Carbonul este ... Un atom de carbon. Masa carbonului

Unul dintre cele mai uimitoare elemente care pot forma un număr mare de compuși diferiți de natură organică și anorganică este carbonul. Acesta este un element atât de neobișnuit în proprietățile sale, încât Mendeleev a prezis un viitor mare pentru el, vorbind despre trăsăturile care nu au fost încă dezvăluite.

Mai târziu a fost confirmată practic. A devenit cunoscut faptul că el este elementul biogenic principal al planetei noastre, care face parte din absolut toate ființele vii. În plus, este capabil să existe în forme care diferă radical în toți parametrii, dar în același timp constau numai în atomi de carbon.

În general, trăsăturile acestei structuri sunt multe, este cu ele și vom încerca să înțelegem cursul articolului.

Carbon: formula și poziția în sistemul de elemente

În sistemul periodic, elementul de carbon este situat în IV (conform noului eșantion din 14) grupul, principalul subgrup. Numărul său ordinal este de 6, iar greutatea sa atomică este de 12.011. Desemnarea elementului cu semnul lui C indică numele său în latină - carboneum. Există mai multe forme diferite în care carbonul există. Prin urmare, formula sa variază și depinde de modificarea specifică.

Cu toate acestea, pentru a scrie ecuațiile de reacție, desemnarea este specifică, desigur, există. În general, atunci când vorbim despre materie în forma ei pură, se adoptă formula moleculară a carbonului C, fără indexare.

Istoricul descoperirii elementelor

În sine, acest element este cunoscut de la antichitate. La urma urmei, una dintre cele mai importante minerale din natură este cărbunele. Prin urmare, pentru vechii greci, romani și alte naționalități, el nu era un secret.

În plus față de acest soi, s-au folosit și diamante și grafit. Cu acesta din urmă de mult timp au existat multe situații confuze, deoarece de multe ori fără analiza compoziției pentru grafit, compuși cum ar fi:

• argint plumb;
• carbură de fier;
• sulfură de molibden.

Toți au fost vopsite în negru și, prin urmare, au fost considerați grafit. Mai târziu, această neînțelegere a fost explicată, iar această formă de carbon a devenit ea însăși.

Din anul 1725, diamantele au dobândit o importanță comercială deosebită, iar în 1970 tehnologia de obținere a acestora prin mijloace artificiale a fost stăpânită. Din 1779, datorită operelor lui Karl Scheele, sunt studiate proprietățile chimice care afișează carbonul. Acesta a fost începutul unui număr de descoperiri importante în domeniul acestui element și a devenit baza pentru elucidarea tuturor caracteristicilor sale unice.

Izotopii de carbon și propagarea în natură

În ciuda faptului că elementul în cauză este unul dintre cele mai importante elemente nutritive, conținutul său total în masa crustă a pământului este de 0,15%. Acest lucru se datorează faptului că este supus unei circulații constante, un ciclu natural în natură.

În general, există mai mulți compuși de natură minerală, care includ carbon. Acestea sunt rase atât de naturale precum:

• dolomiți și calcar;
• antracit;
• cruste de petrol;
• gaz natural;
• cărbune dur;
• ulei;
• cărbune brun;
• turbă;
• bitum.

În plus, nu ar trebui să uităm despre lucrurile vii care sunt doar un depozit de compuși de carbon. La urma urmei, se formează proteine, grăsimi, carbohidrați, acizi nucleici, ceea ce înseamnă cele mai vitale molecule structurale. În general, este necesar un element curat pentru recalcularea greutății corporale uscate de la 70 kg 15. Și fiecare om, ca să nu mai vorbim de animale, plante și alte creaturi.

Dacă luăm în considerare compoziția aerului și apă, adică, hidrosfera în general și atmosfera, atunci există un amestec de carbon-oxigen, exprimat prin formula CO₂. Dioxidul sau dioxidul de carbon reprezintă unul dintre principalele gaze care alcătuiesc aerul. În această formă, fracțiunea de masă a carbonului este de 0,046%. Chiar mai mult dioxid de carbon dizolvat în apele Oceanului Mondial.

