Karbon er symbolet for det kjemiske elementet. Strukturen til karbonatomet
Det kalles livsgrunnlaget. Det finnes i alle organiske forbindelser. Bare han er i stand til å danne molekyler fra millioner av atomer, for eksempel DNA.
Kjente du igjen helten? Dette karbon. Antallet av dets forbindelser kjent for vitenskapen er nær 10.000.000.
Så mye vil ikke bli skrevet i alle de andre elementene samlet. Ikke overraskende, en av de to grenene av kjemistudier utelukkende karbonforbindelser og foregår i de øvre klassene.
Vi tilbyr å tilbakekalle skolepensum, samt supplere den med nye fakta.
Hva er karbon
For det første, element karbon- sammensatte. I hennes nye standard er stoffet i 14. gruppe.
I den utdaterte versjonen av systemet er karbon i hovedundergruppen av den 4. gruppen.
Betegnelsen på elementet er bokstaven C. Serienummeret til stoffet er 6, det tilhører gruppen av ikke-metaller.
organisk karbon tilstøtende i naturen til mineralet. Så, og fullerensteinen er det sjette elementet i sin rene form.
Forskjeller i utseende skyldes flere typer struktur i krystallgitteret. De polare egenskapene til mineralkarbon avhenger også av det.
Grafitt, for eksempel, er mykt, det er ikke forgjeves at det legges til skriveblyanter, men til alle andre på jorden. Derfor er det logisk å vurdere egenskapene til selve karbonet, og ikke dets modifikasjoner.
Karbons egenskaper
La oss starte med egenskapene som er felles for alle ikke-metaller. De er elektronegative, det vil si at de tiltrekker seg vanlige elektronpar dannet med andre elementer.
Det viser seg at karbon kan redusere ikke-metalloksider til metalltilstanden.
Imidlertid gjør det sjette elementet dette bare når det varmes opp. Under normale forhold er stoffet kjemisk inert.
De ytre elektroniske nivåene til ikke-metaller har flere elektroner enn metaller.
Det er derfor atomene til det sjette elementet har en tendens til å fullføre en brøkdel av sine egne orbitaler enn å gi partiklene til noen.
For metaller, med et minimum av elektroner på de ytre skallene, er det lettere å gi bort fjerne partikler enn å trekke fremmede på seg selv.
Hovedformen til det sjette stoffet er atomet. I teorien burde det handle om karbonmolekyl. De fleste ikke-metaller er bygd opp av molekyler.
Imidlertid har karbon med og - unntak, en atomstruktur. Det er på grunn av det at forbindelsene av elementer utmerker seg ved høye smeltepunkter.
En annen særegen egenskap til mange former for karbon er . For den samme er det maksimalt, lik 10 poeng for.
Siden samtalen dreide seg om formene til det 6. stoffet, påpeker vi at den krystallinske bare er en av dem.
karbonatomer ikke alltid stille opp i et krystallgitter. Det er en amorf variant.
Eksempler på dette: - tre, koks, glassaktig karbon. Dette er forbindelser, men uten en ordnet struktur.
Hvis stoffet kombineres med andre, kan også gasser oppnås. Krystallinsk karbon går inn i dem ved en temperatur på 3700 grader.
Under normale forhold er et grunnstoff gassformet hvis det f.eks. karbonmonoksid.
Folk kaller det karbonmonoksid. Imidlertid er reaksjonen av dannelsen mer aktiv og raskere, hvis du likevel slår på varmen.
gassformige forbindelser karbon fra oksygen flere. Det finnes også for eksempel monoksid.
Denne gassen er fargeløs og giftig, dessuten under normale forhold. Slik karbonmonoksid har en trippelbinding i molekylet.
Men tilbake til det rene elementet. Siden den er ganske inert i kjemiske termer, kan den ikke desto mindre interagere ikke bare med metaller, men også med deres oksider, og, som man kan se fra samtalen om gasser, med oksygen.
Reaksjonen er også mulig med hydrogen. Karbon vil inngå i samspill hvis en av faktorene "spiller" eller alle sammen: temperatur, allotrop tilstand, dispersjon.
Sistnevnte refererer til forholdet mellom overflatearealet til partiklene til et stoff og volumet de opptar.
Allotropi er muligheten for flere former av samme stoff, det vil si at det betyr krystallinsk, amorf eller gassformig karbon.
Men uansett hvordan faktorene sammenfaller, reagerer ikke elementet i det hele tatt med syrer og alkalier. Ignorerer karbon og nesten alle halogener.
Oftest binder det sjette stoffet seg til seg selv, og danner de veldig store molekylene med hundrevis og millioner av atomer.
dannet molekyler, karbon reagerer med enda færre grunnstoffer og forbindelser.
Påføring av karbon
Anvendelsen av elementet og dets derivater er like omfattende som antallet. Karboninnhold Det er mer i en persons liv enn du kanskje tror.
Aktivt kull fra et apotek er det sjette stoffet. inn fra - han er.
Grafitt i blyanter er også karbon, som også trengs i atomreaktorer og elektriske maskinkontakter.
Metan drivstoff er også på listen. Karbondioksid nødvendig for produksjon og kan være tørris, det vil si et kjølemiddel.
Karbondioksid fungerer som et konserveringsmiddel, fyller grønnsakslagre, og er også nødvendig for å produsere karbonater.
Sistnevnte brukes i konstruksjon, for eksempel. Og karbonat kommer godt med i såpeproduksjon og glassproduksjon.
Formel for karbon tilsvarer også koks. Han kommer i bruk metallurger.
Koks fungerer som et reduksjonsmiddel under smelting av malm, utvinning av metaller fra den.
Selv vanlig sot er karbon som brukes som gjødsel og fyllstoff.
Har du noen gang lurt på hvorfor bildekk er farget? Dette er sot. Det gir gummien styrke.
Sot er også inkludert i skokrem, trykksverte og mascara. Det vanlige navnet brukes ikke alltid. Industrifolk kaller sot teknisk karbon.
Masse av karbon begynner å bli brukt innen nanoteknologi. Det ble laget ultrasmå transistorer, samt rør som er 6-7 ganger sterkere.
Her er en ikke-metall. Forresten, forskere fra . Fra karbonrør og grafen skapte de en aerogel.
Det er også et slitesterkt materiale. Høres heftig ut. Men faktisk er aerogel lettere enn luft.
I jern karbon lagt til for å få det som kalles karbonstål. Hun er tøffere enn vanlig.
Imidlertid bør massefraksjonen av det 6. elementet i ikke overstige et par, tre prosent. Ellers er egenskapene til stål synkende.
Listen er uendelig. Men hvor skal man ta karbon på ubestemt tid? Er det utvunnet eller syntetisert? Vi vil svare på disse spørsmålene i et eget kapittel.
Karbonutvinning
karbondioksid, metan, separat karbon, kan oppnås kjemisk, det vil si ved tilsiktet syntese. Dette er imidlertid ikke gunstig.
karbongass og dens solide modifikasjoner er enklere og billigere å utvinne sammen med kull.
Omtrent 2 milliarder tonn utvinnes fra jordens tarmer av dette fossilet årlig. Nok til å gi verden kullsvart.
Når det gjelder, er de utvunnet fra kimbirlittrør. Dette er vertikale geologiske kropper, fragmenter av stein sementert av lava.
Det er slik de møtes. Derfor antyder forskere at mineralet er dannet på dyp av tusenvis av kilometer, på samme sted som magma.
Grafittavsetninger, tvert imot, er horisontale, lokalisert nær overflaten.
