يعد الكربون من أكثر العناصر المدهشة القادرة على تكوين مجموعة كبيرة ومتنوعة من المركبات ذات الطبيعة العضوية وغير العضوية. هذا العنصر ذو خصائص غير عادية لدرجة أن مندليف توقع مستقبلًا عظيمًا له، متحدثًا عن ميزات لم يتم الكشف عنها بعد.

في وقت لاحق تم تأكيد هذا عمليا. أصبح من المعروف أنه العنصر الحيوي الرئيسي لكوكبنا، وهو جزء من جميع الكائنات الحية على الإطلاق. بالإضافة إلى ذلك، فهي قادرة على الوجود في أشكال تختلف جذريا في جميع النواحي، ولكنها في الوقت نفسه تتكون من ذرات الكربون فقط.

بشكل عام، هذا الهيكل له العديد من الميزات، وسنحاول فهمها خلال المقال.

الكربون: الصيغة والموقع في نظام العناصر

في الجدول الدوري يقع عنصر الكربون في المجموعة الرابعة (حسب النموذج الجديد في 14) وهي المجموعة الفرعية الرئيسية. عدده الذري 6 ووزنه الذري 12.011. تشير تسمية العنصر بالعلامة C إلى اسمه باللاتينية - Carboneum. هناك عدة أشكال مختلفة يوجد بها الكربون. وبالتالي فإن صيغته تختلف وتعتمد على التعديل المحدد.

ومع ذلك، بالطبع، هناك تدوين محدد لكتابة معادلات التفاعل. بشكل عام، عند الحديث عن المادة في شكلها النقي، يتم قبول الصيغة الجزيئية للكربون C، دون فهرسة.

تاريخ اكتشاف العناصر

هذا العنصر نفسه معروف منذ العصور القديمة. بعد كل شيء، أحد أهم المعادن في الطبيعة هو الفحم. ولذلك لم يكن سرا بالنسبة لليونانيين القدماء والرومان وغيرهم من الأمم.

بالإضافة إلى هذا التنوع، تم استخدام الماس والجرافيت أيضا. لفترة طويلة كانت هناك العديد من المواقف المربكة مع الأخير، حيث غالبًا ما يتم الخلط بين المركبات مثل الجرافيت دون تحليل التركيب:

• الرصاص الفضي
• كربيد الحديد
• كبريتيد الموليبدينوم.

تم طلاءهم جميعًا باللون الأسود وبالتالي تم اعتبارهم من الجرافيت. وفي وقت لاحق تم توضيح سوء الفهم هذا، وأصبح هذا الشكل من الكربون هو نفسه.

منذ عام 1725، أصبح الماس ذا أهمية تجارية كبيرة، وفي عام 1970 تم إتقان تكنولوجيا إنتاجه بشكل مصطنع. منذ عام 1779، وبفضل عمل كارل شيل، تمت دراسة الخصائص الكيميائية التي أظهرها الكربون. كان هذا بمثابة بداية لعدد من الاكتشافات المهمة في مجال هذا العنصر وأصبح الأساس لتوضيح جميع ميزاته الفريدة.

نظائر الكربون وتوزيعها في الطبيعة

وعلى الرغم من أن العنصر المعني يعد من أهم العناصر الحيوية، إلا أن محتواه الإجمالي في كتلة القشرة الأرضية يبلغ 0.15%. يحدث هذا لأنه يخضع للتداول المستمر، الدورة الطبيعية للطبيعة.

بشكل عام، يمكننا تسمية العديد من المركبات المعدنية التي تحتوي على الكربون. هذه سلالات طبيعية مثل:

• الدولوميت والحجر الجيري.
• أنثراسايت.
• الصخر الزيتي؛
• غاز طبيعي؛
• فحم؛
• زيت؛
• الفحم البني؛
• الخث.
• البيتومين.

بالإضافة إلى ذلك، يجب ألا ننسى الكائنات الحية، والتي هي مجرد مستودع لمركبات الكربون. بعد كل شيء، فهو يشكل البروتينات والدهون والكربوهيدرات والأحماض النووية، وبالتالي الجزيئات الهيكلية الأكثر حيوية. بشكل عام، من أصل 70 كجم من كتلة الجسم الجافة، يوجد 15 عنصرًا نقيًا. وهكذا هو الحال بالنسبة لكل إنسان، ناهيك عن الحيوانات والنباتات وغيرها من المخلوقات.