Masa atomică de carbon ca element este de 12,011. Se știe că această valoare este calculată ca media aritmetică între greutățile atomice ale tuturor soiurilor izotopice existente în natură, luând în considerare prevalența lor (în procente). Acesta este cazul substanței avute în vedere. Există trei izotopi principali, sub forma căruia există carbon. Acestea sunt:

• ¹²C - fracțiunea de masă în majoritatea covârșitoare este de 98,93%;
• ¹³C = 1,07%;
• ¹⁴C - radioactiv, un timp de înjumătățire de 5700 de ani, un betta-emițător stabil.

În practica determinării vârstei geochronologice a probelor, un izotop radioactiv ¹⁴C, care este un indicator, datorită perioadei lungi de decădere.

Modificări alotropice ale elementului

Carbonul este un element care există în mai multe forme sub forma unei substanțe simple. Asta este, este capabil de a forma cel mai mare dintre numărul actual al modificărilor alotropice.

1. Variante de cristal - există sub formă de structuri puternice cu laturi obișnuite de tip atomic. Acest grup include astfel de soiuri precum:

• diamante;
• fulerene;
• Grafit;
• carabine;
• lonsdaleite;
• fibre de carbon și tuburi.

Toți diferă în structura laturii cristaline, la nodurile căruia - atomul de carbon. Prin urmare, proprietățile complet unice, nu similare, fizice și chimice.

2. Forme amorfe - ele formează un atom de carbon, care face parte din niște compuși naturali. Adică nu sunt soiuri pure, ci impurități ale altor elemente într-o cantitate mică. Acest grup include:

• carbon activ;
• piatră și lemn;
• negru;
• carbon nanofilm;
• antracit;
• carbon sticlos;
• tipul tehnic de substanță.

Ele sunt, de asemenea, elemente combinate ale structurii lattice a cristalului, care explică și manifestă proprietățile.

3. Compușii de carbon sub formă de clustere. O astfel de structură, în care atomii sunt închisi într-o cavitate specială din interiorul conformației, umplută cu apă sau cu nucleul altor elemente. exemple:

• nanocone de carbon;
• astralenes;
• dioxid de carbon.

Proprietățile fizice ale carbonului amorf

Datorită varietății largi de modificări alotropice, este dificil să se identifice anumite proprietăți fizice generale pentru carbon. Este mai ușor să vorbești despre o formă specifică. Astfel, de exemplu, carbonul amorf are următoarele caracteristici.

1. În centrul tuturor formelor sunt soiuri de grafit fin cristaline.
2. Capacitate mare de căldură.
3. Proprietăți bune ale conductorului.
4. Densitatea de carbon este de aproximativ 2 g / cm³.
5. Când este încălzit peste 1600 ⁰C există o tranziție la forme de grafit.

funingine, cărbune și soiurile de piatră sunt utilizate pe scară largă în scopuri tehnice. Ele nu sunt o manifestare a modificării carbonului în formă pură, ci o conțin într-o cantitate foarte mare.

Carbon cristalin

Există mai multe opțiuni în care carbonul este o substanță care formează cristale obișnuite de diferite tipuri, unde atomii sunt conectați în serie. Ca urmare, apar următoarele modificări.