Derfor er utvinningen av mineralet ganske enkelt og ikke dyrt. Om lag 500 000 tonn grafitt utvinnes årlig fra undergrunnen.
For å få aktivt kull må du varme kullet og behandle det med en vanndampstråle.
Forskere har til og med funnet ut hvordan de kan gjenskape proteinene i menneskekroppen. Deres grunnlag er også karbon. Nitrogen og hydrogen er en aminogruppe ved siden av den.
Du trenger også oksygen. Det vil si at proteiner er bygget på aminosyrer. Hun er ikke allment kjent, men for livet er mye viktigere enn resten.
Populære svovelsyre, salpetersyre, saltsyre, for eksempel, trenger kroppen mye mindre.
Så karbon er noe verdt å betale for. La oss finne ut hvor stor spredningen av priser for forskjellige varer fra 6. element er.
Prisen på karbon
For livet, som det er lett å forstå, er karbon uvurderlig. Når det gjelder andre livssfærer, avhenger prislappen av navnet på produktet og dets kvalitet.
For for eksempel betaler de mer hvis de ikke inneholder tredjepartsinkluderinger.
Aerogelprøver har så langt kostet titalls dollar for noen få kvadratcentimeter.
Men i fremtiden lover produsenter å levere materialet i ruller og be om billig.
Teknisk karbon, det vil si sot, selges til 5-7 rubler per kilo. For henholdsvis et tonn gir de omtrent 5000-7000 rubler.
Imidlertid kan karbonavgiften som er innført i de fleste utviklede land drive opp prisene.
Karbonindustrien regnes som årsaken til drivhuseffekten. Bedrifter er pålagt å betale for utslipp, spesielt CO 2 .
Det er den viktigste drivhusgassen og samtidig en indikator på atmosfærisk forurensning. Denne informasjonen er en flue i salven i en tønne med honning.
Det lar deg forstå at karbon, som alt annet i verden, har en ulempe, og ikke bare plusser.
(første elektron)
Karbons evne til å danne polymerkjeder gir opphav til en enorm klasse av karbonbaserte forbindelser kalt organiske, som er mye mer tallrike enn uorganiske, og er studiet av organisk kjemi.
Historie
Ved begynnelsen av XVII-XVIII århundrer. flogistonteorien dukket opp, fremsatt av Johann Becher og Georg Stahl. Denne teorien anerkjente tilstedeværelsen i hver brennbar kropp av et spesielt elementært stoff - en vektløs væske - flogiston, som fordamper under forbrenning. Siden bare en liten mengde aske gjenstår når en stor mengde kull brennes, mente flogistikken at kull er nesten rent flogiston. Dette var spesielt forklaringen på den "flogistiske" effekten av kull, dets evne til å gjenopprette metaller fra "kalk" og malm. Senere flogistikken, Réaumur, Bergman og andre, hadde allerede begynt å forstå at kull var et elementært stoff. Imidlertid ble "rent kull" for første gang anerkjent som sådan av Antoine Lavoisier, som studerte prosessen med å brenne kull og andre stoffer i luft og oksygen. I Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet og Fourcroix's Method of Chemical Nomenclature (1787) dukket navnet "carbon" (karbon) opp i stedet for det franske "rent kull" (charbone pur). Under samme navn vises karbon i "Table of Simple Bodies" i Lavoisiers "Elementary Textbook of Chemistry".
opprinnelse til navnet
På begynnelsen av 1800-tallet ble begrepet "kull" noen ganger brukt i russisk kjemisk litteratur (Sherer, 1807; Severgin, 1815); siden 1824 introduserte Solovyov navnet "karbon". Karbonforbindelser har en del i navnet sitt karbohydrat (han)- fra lat. carbō (gen. s. karbonis) "kull".
Fysiske egenskaper
Karbon finnes i mange allotropiske modifikasjoner med svært forskjellige fysiske egenskaper. Variasjonen av modifikasjoner skyldes karbons evne til å danne kjemiske bindinger av ulike typer.
Isotoper av karbon
Naturlig karbon består av to stabile isotoper - 12 C (98,93 %) og 13 C (1,07 %) og en radioaktiv isotop 14 C (β-emitter, T ½ = 5730 år), konsentrert i atmosfæren og den øvre delen av jorden bark. Det dannes konstant i de nedre lagene av stratosfæren som et resultat av virkningen av kosmiske strålingsnøytroner på nitrogenkjerner ved reaksjonen: 14 N (n, p) 14 C, og også, siden midten av 1950-tallet, som en mann -laget produkt av atomkraftverk og som et resultat av testing av hydrogenbomber.
Allotropiske modifikasjoner av karbon
Krystallinsk karbon
amorft karbon
- Fossilt kull: Antrasitt og fossilt kull.
- Kullkoks, petroleumskoks, etc.
I praksis er som regel de amorfe formene oppført ovenfor kjemiske forbindelser med høyt karboninnhold, og ikke en ren allotrop form av karbon.
klyngeformer
Struktur
Flytende karbon eksisterer bare ved et visst ytre trykk. Trippelpunkter: grafitt - væske - damp T= 4130K, R= 10,7 MPa og grafitt - diamant - væske T≈ 4000 K, R≈ 11 GPa. Likevektslinje grafitt - væske i fasen R, T-diagram har en positiv helning, som når det nærmer seg trippelpunktet for grafitt - diamant - væske, blir negativ, som er assosiert med de unike egenskapene til karbonatomer for å lage karbonmolekyler som består av et annet antall atomer (fra to til syv). Helningen til diamant-væske likevektslinjen, i fravær av direkte eksperimenter ved svært høye temperaturer (>4000–5000 K) og trykk (>10–20 GPa), ble ansett som negativ i mange år. Direkte eksperimenter utført av japanske forskere og bearbeiding av eksperimentelle data som ble oppnådd, tatt i betraktning den unormale høytemperaturvarmekapasiteten til diamant, viste at helningen til diamant-væske-likevektslinjen er positiv, dvs. diamant er tyngre enn væsken ( det vil synke i smelten og ikke flyte som is i vann).
Ultrafine diamanter (nanodiamanter)
På 1980-tallet ble det oppdaget i USSR at under forhold med dynamisk belastning av karbonholdige materialer kan det dannes diamantlignende strukturer, som kalles ultrafine diamanter (UDD). For tiden brukes begrepet "nanodiamanter" i økende grad. Partikkelstørrelsen i slike materialer er noen få nanometer. Betingelsene for dannelsen av UDD kan realiseres under detonering av eksplosiver med en betydelig negativ oksygenbalanse, for eksempel blandinger av TNT med RDX. Slike forhold kan også realiseres når himmellegemer treffer jordoverflaten i nærvær av karbonholdige materialer (organiske stoffer, torv, kull, etc.). I sonen for fallet av Tunguska-meteoritten ble det således funnet UDD i skogkullet.
Karabin
En krystallinsk modifikasjon av karbon av en sekskantet syngoni med en kjedestruktur av molekyler kalles karbin. Kjedene er enten polyen (−C≡C−) eller polycumulen (=C=C=). Flere former for karbin er kjent, forskjellig i antall atomer i en enhetscelle, cellestørrelser og tetthet (2,68-3,30 g/cm³). Karbin forekommer i naturen i form av mineralet kaoitt (hvite striper og inneslutninger i grafitt) og oppnås kunstig - ved oksidativ dehydropolykondensering av acetylen, ved innvirkning av laserstråling på grafitt, fra hydrokarboner eller CCl 4 i lavtemperaturplasma.
Karabin er et svart finkornet pulver (densitet 1,9-2 g/cm³) med halvlederegenskaper. Oppnådd under kunstige forhold fra lange kjeder av karbonatomer stablet parallelt med hverandre.