إذا نظرنا إلى الماء، أي الغلاف المائي ككل والغلاف الجوي، فهناك خليط من الكربون والأكسجين، معبرًا عنه بالصيغة CO 2. ثاني أكسيد أو ثاني أكسيد الكربون هو أحد الغازات الرئيسية التي يتكون منها الهواء. وفي هذا الشكل تكون نسبة كتلة الكربون 0.046%. ويذوب المزيد من ثاني أكسيد الكربون في مياه المحيط العالمي.

الكتلة الذرية للكربون كعنصر هي 12.011. ومن المعروف أن هذه القيمة يتم حسابها على أنها الوسط الحسابي بين الأوزان الذرية لجميع أصناف النظائر الموجودة في الطبيعة، مع مراعاة وفرتها (كنسبة مئوية). يحدث هذا مع المادة المعنية. هناك ثلاثة نظائر رئيسية يحدث فيها الكربون. هذا:

• 12 C - نسبة كتلته بأغلبية ساحقة 98.93%؛
• 13 ج - 1.07%؛
• 14ج - مشع، عمر النصف 5700 سنة، باعث بيتا مستقر.

في ممارسة تحديد العمر الجيولوجي للعينات، يتم استخدام النظير المشع 14C على نطاق واسع، وهو مؤشر بسبب فترة اضمحلاله الطويلة.

التعديلات المتآصلة للعنصر

الكربون هو عنصر، كمادة بسيطة، موجود في عدة أشكال. أي أنها قادرة على تشكيل أكبر عدد من التعديلات المتآصلة المعروفة اليوم.

1. الاختلافات البلورية - توجد على شكل هياكل قوية ذات شبكات ذرية منتظمة. تضم هذه المجموعة أصنافًا مثل:

• الماس؛
• الفوليرين.
• الجرافيت.
• القربينات.
• لونسداليت.
• والأنابيب.

لديهم جميعا شبكات مختلفة، في العقد التي توجد بها ذرة الكربون. ومن هنا الخصائص الفريدة والمختلفة تمامًا، الفيزيائية والكيميائية.

2. الأشكال غير المتبلورة – وهي تتكون من ذرة الكربون التي هي جزء من بعض المركبات الطبيعية. وهذا هو، هذه ليست أصناف نقية، ولكن مع شوائب العناصر الأخرى بكميات صغيرة. تشمل هذه المجموعة:

• كربون مفعل؛
• الحجر والخشب.
• سخام؛
• رغوة الكربون النانوية؛
• أنثراسايت.
• الكربون الزجاجي
• التنوع الفني للمادة.

كما أنها متحدة أيضًا من خلال السمات الهيكلية للشبكة البلورية، التي تشرح الخصائص وتعرضها.

3. مركبات الكربون على شكل عناقيد. هذا هو الهيكل الذي يتم فيه حبس الذرات في شكل خاص مجوف من الداخل، مملوء بالماء أو نوى العناصر الأخرى. أمثلة:

• جزيئات نانوية كربونية؛
• نجمي.
• ديكربون.

الخصائص الفيزيائية للكربون غير المتبلور

نظرًا للتنوع الكبير في التعديلات المتآصلة، فمن الصعب تحديد أي خصائص فيزيائية عامة للكربون. من الأسهل التحدث عن نموذج معين. على سبيل المثال، الكربون غير المتبلور لديه الخصائص التالية.

1. تعتمد جميع الأشكال على أنواع بلورية دقيقة من الجرافيت.
2. قدرة حرارية عالية.
3. خصائص موصلة جيدة.
4. تبلغ كثافة الكربون حوالي 2 جم / سم 3.
5. عند تسخينه فوق 1600 درجة مئوية، يحدث الانتقال إلى أشكال الجرافيت.

تستخدم أصناف السخام والحجر على نطاق واسع للأغراض الفنية. وهي ليست مظهراً من مظاهر تعديل الكربون في صورته النقية، ولكنها تحتوي عليه بكميات كبيرة جداً.

الكربون البلوري

هناك عدة خيارات يكون فيها الكربون مادة تشكل بلورات منتظمة من أنواع مختلفة، حيث تكون الذرات متصلة في سلسلة. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل التعديلات التالية.