1. Un diamant. Structura este cubică, în care sunt conectate patru tetraedre. Ca rezultat, toate legăturile chimice covalente ale fiecărui atom sunt cât mai saturate și mai durabile posibil. Aceasta explică proprietățile fizice: densitatea de carbon este de 3300 kg / m³. Duritate ridicată, capacitate scăzută de căldură, lipsă de conductivitate electrică - toate acestea sunt rezultatul structurii rețelei cristaline. Există diamante obținute tehnic. Formată în timpul trecerii grafitului la următoarea modificare sub influența temperaturii ridicate și a unei anumite presiuni. În general, punctul de topire al diamantului este la fel de mare ca rezistența - aproximativ 3500 ⁰S.
2. Grafit. Atomii sunt localizați ca structura substanței anterioare, dar numai trei legături sunt saturate, iar al patrulea devine mai lung și mai puțin durabil, se unește împreună cu "straturile" inelelor de zăbrele hexagonale. Ca urmare, se pare că grafitul este o substanță moale, grasă la atingere, de culoare neagră. Are o bună conductivitate electrică și are un punct de topire ridicat - 3525 ⁰C. Capabil de sublimare - sublimare de la starea solida la cea gazoasa, ocolirea lichidului (la 3700 ° C ⁰C). Densitatea de carbon este de 2,26 g / cm³ care este mult mai scăzută decât cea a unui diamant. Aceasta explică proprietățile lor diferite. Datorită structurii laminate a rețelei de cristal, este posibil să se utilizeze grafit pentru fabricarea de creioane de plumb. Când se efectuează pe hârtie, fulgii se exfoliază și lasă pe hârtie o urmă de negru.
3. Fullerene. Ele au fost descoperite doar în anii `80 ai secolului trecut. Acestea sunt modificări în care carbonii sunt uniți într-o structură închisă convexă specială, care are un gol în centru. Și forma cristalului este un polyhedron, organizația corectă. Numărul de atomi este egal. Cea mai cunoscută formă de fulleren C₆₀. Probele de substanță similară au fost găsite în studii:

• meteoriți;
• sedimente de fund;
• a folguritelor;
• Sunghit;
• spațiu, în cazul în care acestea au fost conținute sub formă de gaze.

Toate soiurile de carbon cristalin sunt de o mare importanță practică, deoarece posedă o serie de proprietăți utile în proprietățile de inginerie.

Activitate chimică

Carbonul molecular prezintă o activitate chimică scăzută datorită configurației sale stabile. Să-l forțeze să se alăture reacției nu poate fi decât prin informarea atomului cu o energie suplimentară și forțând electronii de la nivelul extern să iasă din abur. În acest moment, valența devine 4. Prin urmare, în compuși are o stare de oxidare de +2, + 4, -4.

Practic, toate reacțiile cu substanțe simple, atât metale, cât și nemetale, apar sub influența temperaturilor ridicate. Elementul în cauză poate fi atât un agent de oxidare, cât și un agent reducător. Cu toate acestea, ultimele proprietăți sunt exprimate în mod deosebit în el, pe această bază se bazează aplicarea sa în industria metalurgică și în alte industrii.

În general, capacitatea de a intra în interacțiunea chimică depinde de trei factori:

• dispersia carbonului;
• modificare alotropică;
• temperatura de reacție.

Astfel, într-o serie de cazuri, există interacțiuni cu următoarele substanțe:

• metale nemodificate (hidrogen, oxigen);
• metale (aluminiu, fier, calciu și altele);
• oxizi de metale și sărurile lor.

Cu acizi și alcalii nu reacționează, cu halogeni foarte rare. Cea mai importantă dintre proprietățile de carbon este capacitatea de a forma lanțuri lungi între ele. Se pot închide într-un ciclu, formează ramificații. Deci, există formarea de compuși organici, care astăzi numără în milioane. Bazele acestor compuși sunt două elemente - carbon, hidrogen. Alți atomi pot fi, de asemenea, incluși în compoziție: oxigen, azot, sulf, halogeni, fosfor, metale și altele.

Conexiunile de bază și caracteristicile acestora

Există mulți compuși diferiți, care includ carbonul. Formula celor mai faimoși dintre ei este CO₂ - dioxid de carbon. Cu toate acestea, în plus față de acest oxid, există, de asemenea, CO - un monoxid sau monoxid de carbon, precum și un C₃oh₂.