Carbyne er en lineær polymer av karbon. I et karbinmolekyl er karbonatomer koblet i kjeder vekselvis enten med trippel- og enkeltbindinger (polyenstruktur), eller permanent med dobbeltbindinger (polycumulenstruktur). Dette stoffet ble først oppnådd av sovjetiske kjemikere V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin og Yu. P. Kudryavtsev på begynnelsen av 1960-tallet ved USSR Academy of Sciences. Karbin har halvlederegenskaper, og under påvirkning av lys øker ledningsevnen kraftig. Den første praktiske applikasjonen er basert på denne egenskapen - i solcelleceller.
Fullerener og karbon nanorør
Karbon er også kjent i form av klyngepartikler C 60 , C 70 , C 80 , C 90 , C 100 og lignende (fullerener), samt grafener, nanorør og komplekse strukturer - astralener.
Amorft karbon (struktur)
Strukturen til amorft karbon er basert på den uordnede strukturen til enkrystallgrafitt (inneholder alltid urenheter). Disse er koks, brun- og steinkull, kjønrøk, sot, aktivert kull.
Grafen
Grafen er en todimensjonal allotrop modifikasjon av karbon, dannet av et lag med karbonatomer ett atom tykt, forbundet ved hjelp av sp²-bindinger til et sekskantet todimensjonalt krystallgitter.
Å være i naturen
Det har blitt anslått at jorden som helhet består av 730 ppm karbon, med 2000 ppm i kjernen og 120 ppm i mantelen og skorpen. Siden jordens masse er 5,972⋅10 24 kg, innebærer dette tilstedeværelsen av 4360 millioner gigatonn karbon.
De fleste karbonforbindelser, og fremfor alt hydrokarboner, har en uttalt karakter av kovalente forbindelser. Styrken til enkle, dobbelt- og trippelbindinger av C-atomer seg imellom, evnen til å danne stabile kjeder og sykluser fra C-atomer bestemmer eksistensen av et stort antall karbonholdige forbindelser studert av organisk kjemi. I naturen finnes mineralet shungitt, som inneholder både fast karbon (≈25%) og betydelige mengder silisiumoksid (≈35%). Kjemiske egenskaperVed vanlige temperaturer er karbon kjemisk inert, ved tilstrekkelig høye temperaturer kombineres det med mange grunnstoffer, og viser sterke reduserende egenskaper. Den kjemiske aktiviteten til forskjellige former for karbon avtar i følgende rekkefølge: amorft karbon, grafitt, diamant, i luft antennes de ved temperaturer over henholdsvis 300-501 °C, 600-700 °C og 800-1000 °C. Oksydasjonstilstanden varierer fra -4 til +4. Elektronaffinitet 1,27 eV; ioniseringsenergien under den suksessive overgangen fra C 0 til C 4+ er henholdsvis 11.2604, 24.383, 47.871 og 64.19 eV. uorganiske forbindelserKarbon reagerer med mange grunnstoffer. Forbindelser med ikke-metaller har sine egne navn - metan, tetrafluormetan. Forbrenningsproduktene av karbon er CO og CO 2 (henholdsvis karbonmonoksid og karbondioksid). Også kjent er ustabilt karbonsuboksid C 3 O 2 (smeltepunkt -111 ° C, kokepunkt 7 ° C) og noen andre oksider (for eksempel C 12 O 9, C 5 O 2, C 12 O 12). Grafitt og amorft karbon begynner å reagere med hydrogen ved en temperatur på 1200 °C, med fluor ved 900 °C. Grafitt danner inklusjonsforbindelser med halogener, alkalimetaller og andre stoffer. Når en elektrisk utladning føres mellom karbonelektroder i en nitrogenatmosfære, dannes cyanid. Ved høye temperaturer gir interaksjonen av karbon med en blanding av H 2 og N 2 |
Organisk liv på jorden er representert av karbonforbindelser. Elementet er en del av hovedkomponentene i cellulære strukturer: proteiner, karbohydrater og fett, og danner også grunnlaget for arvestoffet - deoksyribonukleinsyre. I uorganisk natur er karbon et av de vanligste elementene som danner jordskorpen og atmosfæren på planeten. Organisk kjemi som en gren av kjemisk vitenskap er helt viet til egenskapene til det kjemiske elementet karbon og dets forbindelser. Vår artikkel vil vurdere de fysisk-kjemiske egenskapene til karbon og egenskapene til dets egenskaper.
Plassen til elementet i det periodiske systemet til Mendeleev
Karbonundergruppen er hovedundergruppen i gruppe IV, som i tillegg til karbon også inkluderer silisium, germanium, tinn og bly. Alle de oppførte elementene har samme struktur på det ytre energinivået, hvor fire elektroner er plassert. Dette bestemmer likheten mellom deres kjemiske egenskaper. I normaltilstanden er elementene i undergruppen bivalente, og når atomene deres går inn i en eksitert tilstand, viser de en valens lik 4. De fysiske og kjemiske egenskapene til karbon avhenger av tilstanden til elektronskallene til atomet. Således, i reaksjon med oksygen, danner et element hvis partikler er i en ueksitert tilstand et likegyldig oksid CO. Karbonatomer i eksitert tilstand oksideres til karbondioksid, som viser sure egenskaper.
Former for karbon i naturen
Diamant, grafitt og karbin er tre allotropiske modifikasjoner av karbon som et enkelt stoff. Gjennomsiktige krystaller med høy brytningsgrad av lysstråler, som er de hardeste forbindelsene i naturen, er diamanter. De er dårlige ledere av varme og er dielektriske. Krystallgitteret er atomært, veldig sterkt. I den er hvert atom i et element omgitt av fire andre partikler, og danner et vanlig tetraeder.
Helt forskjellige fysisk-kjemiske egenskaper til karbondannende grafitt. Det er fett å ta på krystallinsk substans med mørkegrå farge. Den har en lagdelt struktur, avstandene mellom lagene av atomer er ganske store, mens deres attraktive krefter er svake. Derfor, når du trykker på en grafittstang, blir stoffet lagdelt i tynne flak. De etterlater et mørkt merke på papiret. Grafitt er termisk ledende og litt dårligere enn metaller i elektrisk ledningsevne.
Evnen til å lede elektrisk strøm forklares av strukturen til krystallen til et stoff. I den er karbonpartikler bundet til tre andre ved hjelp av sterke kovalente kjemiske bindinger. Det fjerde valenselektronet til hvert atom forblir fritt og er i stand til å bevege seg i stoffets tykkelse. Den rettede bevegelsen av negativt ladede partikler forårsaker utseendet til en elektrisk strøm. Bruksområdene for grafitt er forskjellige. Så den brukes til fremstilling av elektroder i elektroteknikk og for å utføre elektrolyseprosessen, ved hjelp av hvilken for eksempel rene alkalimetaller oppnås. Grafitt har funnet anvendelse i atomreaktorer for å kontrollere hastigheten på kjedereaksjoner som finner sted i dem som en nøytronmoderator. Det er kjent å bruke stoffet som skiferstaver eller smøremidler i gnidedelene av mekanismer.
Hva er karbin?
Det svarte krystallinske pulveret med en glassaktig glans er karabin. Det ble syntetisert på midten av 1900-tallet i Russland. Stoffet overgår grafitt i hardhet, er kjemisk passivt, har egenskapene til en halvleder og er den mest stabile modifikasjonen av karbon. Forbindelsen er sterkere enn grafitt. Det finnes også slike former for karbon, hvis kjemiske egenskaper er forskjellige fra hverandre. Disse er sot, kull og koks.