1. - مكعب حيث ترتبط أربعة رباعيات السطوح. ونتيجة لذلك، فإن جميع الروابط الكيميائية التساهمية لكل ذرة تكون مشبعة وقوية قدر الإمكان. وهذا ما يفسر الخواص الفيزيائية: كثافة الكربون 3300 كجم/م3. صلابة عالية، قدرة حرارية منخفضة، نقص التوصيل الكهربائي - كل هذا نتيجة لهيكل الشبكة البلورية. هناك الماس المنتج تقنيا. تتشكل أثناء انتقال الجرافيت إلى التعديل التالي تحت تأثير درجة الحرارة المرتفعة وضغط معين. بشكل عام، فهي عالية مثل القوة - حوالي 3500 درجة مئوية.
2. الجرافيت. وتترتب الذرات بشكل مشابه لبنية المادة السابقة، إلا أن ثلاث روابط فقط مشبعة، والرابعة تصبح أطول وأقل قوة، وتربط بين «طبقات» الحلقات الشبكية السداسية. ونتيجة لذلك، اتضح أن الجرافيت عبارة عن مادة سوداء دهنية ناعمة الملمس. لديها موصلية كهربائية جيدة ولها نقطة انصهار عالية - 3525 درجة مئوية. قادرة على التسامي - التسامي من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية، متجاوزة السائل (عند درجة حرارة 3700 درجة مئوية). تبلغ كثافة الكربون 2.26 جم/سم3، وهي أقل بكثير من كثافة الماس. وهذا ما يفسر خصائصها المختلفة. نظرًا للبنية الطبقية للشبكة البلورية، يمكن استخدام الجرافيت لصنع سلاسل قلم الرصاص. عند تمريرها على الورق، تقشر القشور وتترك علامة سوداء على الورق.
3. الفوليرين. تم اكتشافها فقط في الثمانينات من القرن الماضي. وهي عبارة عن تعديلات يتم فيها ربط ذرات الكربون ببعضها البعض في هيكل مغلق محدب خاص مع وجود فراغ في المركز. علاوة على ذلك، فإن شكل البلورة هو متعدد السطوح، ذو تنظيم منتظم. عدد الذرات زوجي. أشهر أشكال الفوليرين C60. تم العثور على عينات من مادة مماثلة أثناء البحث:

• النيازك.
• الرواسب السفلية
• فولغوريت.
• الشونجيتس.
• الفضاء الخارجي، حيث كانت موجودة على شكل غازات.

تتمتع جميع أنواع الكربون البلوري بأهمية عملية كبيرة لأنها تحتوي على عدد من الخصائص المفيدة في مجال التكنولوجيا.

النشاط الكيميائي

يُظهر الكربون الجزيئي تفاعلًا كيميائيًا منخفضًا بسبب تكوينه المستقر. ولا يمكن إجبارها على التفاعل إلا عن طريق نقل طاقة إضافية إلى الذرة وإجبار إلكترونات المستوى الخارجي على التبخر. عند هذه النقطة، يصبح التكافؤ 4. لذلك، في المركبات لديه حالة أكسدة + 2، + 4، - 4.

تحدث جميع التفاعلات تقريبًا مع المواد البسيطة، سواء كانت معدنية أو غير معدنية، تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة. يمكن أن يكون العنصر المعني إما عامل مؤكسد أو عامل اختزال. إلا أن الخصائص الأخيرة واضحة فيه بشكل خاص، وهذا ما يعتمد على استخدامه في الصناعات المعدنية وغيرها.

وبشكل عام فإن القدرة على الدخول في التفاعلات الكيميائية تعتمد على ثلاثة عوامل:

• تشتت الكربون
• تعديل تآصلى
• درجة حرارة التفاعل.

وهكذا يحدث في بعض الحالات تفاعل مع المواد التالية:

• غير المعادن (الهيدروجين والأكسجين)؛
• المعادن (الألومنيوم والحديد والكالسيوم وغيرها)؛
• أكاسيد المعادن وأملاحها.

