de reactivi. Odată cu trecerea suplimentară a gazului printr-o soluție de hidroxid de calciu, precipitatul de CaCO 3 se dizolvă datorită transformării sale în bicarbonat de calciu, o sare solubilă în apă.

Rolul carbonului în procesul de furnal

Proprietățile chimice ale carbonului sunt utilizate în productie industriala fier din minereurile sale: minereu de fier magnetic, roșu sau maro. Principalele dintre ele vor fi proprietățile reducătoare ale carbonului și oxizilor - monoxid de carbon și dioxid de carbon. Procesele care au loc în furnal pot fi reprezentate ca următoarea secvență de reacții:

• În primul rând, cocsul arde într-un curent de aer încălzit la 1.850 °C pentru a se forma dioxid de carbon: C + O 2 \u003d CO 2.
• Trecând prin carbon fierbinte, se reduce la monoxid de carbon: CO 2 + C = 2CO.
• Monoxidul de carbon reacționează cu minereul de fier, rezultând oxid de fier: 3Fe 2 O 3 + CO \u003d 2Fe 3 O 4 + CO 2, Fe 3 O 4 + CO \u003d 3FeO + CO 2.
• Reacția de producere a fierului va avea următoarea formă: FeO + CO \u003d Fe + CO 2

Fierul topit dizolvă un amestec de carbon și monoxid de carbon, se obține substanța - cementită.

Fonta topită într-un furnal, pe lângă fier, conține până la 4,5% carbon și alte impurități: mangan, fosfor, sulf. Oțelul, care diferă de fontă în mai multe moduri, cum ar fi capacitatea de a rula și de a forja, are doar 0,3 până la 1,7% carbon în compoziția sa. Produsele din oțel sunt utilizate pe scară largă în aproape toate industriile: inginerie mecanică, metalurgie și medicină.

În articolul nostru, am aflat în ce proprietăți chimice sunt utilizate ale carbonului și ale compușilor săi domenii diverse activitate umana.