Ulike egenskaper ved allotropiske modifikasjoner av karbon er forklart av strukturen til deres krystallgitter. Det er et ildfast stoff, fargeløst og luktfritt. Det er uløselig i organiske løsemidler, men det er i stand til å danne faste løsninger - legeringer, for eksempel med jern.
Kjemiske egenskaper til karbon
Avhengig av stoffet som karbon reagerer med, kan det vise to egenskaper: både et reduksjonsmiddel og et oksidasjonsmiddel. For eksempel, ved å smelte koks med metaller, oppnås deres forbindelser - karbider. I reaksjon med hydrogen dannes hydrokarboner. Dette er organiske forbindelser, for eksempel metan, etylen, acetylen, der karbon, som for metaller, har en oksidasjonstilstand på -4. Reduktive kjemiske reaksjoner av karbon, hvis egenskaper vi studerer, vises under dets interaksjon med oksygen, halogener, vann og basiske oksider.
Oksider av karbon
Ved å brenne kull i luft med lavt oksygeninnhold oppnås karbonmonoksid - oksid av toverdig karbon. Den er fargeløs, luktfri og svært giftig. Kombinert med hemoglobin i blodet under respirasjon, føres karbonmonoksid gjennom hele menneskekroppen, forårsaker forgiftning og deretter død fra kvelning. I klassifiseringen tar et stoff plassen til likegyldige oksider, reagerer ikke med vann, og verken en base eller en syre tilsvarer det. De kjemiske egenskapene til karbon med en valens på 4 skiller seg fra de tidligere diskuterte egenskapene.
Karbondioksid
Et fargeløst gassformig stoff ved en temperatur på 15 og et trykk på én atmosfære går over i en fast fase. Det kalles tørris. CO 2 -molekyler er ikke-polare, selv om den kovalente bindingen mellom oksygen og karbonatomer er polar. Forbindelsen tilhører sure oksider. Når det samhandler med vann, danner det karbonsyre. Reaksjoner mellom karbondioksid og enkle stoffer er kjent: metaller og ikke-metaller, for eksempel med magnesium, kalsium eller koks. I dem spiller det rollen som et oksidasjonsmiddel.
Kvalitativ reaksjon på karbondioksid
For å være sikker på at gassen som studeres virkelig er karbonmonoksid CO 2, utføres følgende eksperiment i uorganisk kjemi: stoffet føres gjennom en gjennomsiktig løsning av kalkvann. Observasjon av uklarheten til løsningen på grunn av utfellingen av et hvitt bunnfall av kalsiumkarbonat bekrefter tilstedeværelsen av karbondioksidmolekyler i reagensblandingen. Med videre passasje av gass gjennom en løsning av kalsiumhydroksid, løses CaCO 3-bunnfallet på grunn av dets transformasjon til kalsiumbikarbonat, et vannløselig salt.
Karbons rolle i masovnsprosessen
De kjemiske egenskapene til karbon brukes i industriell produksjon av jern fra malmene: magnetisk, rød eller brun jernmalm. Den viktigste blant dem vil være de reduserende egenskapene til karbon og oksider - karbonmonoksid og karbondioksid. Prosessene som skjer i masovnen kan representeres som følgende reaksjonssekvens:
- Først brenner koks i en luftstrøm oppvarmet til 1850 °C med dannelse av karbondioksid: C + O 2 = CO 2.
- Passerer gjennom varmt karbon, reduseres det til karbonmonoksid: CO 2 + C = 2CO.
- Karbonmonoksid reagerer med jernmalm, noe som resulterer i jernoksid: 3Fe 2 O 3 + CO \u003d 2Fe 3 O 4 + CO 2, Fe 3 O 4 + CO \u003d 3FeO + CO 2.
- Jernproduksjonsreaksjonen vil ha følgende form: FeO + CO \u003d Fe + CO 2
Smeltet jern løser opp en blanding av karbon og karbonmonoksid i seg selv, noe som resulterer i et stoff - sementitt.
Støpejern smeltet i en masovn inneholder i tillegg til jern opptil 4,5 % karbon og andre urenheter: mangan, fosfor, svovel. Stål, som skiller seg fra støpejern på en rekke måter, som for eksempel evnen til å rulle og smi, har bare 0,3 til 1,7 % karbon i sammensetningen. Stålprodukter er mye brukt i nesten alle bransjer: maskinteknikk, metallurgi og medisin.
I artikkelen vår fant vi ut hvilke kjemiske egenskaper av karbon og dets forbindelser som brukes i ulike områder av menneskelig aktivitet.
MOU "Nikiforovskaya ungdomsskole nr. 1"
Karbon og dets viktigste uorganiske forbindelser
abstrakt
Fullført av: elev av klasse 9B
Sidorov Alexander
Lærer: Sakharova L.N.
Dmitrievka 2009
Introduksjon
Kapittel I. Alt om karbon
1.1. karbon i naturen
1.2. Allotropiske modifikasjoner av karbon
1.3. Kjemiske egenskaper til karbon
1.4. Påføring av karbon
Kapittel II. Uorganiske karbonforbindelser
Konklusjon
Litteratur
Introduksjon
Karbon (lat. Carboneum) C er et kjemisk grunnstoff i gruppe IV i Mendeleevs periodiske system: atomnummer 6, atommasse 12.011(1). Tenk på strukturen til karbonatomet. Det er fire elektroner i det ytre energinivået til karbonatomet. La oss tegne det:
Karbon har vært kjent siden antikken, og navnet på oppdageren av dette elementet er ukjent.
På slutten av XVII århundre. Florentinske forskere Averani og Targioni prøvde å smelte sammen flere små diamanter til en stor og varmet dem opp med et brennende glass med sollys. Diamantene forsvant etter å ha brent i luften. I 1772 viste den franske kjemikeren A. Lavoisier at CO 2 dannes ved forbrenning av diamant. Først i 1797 beviste den engelske vitenskapsmannen S. Tennant identiteten til grafittens og kullets natur. Etter å ha brent like mengder kull og diamant, viste volumene av karbonmonoksid (IV) seg å være de samme.
Variasjonen av karbonforbindelser, som forklares av atomenes evne til å kombinere med hverandre og med atomer av andre elementer på forskjellige måter, bestemmer den spesielle posisjonen til karbon blant andre elementer.
Kapittel Jeg . Alt om karbon
1.1. karbon i naturen
Karbon finnes i naturen både i fri tilstand og i form av forbindelser.
Fritt karbon forekommer som diamant, grafitt og karbin.
Diamanter er svært sjeldne. Den største kjente diamanten - "Cullinan" ble funnet i 1905 i Sør-Afrika, veide 621,2 g og målte 10 × 6,5 × 5 cm. Diamantfondet i Moskva har en av de største og vakreste diamantene i verden - "Orlov" (37.92) g).
Diamanten har fått navnet sitt fra det greske. "adamas" - uovervinnelig, uforgjengelig. De viktigste diamantforekomstene er lokalisert i Sør-Afrika, Brasil og Yakutia.
Store forekomster av grafitt er lokalisert i Tyskland, på Sri Lanka, i Sibir, i Altai.
De viktigste karbonholdige mineralene er: magnesitt MgCO 3, kalsitt (kalkspat, kalkstein, marmor, kritt) CaCO 3, dolomitt CaMg (CO 3) 2, etc.
Alt fossilt brensel - olje, gass, torv, hard- og brunkull, skifer - er bygget på karbonbasis. Nær sammensetningen av karbon er noen fossile kull som inneholder opptil 99 % C.