لا يتفاعل مع الأحماض والقلويات، ونادرا جدا مع الهالوجينات. أهم خاصية للكربون هي القدرة على تكوين سلاسل طويلة فيما بينها. يمكنهم الإغلاق في دورة وتشكيل فروع. وهكذا يتم تكوين المركبات العضوية التي يبلغ عددها اليوم الملايين. أساس هذه المركبات عنصران - الكربون والهيدروجين. قد يشمل التركيب أيضًا ذرات أخرى: الأكسجين والنيتروجين والكبريت والهالوجينات والفوسفور والمعادن وغيرها.

الاتصالات الأساسية وخصائصها

هناك العديد من المركبات المختلفة التي تحتوي على الكربون. الصيغة الأكثر شهرة منهم هي ثاني أكسيد الكربون - ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، بالإضافة إلى هذا الأكسيد، هناك أيضا ثاني أكسيد الكربون - أول أكسيد الكربون أو أول أكسيد الكربون، وكذلك تحت أكسيد C 3 O 2.

ومن الأملاح التي تحتوي على هذا العنصر أكثرها شيوعا كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم. وبالتالي، فإن كربونات الكالسيوم لها عدة مرادفات لاسمها، حيث أنها توجد في الطبيعة على شكل:

• الطباشير.
• رخام؛
• حجر الكلس؛
• الدولوميت

تتجلى أهمية كربونات المعادن الأرضية القلوية في حقيقة أنها تشارك بنشاط في تكوين الهوابط والصواعد، وكذلك المياه الجوفية.

حمض الكربونيك هو مركب آخر يشكل الكربون. صيغته هي H2CO3. ومع ذلك، في شكله المعتاد فهو غير مستقر للغاية ويتحلل على الفور إلى ثاني أكسيد الكربون والماء في المحلول. ولذلك، فإن أملاحه فقط هي المعروفة، وليس هو نفسه كحل.

يتم الحصول على هاليدات الكربون بشكل غير مباشر بشكل رئيسي، حيث أن التخليق المباشر يحدث فقط عند درجات حرارة عالية جدًا وبإنتاجية منخفضة للمنتج. واحدة من الأكثر شيوعا هو CCL 4 - رابع كلوريد الكربون. مركب سام يمكن أن يسبب التسمم إذا تم استنشاقه. تم الحصول عليها عن طريق تفاعلات الاستبدال الكيميائية الضوئية الجذرية في الميثان.

الكربيدات المعدنية هي مركبات كربون تظهر فيها حالة أكسدة تبلغ 4. ومن الممكن أيضًا وجود توليفات مع البورون والسيليكون. الخاصية الرئيسية للكربيدات لبعض المعادن (الألومنيوم والتنغستن والتيتانيوم والنيوبيوم والتنتالوم والهافنيوم) هي القوة العالية والتوصيل الكهربائي الممتاز. يعتبر كربيد البورون B4C من أصلب المواد بعد الماس (9.5 حسب موس). وتستخدم هذه المركبات في التكنولوجيا، وكذلك في الصناعة الكيميائية، كمصادر للهيدروكربونات (كربيد الكالسيوم مع الماء يؤدي إلى تكوين الأسيتيلين وهيدروكسيد الكالسيوم).

يتم تصنيع العديد من السبائك المعدنية باستخدام الكربون، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في جودتها وخصائصها التقنية (الفولاذ عبارة عن سبيكة من الحديد والكربون).

العديد من مركبات الكربون العضوية تستحق اهتماما خاصا، حيث أنها عنصر أساسي قادر على الاتحاد مع نفس الذرات لتكوين سلاسل طويلة من الهياكل المختلفة. وتشمل هذه:

• الألكانات.
• الألكينات.
• الساحات.
• البروتينات.
• الكربوهيدرات.
• احماض نووية؛
• الكحوليات.
• الأحماض الكربوكسيلية والعديد من فئات المواد الأخرى.

تطبيق الكربون

إن أهمية مركبات الكربون وتعديلاتها المتآصلة في حياة الإنسان كبيرة جدًا. يمكنك تسمية العديد من الصناعات العالمية لتوضيح أن هذا هو الحال بالفعل.

1. يشكل هذا العنصر كافة أنواع الوقود العضوي الذي يحصل الإنسان منه على الطاقة.
2. تستخدم صناعة المعادن الكربون كعامل اختزال قوي للحصول على المعادن من مركباتها. كما تستخدم الكربونات على نطاق واسع هنا.
3. يستهلك البناء والصناعة الكيميائية كميات هائلة من مركبات الكربون لتصنيع مواد جديدة وإنتاج المنتجات الضرورية.