Printre sărurile care conțin acest element, cele mai frecvente sunt carbonații de calciu și magneziu. Astfel, carbonatul de calciu are mai multe sinonime în nume, deoarece în natură apare sub forma:

• cretă;
• marmură;
• calcar;
• dolomită.

Importanța carbonați de metal alcalino-pământos manifestată în faptul că ei sunt participanți activi în procesele de formare a stalactite și stalagmite și a apelor subterane.

Acidul carbonic este un alt compus care formează carbon. Formula lui este H₂CO₃. Totuși, în forma obișnuită, este extrem de instabilă și imediat în soluție se descompune în dioxid de carbon și apă. Prin urmare, doar sărurile sale sunt cunoscute, și nu pe sine, ca o soluție.

Halogenurile de carbon sunt produse în principal indirect, deoarece sintezele directe apar doar la temperaturi foarte ridicate și cu un randament scăzut al produsului. Una dintre cele mai comune - CCL₄ - tetraclorură de carbon. Un compus otrăvitor care, atunci când este inhalat, poate provoca intoxicații. Obținut prin reacții radicale de substituție fotochimică atomi de hidrogen în metan.

Carburile metalice sunt compuși ai carbonului în care se manifestă starea de oxidare 4. De asemenea, este posibilă existența asociațiilor cu bor și siliciu. Proprietatea principală a carburilor unor metale (aluminiu, tungsten, titan, niobiu, tantal, hafniu) este rezistența ridicată și conductivitatea electrică excelentă. Carbură de bor B₄C este una dintre cele mai grele substanțe după diamant (9,5 de Mohs). Acești compuși sunt utilizați în inginerie, precum și în industria chimică ca surse de producere a hidrocarburilor (carbură de calciu cu apă duce la formarea de acetilenă și hidroxid de calciu).

Multe aliaje de metale sunt fabricate cu ajutorul cărbunelui, mărind astfel semnificativ calitatea și caracteristicile lor tehnice (oțel - un aliaj de fier cu carbon).

Atenția separată merită numeroși compuși organici de carbon, în care este un element fundamental, capabil să se conecteze cu aceiași atomi în lanțuri lungi de structuri diferite. Acestea includ:

• alcani;
• alchene;
• arena;
• proteine;
• carbohidrați;
• acizi nucleici;
• alcooli;
• acizi carboxilici și multe alte clase de substanțe.

Utilizarea carbonului

Semnificația compușilor de carbon și modificările sale alotrope în viața umană este foarte mare. Puteți numi câteva din cele mai globale industrii pentru a clarifica faptul că acest lucru este într-adevăr adevărat.

1. Acest element formează toate tipurile de combustibil organic, de la care o persoană primește energie.
2. Industria metalurgică utilizează carbonul drept cel mai puternic agent reducător pentru a produce metale din compușii lor. Aici, carbonații sunt utilizați pe scară largă.
3. Construcțiile și industria chimică consumă o cantitate imensă de compuși de carbon pentru a sintetiza substanțe noi și pentru a obține produsele necesare.

De asemenea, puteți numi astfel de ramuri ale economiei ca:

• industria nucleară;
• bijuterii;
• echipament tehnic (lubrifianți, creuzete rezistente la căldură, creioane etc.);
• determinarea vârstei geologice a rocilor - indicator radioactiv ¹⁴C;
• carbonul este un adsorbant excelent, care îi permite să-l folosească pentru fabricarea filtrelor.

Ciclul în natură

Masa carbonului în natură este inclusă în ciclul constant, care are loc ciclic în fiecare secundă pe tot globul. Astfel, sursa de carbon atmosferic este CO₂, Este absorbit de plante și este eliberat de toate ființele vii în procesul de respirație. Intrăm în atmosferă, este din nou absorbit și astfel ciclul nu se oprește. În acest caz, distrugerea reziduurilor organice duce la eliberarea carbonului și acumularea acestuia în pământ, de unde este apoi absorbit din nou de organismele vii și eliberat în atmosferă sub formă de gaz.