Karbon utgjør 0,1 % av jordskorpen.
I form av karbonmonoksid (IV) CO 2 karbon er en del av atmosfæren. En stor mengde CO 2 er oppløst i hydrosfæren.
1.2. Allotropiske modifikasjoner av karbon
Elementært karbon danner tre allotropiske modifikasjoner: diamant, grafitt, karbin.
1. Diamant er et fargeløst, gjennomsiktig krystallinsk stoff som bryter lysstråler ekstremt sterkt. Karbonatomer i diamant er i en tilstand av sp 3 hybridisering. I eksitert tilstand blir valenselektronene i karbonatomene svekket og fire uparrede elektroner dannes. Når kjemiske bindinger dannes, får elektronskyer den samme langstrakte formen og er plassert i rommet slik at deres akser er rettet mot toppene til tetraederet. Når toppen av disse skyene overlapper med skyer av andre karbonatomer, vises kovalente bindinger i en vinkel på 109°28", og det dannes et atomisk krystallgitter, som er karakteristisk for diamant.
Hvert karbonatom i en diamant er omgitt av fire andre plassert fra den i retninger fra sentrum av tetraedrene til hjørnene. Avstanden mellom atomer i tetraeder er 0,154 nm. Styrken til alle bindinger er den samme. Dermed er atomene i en diamant "pakket" veldig tett. Ved 20°C er diamantens tetthet 3,515 g/cm 3 . Dette forklarer dens eksepsjonelle hardhet. Diamant er en dårlig leder av elektrisitet.
I 1961 startet den industrielle produksjonen av syntetiske diamanter fra grafitt i Sovjetunionen.
I industriell syntese av diamanter brukes trykk på tusenvis av MPa og temperaturer fra 1500 til 3000°C. Prosessen utføres i nærvær av katalysatorer, som kan være noen metaller, for eksempel Ni. Hovedtyngden av de dannede diamantene er små krystaller og diamantstøv.
Diamant, når den varmes opp uten tilgang til luft over 1000 ° C, blir til grafitt. Ved 1750°C skjer transformasjonen av diamant til grafitt raskt.
Strukturen til en diamant
2. Grafitt er en grå-svart krystallinsk substans med en metallisk glans, fettete å ta på, dårligere hardhet selv til papir.
Karbonatomer i grafittkrystaller er i tilstanden sp 2-hybridisering: hver av dem danner tre kovalente σ-bindinger med naboatomer. Vinklene mellom bindingsretningene er 120°. Resultatet er et rutenett sammensatt av vanlige sekskanter. Avstanden mellom tilstøtende kjerner av karbonatomer i laget er 0,142 nm. Det fjerde elektronet i det ytre laget av hvert karbonatom i grafitt opptar en p-orbital, som ikke er involvert i hybridisering.
Ikke-hybride elektronskyer av karbonatomer er orientert vinkelrett på lagets plan, og overlappende med hverandre, danner delokaliserte σ-bindinger. Nabolag i en grafittkrystall er plassert i en avstand på 0,335 nm fra hverandre og er svakt sammenkoblet, hovedsakelig av van der Waals-krefter. Derfor har grafitt lav mekanisk styrke og spaltes lett i flak, som er veldig sterke i seg selv. Bindingen mellom lagene av karbonatomer i grafitt er delvis metallisk. Dette forklarer det faktum at grafitt leder elektrisitet godt, men likevel ikke like godt som metaller.
grafitt struktur
Fysiske egenskaper i grafitt er svært forskjellige i retninger - vinkelrett og parallelt med lagene av karbonatomer.
Ved oppvarming uten tilgang til luft, gjennomgår ikke grafitt noen endringer opp til 3700°C. Ved denne temperaturen sublimerer den uten å smelte.
Kunstig grafitt oppnås fra de beste kullkvalitetene ved 3000°C i elektriske ovner uten lufttilgang.
Grafitt er termodynamisk stabil over et bredt spekter av temperaturer og trykk, så det er akseptert som standardtilstand for karbon. Tettheten av grafitt er 2,265 g/cm 3 .
3. Karbin - finkornet svart pulver. I sin krystallstruktur er karbonatomer forbundet med vekslende enkelt- og trippelbindinger til lineære kjeder:
−С≡С−С≡С−С≡С−
Dette stoffet ble først oppnådd av V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev på begynnelsen av 1960-tallet.
Deretter ble det vist at karbin kan eksistere i forskjellige former og inneholder både polyacetylen- og polycumulenkjeder der karbonatomer er koblet sammen med dobbeltbindinger:
C=C=C=C=C=C=
Senere ble karabin funnet i naturen – i meteorittstoff.
Carbyne har halvlederegenskaper; under påvirkning av lys øker dens ledningsevne sterkt. På grunn av eksistensen av ulike typer bindinger og ulike måter å legge kjeder av karbonatomer i krystallgitteret, kan de fysiske egenskapene til karbin variere over et vidt spekter. Ved oppvarming uten tilgang til luft over 2000°C er karbin stabil; ved temperaturer på ca. 2300°C observeres overgangen til grafitt.
Naturlig karbon består av to isotoper (98,892 %) og (1,108 %). I tillegg ble det funnet mindre urenheter av en radioaktiv isotop, som oppnås kunstig, i atmosfæren.
Tidligere ble det antatt at trekull, sot og koks er like i sammensetning som rent karbon og skiller seg i egenskaper fra diamant og grafitt, representerer en uavhengig allotrop modifikasjon av karbon ("amorft karbon"). Imidlertid ble det funnet at disse stoffene består av bittesmå krystallinske partikler hvor karbonatomer er koblet sammen på samme måte som i grafitt.
4. Kull - finfordelt grafitt. Det dannes under termisk dekomponering av karbonholdige forbindelser uten lufttilgang. Kull varierer betydelig i egenskaper avhengig av stoffet de er hentet fra og produksjonsmetoden. De inneholder alltid urenheter som påvirker egenskapene deres. De viktigste kullkvalitetene er koks, trekull og sot.
Koks oppnås ved å varme kull uten luft.
Kull dannes når treet varmes opp i fravær av luft.
Sot er et veldig fint grafittkrystallinsk pulver. Det dannes under forbrenning av hydrokarboner (naturgass, acetylen, terpentin, etc.) med begrenset lufttilgang.
Aktivt karbon er porøse industrielle adsorbenter, hovedsakelig bestående av karbon. Adsorpsjon er absorpsjon av overflaten av faste stoffer av gasser og oppløste stoffer. Aktivt karbon er hentet fra fast brensel (torv, brunt og steinkull, antrasitt), tre og dets produkter (kull, sagflis, papirproduksjonsavfall), lærindustriavfall, animalske materialer, som bein. Kull, preget av høy mekanisk styrke, produseres fra skall av kokosnøtter og andre nøtter, fra frø av frukt. Strukturen til kull er representert av porer i alle størrelser, men adsorpsjonskapasiteten og adsorpsjonshastigheten bestemmes av innholdet av mikroporer per enhet masse eller volum av granulat. Ved produksjon av aktivt karbon blir råmaterialet først utsatt for varmebehandling uten lufttilgang, som et resultat av at fuktighet og delvis harpiks fjernes fra det. I dette tilfellet dannes en storporestruktur av kull. For å oppnå en mikroporøs struktur utføres aktivering enten ved oksidasjon med gass eller damp, eller ved behandling med kjemiske reagenser.