يمكنك أيضًا تسمية قطاعات الاقتصاد مثل:

• الصناعة النووية
• صناعة المجوهرات؛
• المعدات التقنية (مواد التشحيم، البوتقات المقاومة للحرارة، أقلام الرصاص، وما إلى ذلك)؛
• تحديد العمر الجيولوجي للصخور - المؤشر الإشعاعي 14 درجة مئوية؛
• يعتبر الكربون مادة ماصة ممتازة، مما يسمح باستخدامه في تصنيع المرشحات.

دورة في الطبيعة

يتم تضمين كتلة الكربون الموجودة في الطبيعة في دورة ثابتة، والتي تحدث بشكل دوري كل ثانية حول العالم. وهكذا فإن المصدر الجوي للكربون، ثاني أكسيد الكربون، تمتصه النباتات وتطلقه جميع الكائنات الحية أثناء التنفس. وبمجرد دخوله الغلاف الجوي، يتم امتصاصه مرة أخرى، وهكذا تستمر الدورة. في هذه الحالة، يؤدي موت البقايا العضوية إلى إطلاق الكربون وتراكمه في الأرض، حيث يتم امتصاصه مرة أخرى بواسطة الكائنات الحية وإطلاقه في الغلاف الجوي على شكل غاز.

كربون

كربون-أ؛ م.العنصر الكيميائي (C)، وهو أهم عنصر في جميع المواد العضوية في الطبيعة. ذرات الكربون. نسبة محتوى الكربون. بدون الكربون، الحياة مستحيلة.

◁ الكربون، أوه، أوه. ذرات Y.الكربون، أوه، أوه. تحتوي على الكربون. اه فولاذ .

كربون

(lat. Carboneum)، العنصر الكيميائي للمجموعة الرابعة من الجدول الدوري. التعديلات البلورية الرئيسية هي الماس والجرافيت. في الظروف العادية، يكون الكربون خاملًا كيميائيًا؛ عند درجات الحرارة المرتفعة يتحد مع العديد من العناصر (عامل اختزال قوي). يبلغ محتوى الكربون في القشرة الأرضية 6.5 × 10 × 16 طنًا، وتدخل كمية كبيرة من الكربون (حوالي 10 × 13 طنًا) في تركيبة الوقود الأحفوري (الفحم والغاز الطبيعي والنفط وما إلى ذلك)، وكذلك في التركيبة. من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (6 · 10 · 11 طن) والغلاف المائي (10 · 14 طن). المعادن الرئيسية التي تحتوي على الكربون هي الكربونات. يتمتع الكربون بقدرة فريدة على تكوين عدد كبير من المركبات، والتي يمكن أن تتكون من عدد غير محدود تقريبًا من ذرات الكربون. حدد تنوع مركبات الكربون ظهور أحد الفروع الرئيسية للكيمياء - الكيمياء العضوية. الكربون هو عنصر حيوي. تلعب مركباته دورًا خاصًا في حياة الكائنات النباتية والحيوانية (متوسط ​​محتوى الكربون - 18٪). ينتشر الكربون على نطاق واسع في الفضاء؛ أما بالنسبة للشمس فيحتل المرتبة الرابعة بعد الهيدروجين والهيليوم والأكسجين.