1.3. Kjemiske egenskaper til karbon
Ved vanlige temperaturer er diamant, grafitt og kull kjemisk inerte, men ved høye temperaturer øker aktiviteten deres. Som følger av strukturen til hovedformene for karbon, reagerer kull lettere enn grafitt og enda mer diamant. Grafitt er ikke bare mer reaktivt enn diamant, men ved å reagere med visse stoffer kan det danne produkter som diamant ikke danner.
1. Som et oksidasjonsmiddel reagerer karbon med visse metaller ved høye temperaturer for å danne karbider:
ZS + 4Al \u003d Al 4 C 3 (aluminiumkarbid).
2. Med hydrogen danner kull og grafitt hydrokarboner. Den enkleste representanten - metan CH 4 - kan oppnås i nærvær av en Ni-katalysator ved høy temperatur (600-1000 ° C):
C + 2H2CH 4.
3. Når det interagerer med oksygen, viser karbon reduserende egenskaper. Med fullstendig forbrenning av karbon av enhver allotrop modifikasjon, dannes karbonmonoksid (IV):
C + O 2 \u003d CO 2.
Ufullstendig forbrenning produserer karbonmonoksid (II) CO:
C + O 2 \u003d 2CO.
Begge reaksjonene er eksoterme.
4. De reduserende egenskapene til kull er spesielt uttalt når det interagerer med metalloksider (sink, kobber, bly, etc.), for eksempel:
C + 2CuO \u003d CO 2 + 2Cu,
C + 2ZnO = CO 2 + 2Zn.
Den viktigste prosessen med metallurgi er basert på disse reaksjonene - smelting av metaller fra malm.
I andre tilfeller, for eksempel, når de interagerer med kalsiumoksid, dannes karbider:
CaO + 3C \u003d CaC 2 + CO.
5. Kull oksideres med varm konsentrert svovelsyre og salpetersyre:
C + 2H 2 SO 4 \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O,
ZS + 4HNO 3 \u003d ZSO 2 + 4NO + 2H 2 O.
Alle former for karbon er motstandsdyktige mot alkalier!
1.4. Påføring av karbon
Diamanter brukes til bearbeiding av ulike harde materialer, for skjæring, sliping, boring og gravering av glass, for boring av bergarter. Diamanter etter sliping og skjæring blir til diamanter som brukes som smykker.
Grafitt er det mest verdifulle materialet for moderne industri. Grafitt brukes til å lage former, smeltedigler og andre ildfaste produkter. På grunn av sin høye kjemiske motstand, brukes grafitt til produksjon av rør og apparater foret med grafittplater fra innsiden. Betydelige mengder grafitt brukes i elektrisk industri, for eksempel ved produksjon av elektroder. Grafitt brukes til å lage blyanter og noen malinger, som smøremiddel. Svært ren grafitt brukes i atomreaktorer for å moderere nøytroner.
En lineær polymer av karbon, karbin, tiltrekker seg oppmerksomheten til forskere som et lovende materiale for produksjon av halvledere som kan operere ved høye temperaturer og ultrasterke fibre.
Kull brukes i metallurgisk industri, i smedarbeid.
Koks brukes som reduksjonsmiddel ved smelting av metaller fra malm.
Sot brukes som fyllstoff for gummi for å øke styrken, så bildekk er svarte. Sot brukes også som en komponent i trykkfarge, blekk og skokrem.
Aktivt karbon brukes til å rense, ekstrahere og separere ulike stoffer. Aktivt karbon brukes som fyllstoff for gassmasker og som sorbentmiddel i medisin.
Kapittel II . Uorganiske karbonforbindelser
Karbon danner to oksider - karbonmonoksid (II) CO og karbonmonoksid (IV) CO 2.
Karbonmonoksid (II) CO er en fargeløs, luktfri gass, lett løselig i vann. Det kalles karbonmonoksid fordi det er veldig giftig. Når det kommer inn i blodet under pusten, kombineres det raskt med hemoglobin, og danner en sterk karboksyhemoglobinforbindelse, og frarøver dermed hemoglobin evnen til å bære oksygen.
Ved innånding av luft som inneholder 0,1 % CO, kan en person plutselig miste bevisstheten og dø. Karbonmonoksid dannes under ufullstendig forbrenning av drivstoff, og derfor er for tidlig stenging av skorsteiner så farlig.
Karbonmonoksid (II) refereres, som du allerede vet, til ikke-saltdannende oksider, siden det, som et ikke-metalloksid, må reagere med alkalier og basiske oksider for å danne salt og vann, men dette observeres ikke.
2CO + O 2 \u003d 2CO 2.
Karbonmonoksid (II) er i stand til å ta oksygen fra metalloksider, dvs. gjenvinne metaller fra oksidene deres.
Fe 2 O 3 + ZSO \u003d 2Fe + ZSO 2.
Det er denne egenskapen til karbonmonoksid (II) som brukes i metallurgi for jernsmelting.
Karbonmonoksid (IV) CO 2 – ofte kjent som karbondioksid – er en fargeløs, luktfri gass. Den er omtrent en og en halv gang tyngre enn luft. Under normale forhold løses 1 volum karbondioksid i 1 volum vann.
Ved et trykk på rundt 60 atm blir karbondioksid til en fargeløs væske. Når flytende karbondioksid fordamper, blir en del av det til en fast snølignende masse, som presses i industrien - dette er "tørrisen" du vet, som brukes til å lagre mat. Du vet allerede at fast karbondioksid har et molekylært gitter og er i stand til sublimering.
Karbondioksid CO 2 er et typisk surt oksid: det reagerer med alkalier (f.eks. fører til at kalkvann blir grumsete), med basiske oksider og med vann.
Det brenner ikke og støtter ikke forbrenning og brukes derfor til å slukke branner. Imidlertid fortsetter magnesium å brenne i karbondioksid for å danne oksid og frigjøre karbon som sot.
CO 2 + 2Mg \u003d 2MgO + C.
Karbondioksid oppnås ved å virke på salter av karbonsyre - karbonater med løsninger av saltsyre, salpetersyre og til og med eddiksyre. I laboratoriet produseres karbondioksid ved påvirkning av saltsyre på kritt eller marmor.
CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 0 + C0 2.
I industrien produseres karbondioksid ved å brenne kalkstein:
CaCO 3 \u003d CaO + C0 2.
Karbondioksid, i tillegg til det allerede nevnte bruksområdet, brukes også til fremstilling av brus og til produksjon av brus.
Når karbonmonoksid (IV) løses opp i vann, dannes karbonsyre H 2 CO 3, som er svært ustabil og lett brytes ned til sine opprinnelige komponenter – karbondioksid og vann.
Som en dibasisk syre danner karbonsyre to serier med salter: medium - karbonater, for eksempel CaCO 3, og sure - bikarbonater, for eksempel Ca (HCO 3) 2. Av karbonatene er det kun kalium-, natrium- og ammoniumsalter som er løselige i vann. Syresalter er vanligvis løselige i vann.
Med et overskudd av karbondioksid i nærvær av vann, kan karbonater bli til hydrokarboner. Så hvis karbondioksid føres gjennom kalkvann, vil det først bli uklart på grunn av utfelling av vannuløselig kalsiumkarbonat, men med videre passasje av karbondioksid forsvinner uklarheten som et resultat av dannelsen av løselig kalsiumbikarbonat :
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2.
Det er tilstedeværelsen av dette saltet som forklarer vannets midlertidige hardhet. Hvorfor midlertidig? Fordi når det varmes opp, blir løselig kalsiumbikarbonat tilbake til uløselig karbonat:
Ca (HCO 3) 2 \u003d CaCO 3 ↓ + H 2 0 + C0 2.
Denne reaksjonen fører til dannelse av belegg på veggene til kjeler, dampvarmerør og husholdningskjeler, og i naturen, som et resultat av denne reaksjonen, dannes bisarre stalaktitter som henger ned i huler, mot hvilke stalagmitter vokser nedenfra.
Andre kalsium- og magnesiumsalter, spesielt klorider og sulfater, gir vannet permanent hardhet. Kokende permanent vannhardhet kan ikke elimineres. Du må bruke en annen karbonat - brus.
Na 2 CO 3, som utfeller disse Ca 2+ ionene, for eksempel:
CaCl 2 + Na 2 CO 3 \u003d CaCO 3 ↓ + 2 NaCl.
Brus kan også brukes til å eliminere midlertidig hardhet av vann.
Karbonater og bikarbonater kan påvises ved bruk av sure løsninger: når de utsettes for syrer, observeres en karakteristisk "koking" på grunn av frigjort karbondioksid.
Denne reaksjonen er en kvalitativ reaksjon på karbonsyresalter.
Konklusjon
Alt liv på jorden er basert på karbon. Hvert molekyl i en levende organisme er bygget på grunnlag av et karbonskjelett. Karbonatomer migrerer konstant fra en del av biosfæren (det smale skallet på jorden der det finnes liv) til en annen. Ved å bruke eksemplet med karbonkretsløpet i naturen kan man spore dynamikken i livet på planeten vår i dynamikk.
De viktigste reservene av karbon på jorden er i form av karbondioksid inneholdt i atmosfæren og oppløst i havene, det vil si karbondioksid (CO 2). Tenk først på karbondioksidmolekylene i atmosfæren. Planter absorberer disse molekylene, og i prosessen med fotosyntese blir karbonatomet omdannet til ulike organiske forbindelser og dermed inkludert i strukturen til planter. Følgende er flere alternativer:
1. Karbon kan forbli i planter til plantene dør. Da vil molekylene deres bli spist av nedbrytere (organismer som lever av dødt organisk materiale og samtidig bryter det ned til enkle uorganiske forbindelser), som sopp og termitter. Etter hvert vil karbonet returnere til atmosfæren som CO 2 ;
2. Planter kan spises av planteetere. I dette tilfellet vil karbon enten returnere til atmosfæren (under respirasjon av dyr og under nedbrytning etter død), eller planteetere vil bli spist av rovdyr (og da vil karbon igjen returnere til atmosfæren på samme måter);
3. Planter kan dø og havne under jorden. Så vil de til slutt bli til fossilt brensel - for eksempel til kull.
Ved oppløsning av det originale CO 2 -molekylet i sjøvann er flere alternativer også mulig:
Karbondioksid kan ganske enkelt gå tilbake til atmosfæren (denne typen gjensidig gassutveksling mellom havene og atmosfæren skjer hele tiden);
Karbon kan komme inn i vevet til marine planter eller dyr. Deretter vil den gradvis samle seg i form av sedimenter på bunnen av havene og til slutt bli til kalkstein eller igjen gå fra sedimentene til sjøvann.
Når karbon er inkorporert i sedimenter eller fossilt brensel, fjernes det fra atmosfæren. Gjennom hele jordens eksistens ble karbonet som ble trukket ut på denne måten erstattet av karbondioksid som ble sluppet ut i atmosfæren under vulkanutbrudd og andre geotermiske prosesser. Under moderne forhold legges også utslipp fra menneskelig forbrenning av fossilt brensel til disse naturlige faktorene. På grunn av CO 2s innflytelse på drivhuseffekten, har studiet av karbonkretsløpet blitt en viktig oppgave for atmosfæriske forskere.
En integrert del av dette søket er å bestemme mengden CO 2 som er tilstede i plantevev (for eksempel i en nyplantet skog) – forskere kaller dette karbonvask. Mens regjeringer rundt om i verden prøver å komme til en internasjonal avtale om å begrense CO 2 -utslippene, har spørsmålet om en balanse mellom karbonavløp og karbonutslipp i enkeltland blitt et stort stridsfelt for industriland. Forskere tviler imidlertid på at akkumulering av karbondioksid i atmosfæren kan stoppes av skogsplantasjer alene.
Karbon sirkulerer konstant i jordens biosfære langs lukkede sammenkoblede veier. For tiden legges effekten av forbrenning av fossilt brensel til naturlige prosesser.
Litteratur:
1. Akhmetov N.S. Kjemi klasse 9: lærebok. for allmennutdanning lærebok bedrifter. - 2. utg. – M.: Opplysning, 1999. – 175 s.: ill.
2. Gabrielyan O.S. Kjemi klasse 9: lærebok. for allmennutdanning lærebok bedrifter. - 4. utg. - M.: Bustard, 2001. - 224 s.: ill.
3. Gabrielyan O.S. Kjemi karakterer 8-9: metode. godtgjørelse. - 4. utg. – M.: Bustard, 2001. – 128 s.
4. Eroshin D.P., Shishkin E.A. Metoder for å løse problemer i kjemi: lærebok. godtgjørelse. – M.: Opplysningstiden, 1989. – 176 s.: ill.
5. Kremenchugskaya M. Chemistry: Schoolchildren's Handbook. – M.: Filol. Society "WORD": LLC "Publishing House AST", 2001. - 478 s.
6. Kritsman V.A. Lesebok om uorganisk kjemi. – M.: Opplysningstiden, 1986. – 273 s.
Karbon (lat. Carboneum) - et kjemisk element i den 14. gruppen av den andre perioden av det periodiske systemet til Mendeleev (gruppe IV i den gamle nummereringen); atomnummer 6, atommasse 12.011.
Karbon er et veldig spesielt kjemisk grunnstoff. Et kraftig tre av organisk kjemi har vokst ut av karbonkjemien, med sine mest komplekse synteser og et enormt utvalg av studerte forbindelser. Nye grener av organisk kjemi dukker opp. Alle levende ting som utgjør biosfæren er bygget av karbonforbindelser. Og trærne, som hadde dødd ned for lenge siden, for millioner av år siden, ble til drivstoff som inneholder karbon - kull, torv, etc. La oss ta den mest vanlige blyant - en gjenstand som er kjent for alle. Er det ikke utrolig at en ydmyk grafittstav er relatert til en glitrende diamant, det hardeste stoffet i naturen? Diamant, grafitt, karbin er allotropiske modifikasjoner av karbon (se Allotropi). Strukturen til grafitt (1), diamant (2), karbin (3).
Historien om menneskelig bekjentskap med dette stoffet går langt inn i dypet av århundrer. Navnet på personen som oppdaget karbon er ukjent, det er ikke kjent hvilken form for rent karbon - grafitt eller diamant - som ble oppdaget tidligere. Bare på slutten av XVIII århundre. Det ble anerkjent at karbon er et uavhengig kjemisk grunnstoff.
Karboninnholdet i jordskorpen er 0,023 vektprosent. Karbon er hovedkomponenten i plante- og dyreverdenen. Alt fossilt brensel - olje, gass, torv, skifer - er bygget på karbonbasis, kull er spesielt rikt på karbon. Mesteparten av karbonet er konsentrert i mineraler - kalkstein CaCO 3 og dolomitt CaMg (CO 3) 2, som er salter av jordalkalimetaller og svak karbonsyre H 2 CO 3.
Blant de vitale elementene er karbon en av de viktigste: livet på planeten vår er bygget på karbonbasis. Hvorfor? Vi finner svaret på dette spørsmålet i Fundamentals of Chemistry av DI Mendeleev: «Karbon finnes i naturen både i fri og i forbindelsestilstand, i svært forskjellige former og typer ... Karbonatomenes evne til å kombinere med hver andre og gi komplekse partikler er manifestert i alle karbonforbindelser ... I ingen av grunnstoffene ... evnen til å komplisere er ikke utviklet i en slik grad som i karbon ... Ingen grunnstoffer gir så mange forbindelser som karbon og hydrogen.