كربون

الكربون (باللاتينية Carboneum، من carbo - الفحم)، C (اقرأ "ce")، عنصر كيميائي ذو عدد ذري ​​6، وزن ذري 12.011. يتكون الكربون الطبيعي من نويدتين مستقرتين: 12 درجة مئوية بنسبة 98.892% بالكتلة و13 درجة مئوية - 1.108%. في الخليط الطبيعي للنويدات، النويدة المشعة 14 C (ب - باعث، نصف عمر 5730 سنة) موجودة دائما بكميات ضئيلة. يتشكل باستمرار في الطبقات السفلية من الغلاف الجوي تحت تأثير النيوترونات من الإشعاع الكوني على نظير النيتروجين 14 ن:
14 7 ن + 1 0 ن = 14 6 ج + 1 1 ح.
يقع الكربون في المجموعة IVA، في الفترة الثانية من الجدول الدوري. تكوين الطبقة الإلكترونية الخارجية للذرة في الحالة الأرضية 2 س 2 ص 2 . حالات الأكسدة الأكثر أهمية هي +2 +4، -4، التكافؤ الرابع والثاني.
نصف قطر ذرة الكربون المحايدة هو 0.077 نانومتر. يبلغ نصف قطر أيون C4+ 0.029 نانومتر (رقم التنسيق 4)، 0.030 نانومتر (رقم التنسيق 6). طاقات التأين المتتابعة للذرة المحايدة هي 11.260، 24.382، 47.883، 64.492 و 392.09 فولت. السالبية الكهربية حسب بولينج (سم.بولينج لينوس) 2,5.
مرجع تاريخي
الكربون معروف منذ العصور القديمة. تم استخدام الفحم لاستخلاص المعادن من خامات الماس (سم.الماس (المعادن))- مثل الحجر الكريم. في عام 1789، الكيميائي الفرنسي أ.ل.لافوازييه (سم.لافوازييه أنطوان لوران)خلص إلى الطبيعة العنصرية للكربون.
تم الحصول على الماس الاصطناعي لأول مرة في عام 1953 من قبل باحثين سويديين، لكنهم لم يتمكنوا من نشر النتائج. وفي ديسمبر 1954، تم الحصول على الماس الاصطناعي، وفي بداية عام 1955، نشر موظفو شركة جنرال إلكتريك النتائج. (سم.جنرال إلكتريك)
في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم الحصول على الماس الاصطناعي لأول مرة في عام 1960 من قبل مجموعة من العلماء بقيادة V. N. Bakul وL. F. Vereshchagin. (سم.فيرشاجين ليونيد فيدوروفيتش) .
في عام 1961، قامت مجموعة من الكيميائيين السوفييت تحت قيادة V. V. Korshak بتجميع تعديل خطي للكربون - كارباين. بعد فترة وجيزة، تم اكتشاف كاربين في حفرة نيزك ريس (ألمانيا). في عام 1969، في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم تصنيع بلورات الماس الشبيهة بالشعيرات تحت الضغط العادي، وتمتلك قوة عالية وخالية من العيوب عمليًا.
في عام 1985، كروتو (سم.لطيف هارولد)اكتشف شكلاً جديدًا من الكربون - الفوليرين (سم.الفوليرين) C 60 و C 70 في الطيف الكتلي للجرافيت المتبخر أثناء تشعيع الليزر. عند ضغوط عالية، تم الحصول على لونسداليت.
التواجد في الطبيعة
المحتوى الموجود في القشرة الأرضية هو 0.48% بالوزن. يتراكم في المحيط الحيوي: في المادة الحية 18% فحم، في الخشب 50%، الخث 62%، الغازات الطبيعية القابلة للاحتراق 75%، الصخر الزيتي 78%، الفحم الصلب والبني 80%، النفط 85%، الجمرة الخبيثة 96%. يتركز جزء كبير من فحم الغلاف الصخري في الحجر الجيري والدولوميت. الكربون في حالة الأكسدة +4 هو جزء من صخور الكربونات والمعادن (الطباشير والحجر الجيري والرخام والدولوميت). ثاني أكسيد الكربون CO 2 (0.046% بالوزن) هو مكون دائم للهواء الجوي. يوجد ثاني أكسيد الكربون دائمًا في صورة مذابة في مياه الأنهار والبحيرات والبحار.
تم اكتشاف مواد تحتوي على الكربون في الغلاف الجوي للنجوم والكواكب والنيازك.
إيصال
منذ العصور القديمة، تم إنتاج الفحم عن طريق الاحتراق غير الكامل للخشب. في القرن التاسع عشر، تم استبدال الفحم بالفحم البيتوميني (فحم الكوك) في علم المعادن.
حاليًا، يتم استخدام التكسير في الإنتاج الصناعي للكربون النقي. (سم.تكسير)غاز الميثان الطبيعي (سم.الميثان)الفصل 4:
CH 4 = C + 2H 2
يتم تحضير الفحم للأغراض الطبية عن طريق حرق قشور جوز الهند. ولأغراض المختبرات، يتم الحصول على الفحم النقي الذي لا يحتوي على شوائب غير قابلة للاحتراق عن طريق الاحتراق غير الكامل للسكر.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية
الكربون هو مادة غير معدنية.
يتم تفسير تنوع مركبات الكربون من خلال قدرة ذراتها على الارتباط مع بعضها البعض، وتشكيل هياكل وطبقات وسلاسل ودورات ثلاثية الأبعاد. هناك أربعة تعديلات متآصلة للكربون معروفة: الماس، والجرافيت، والكارباين، والفوليريت. يتكون الفحم من بلورات صغيرة ذات بنية غير منتظمة من الجرافيت. كثافته 1.8-2.1 جم/سم3. السخام عبارة عن جرافيت مطحون بدرجة عالية.
الماس معدن ذو شبكة مكعبة مركزية الوجه. توجد ذرات C في الماس sp 3 - حالة هجينة. تشكل كل ذرة 4 روابط تساهمية مع أربع ذرات C مجاورة تقع عند رؤوس رباعي السطوح، وفي وسطه ذرة C. والمسافات بين الذرات في رباعي السطوح هي 0.154 نانومتر. لا توجد موصلية إلكترونية، فجوة النطاق 5.7 فولت. من بين جميع المواد البسيطة، يمتلك الماس أكبر عدد من الذرات لكل وحدة حجم. كثافته 3.51 جم/سم3 . الصلابة على مقياس موس المعدني (سم.مقياس موس)تعتبر 10. لا يمكن خدش الماسة إلا بماسة أخرى؛ لكنها هشة وعند الاصطدام تتكسر إلى قطع غير منتظمة الشكل. مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية فقط عند الضغوط العالية. ومع ذلك، عند درجة حرارة 1800 درجة مئوية، يحدث تحول الماس إلى جرافيت بسرعة. يحدث التحول العكسي للجرافيت إلى الماس عند درجة حرارة 2700 درجة مئوية وضغط يتراوح بين 11-12 جيجا باسكال.
الجرافيت عبارة عن مادة رمادية داكنة ذات طبقات ذات شبكة بلورية سداسية. مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية على نطاق واسع من درجات الحرارة والضغوط. تتكون من طبقات متوازية مكونة من أشكال سداسية منتظمة من ذرات الكربون C، وتقع ذرات الكربون في كل طبقة مقابل مراكز الأشكال السداسية الموجودة في الطبقات المجاورة؛ ويتكرر موضع الطبقات بعضها البعض، ويتم إزاحة كل طبقة بالنسبة إلى الأخرى في الاتجاه الأفقي بمقدار 0.1418 نانومتر. داخل الطبقة، تكون الروابط بين الذرات تساهمية، وتتشكل sp 2 - المدارات الهجينة. يتم تنفيذ الاتصالات بين الطبقات بواسطة فان دير فال الضعيف (سم.التفاعل بين الجزيئات)القوات، لذلك يتم تقشير الجرافيت بسهولة. يتم تثبيت هذه الحالة بواسطة الرابطة الرابعة غير المحلية. يتمتع الجرافيت بموصلية كهربائية جيدة. كثافة الجرافيت هي 2.1-2.5 كجم/دم3.
في جميع التعديلات المتآصلة، في ظل الظروف العادية، يكون الكربون غير نشط كيميائيا. يدخل في التفاعلات الكيميائية فقط عند تسخينه. في هذه الحالة، يتناقص النشاط الكيميائي للكربون في سلسلة السخام والفحم والجرافيت والماس. يشتعل السخام الموجود في الهواء عند تسخينه إلى 300 درجة مئوية، ويشتعل الماس عند 850-1000 درجة مئوية. أثناء الاحتراق، يتم تشكيل ثاني أكسيد الكربون CO 2 وCO. وبتسخين ثاني أكسيد الكربون بالفحم، يتم الحصول أيضًا على أول أكسيد الكربون (II) CO:
ثاني أكسيد الكربون 2 + ج = 2CO
C + H 2 O (البخار الساخن) = CO + H 2
تم تصنيع أول أكسيد الكربون C2O3.