Faktisk kan karbonatomer kombineres på en rekke måter med hverandre og med atomer av mange andre elementer, og danner et stort utvalg av stoffer. Deres kjemiske bindinger kan oppstå og brytes under påvirkning av naturlige faktorer. Slik oppstår karbonkretsløpet i naturen: fra atmosfæren til planter, fra planter til dyreorganismer, fra dem til livløs natur osv. Der det er karbon, er det en rekke stoffer, hvor det er karbon, er det strukturer av den mest mangfoldige molekylære arkitekturen (se .Hydrokarboner).
Opphopning av karbon i jordskorpen er forbundet med opphopning av mange andre grunnstoffer som feller ut i form av uløselige karbonater osv. CO 2 og karbonsyre spiller en viktig geokjemisk rolle i jordskorpen. En enorm mengde CO 2 frigjøres under vulkanisme - i jordens historie var det hovedkilden til karbon for biosfæren.
Uorganiske karbonforbindelser er mye mindre enn organiske. Karbon i form av diamant, grafitt, kull kommer inn i en forbindelse bare når det varmes opp. Ved høye temperaturer kombineres det med metaller og noen ikke-metaller, for eksempel bor, for å danne karbider.
Av de uorganiske forbindelsene av karbon er de mest kjente salter av karbonsyre, karbondioksid CO 2 (karbondioksid) og karbonmonoksid CO. Mye mindre kjent er det tredje oksidet C 3 O 2 - en fargeløs gass med en ubehagelig skarp lukt.
Jordens atmosfære inneholder 2,3 10 12 tonn CO 2 -dioksid, et produkt av respirasjon og forbrenning. Det er hovedkilden til karbon for planteutvikling. Karbonmonoksid CO, kjent som karbonmonoksid, produseres ved ufullstendig forbrenning av drivstoff: i eksosgassene til biler, etc.
I industrien brukes karbonmonoksid CO som reduksjonsmiddel (for eksempel ved jernsmelting i masovner) og for syntese av organiske stoffer (for eksempel metylalkohol ved reaksjonen: CO + 2H 2 → CH 3 (OH) .
De mest kjente allotropiske modifikasjonene av elementært karbon: diamant- uorganisk polymer med romlig, volumetrisk struktur; grafitt- polymer med plan struktur; karabin- en lineær polymer av karbon som eksisterer i to former, forskjellig i naturen og vekslingen av kjemiske bindinger; todimensjonal modifikasjon grafen; karbon nanorør sylindrisk struktur. (se Allotropi).
Diamant- en krystallinsk form av karbon, et sjeldent mineral, som overgår i hardhet helt naturlig og alt, bortsett fra krystallinsk bornitrid, kunstige materialer. Store diamantkrystaller etter kutting blir til den mest edle av steiner - diamanter.
På slutten av XVII århundre. Florentinske forskere Averani og Targioni prøvde å smelte sammen flere små diamanter til en stor, varmet dem opp med sollys ved å bruke et brennende glass. Diamanter forsvant ved å brenne i luften ... Det tok omtrent hundre år før den franske kjemikeren A. Lavoisier i 1772 ikke bare gjentok dette eksperimentet, men også forklarte årsakene til at diamanten forsvant: en edel diamantkrystall brant ut i på samme måte som biter brent i andre eksperimenter fosfor og kull. Og først i 1797 beviste den engelske vitenskapsmannen S. Tennant identiteten til naturen til diamant og kull. Han fant at volumene av karbondioksid etter forbrenning av like kullmasser og diamant viste seg å være de samme. Etter det ble det gjort mange forsøk på å skaffe diamant kunstig fra grafitt, kull og karbonholdige materialer ved høye temperaturer og trykk. Noen ganger, etter disse eksperimentene, ble det funnet små diamantlignende krystaller, men det var aldri mulig å gjennomføre vellykkede eksperimenter.
Syntesen av diamant ble mulig etter at den sovjetiske fysikeren O. I. Leipunsky i 1939 beregnet forholdene under hvilke grafitt kan bli til diamant (trykk ca. 60 000 atm, temperatur 1600-2000 ° C). På 50-tallet. av vårt århundre, nesten samtidig i flere land, inkludert USSR, ble kunstige diamanter oppnådd under industrielle forhold. I dag produseres 2000 karat kunstige diamanter daglig fra én industriinstallasjon i hjemmet (1 karat = 0,2 g). Diamantkroner av borerigger, diamantskjæreverktøy, slipeskiver med diamantspon fungerer pålitelig og i lang tid. Kunstige diamanter, så vel som naturlige krystaller, er mye brukt i moderne teknologi.
En annen ren karbonpolymer er enda mer utbredt i praksis - grafitt. I en grafittkrystall er karbonatomer som ligger i samme plan fast bundet til vanlige sekskanter. Sekskanter med felles flater danner buntplan. Bindingene mellom karbonatomer i forskjellige pakker er svake. I tillegg er avstanden mellom karbonatomer i forskjellige plan nesten 2,5 ganger større enn mellom naboatomer i samme plan. Derfor er en liten innsats nok til å splitte grafittkrystallen i separate flak. Det er grunnen til at grafittledningen til en blyant etterlater et merke på papiret. Det er uforlignelig vanskeligere å bryte bindingen mellom karbonatomer som ligger i samme plan. Styrken til disse bindingene er årsaken til den høye kjemiske motstanden til grafitt. Det påvirkes ikke selv av varme alkalier og syrer, med unntak av konsentrert salpetersyre.
I tillegg til høy kjemisk motstand, er grafitt også preget av høy varmebestandighet: produkter laget av det kan brukes ved temperaturer opp til 3700 °C. Evnen til å lede elektrisk strøm har bestemt mange bruksområder for grafitt. Det trengs innen elektroteknikk, metallurgi, produksjon av krutt, kjernefysisk teknologi. Grafitt av høyeste renhet brukes i reaktorbygging - som en effektiv nøytronmoderator.
Lineær polymer av karbon - karabin har så langt vært brukt i praksis i begrenset omfang. I et karbinmolekyl er karbonatomer koblet i kjeder vekselvis med trippel- og enkeltbindinger:
−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−
Dette stoffet ble først oppnådd av sovjetiske kjemikere V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin og Yu. P. Kudryavtsev på begynnelsen av 1960-tallet. ved Institute of Organoelement Compounds ved USSR Academy of Sciences. Carbyne har halvlederegenskaper, og under påvirkning av lys økes konduktiviteten kraftig. Den første praktiske applikasjonen er basert på denne egenskapen - i fotoceller.
I molekylet til en annen form for karbin - polycumulen (β-karbin), også oppnådd for første gang i vårt land, er karbonatomer koblet annerledes enn i karbin - bare ved dobbeltbindinger:
═C═C═C═C═C═C═C═C═C═
Antall organiske forbindelser kjent for vitenskapen - karbonforbindelser - overstiger 7 millioner. Kjemien til polymerer - naturlige og syntetiske - er også først og fremst kjemien til karbonforbindelser. Organiske karbonforbindelser studeres av slike uavhengige vitenskaper som organisk kjemi, biokjemi og kjemien til naturlige forbindelser.
Betydningen av karbonforbindelser i menneskers liv er uvurderlig – bundet karbon omgir oss overalt: i atmosfæren og litosfæren, i planter og dyr, i klærne og maten.