ثاني أكسيد الكربون هو أكسيد حمضي، ويرتبط بحمض الكربونيك الضعيف وغير المستقر H2CO3، والذي يوجد فقط في المحاليل المائية الباردة المخففة للغاية. أملاح حمض الكربونيك - كربونات (سم.الكربونات)(K 2 CO 3، CaCO 3) والبيكربونات (سم.الهيدروكربونات)(ناهكو 3، كاليفورنيا (هكو 3) 2).
مع الهيدروجين (سم.هيدروجين)يتفاعل الجرافيت والفحم عند درجات حرارة أعلى من 1200 درجة مئوية لتكوين خليط من الهيدروكربونات. يتفاعل مع الفلور عند درجة حرارة 900 درجة مئوية، ويشكل خليطًا من مركبات الفلوروكربون. وبتمرير تفريغ كهربائي بين أقطاب الكربون في جو من النيتروجين، يتم الحصول على غاز السيانوجين (CN) 2؛ إذا وجد الهيدروجين في خليط الغاز، يتكون حمض الهيدروسيانيك HCN. عند درجات حرارة عالية جدًا، يتفاعل الجرافيت مع الكبريت، (سم.الكبريت)السيليكون، البورون، تشكيل الكربيدات - CS 2، SiC، B 4 C.
يتم إنتاج الكربيدات من تفاعل الجرافيت مع المعادن عند درجات حرارة عالية: كربيد الصوديوم Na2C2، كربيد الكالسيوم CaC2، كربيد المغنيسيوم Mg2C3، كربيد الألومنيوم Al4C3. تتحلل هذه الكربيدات بسهولة بالماء إلى هيدروكسيد المعدن والهيدروكربون المقابل:
Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4
مع المعادن الانتقالية، يشكل الكربون كربيدات مستقرة كيميائيًا تشبه المعدن، على سبيل المثال، كربيد الحديد (الإسمنتيت) Fe 3 C، وكربيد الكروم Cr 2 C 3، وكربيد التنغستن WC. الكربيدات هي مواد بلورية، ويمكن أن تكون طبيعة الرابطة الكيميائية مختلفة.
عند تسخينه، يقوم الفحم باختزال العديد من المعادن من أكاسيدها:
FeO + C = Fe + CO،
2CuO+ C = 2Cu+ CO 2
عند تسخينه، فإنه يختزل الكبريت (VI) إلى الكبريت (IV) من حمض الكبريتيك المركز:
2H2SO4 + C = CO2 + 2SO2 + 2H2O
عند درجة حرارة 3500 درجة مئوية والضغط الطبيعي، يتسامى الكربون.
طلب
أكثر من 90% من جميع مصادر الطاقة الأولية المستهلكة في العالم تأتي من الوقود الأحفوري. ويستخدم 10% من الوقود المستخرج كمواد خام للتخليق العضوي والبتروكيميائي الأساسي لإنتاج البلاستيك.
العمل الفسيولوجي
يعتبر الكربون من أهم العناصر الحيوية، فهو وحدة بنيوية من المركبات العضوية التي تدخل في بناء الكائنات الحية وتأمين وظائفها الحيوية (البوليمرات الحيوية، الفيتامينات، الهرمونات، الوسائط وغيرها). محتوى الكربون في الكائنات الحية على أساس المادة الجافة هو 34.5-40% للنباتات والحيوانات المائية، 45.4-46.5% للنباتات والحيوانات البرية، و54% للبكتيريا. خلال حياة الكائنات الحية، يحدث التحلل التأكسدي للمركبات العضوية مع إطلاق ثاني أكسيد الكربون في البيئة الخارجية. ثاني أكسيد الكربون (سم.ثاني أكسيد الكربون)، المذاب في السوائل البيولوجية والمياه الطبيعية، يساهم في الحفاظ على الحموضة المثالية للبيئة مدى الحياة. يشكل الكربون الموجود في CaCO 3 الهيكل الخارجي للعديد من اللافقاريات ويوجد في المرجان وقشور البيض.
أثناء عمليات الإنتاج المختلفة، تدخل جزيئات الفحم والسخام والجرافيت والماس إلى الغلاف الجوي وتوجد فيه على شكل رذاذ. MPC لغبار الكربون في مناطق العمل هو 4.0 ملجم/م3، للفحم 10 ملجم/م3.

القاموس الموسوعي. 2009 .

المرادفات:

انظر ما هو "الكربون" في القواميس الأخرى:

جدول النويدات معلومات عامة الاسم، الرمز الكربون 14، 14C الأسماء البديلة الكربون المشع، الكربون المشع النيوترونات 8 البروتونات 6 خصائص النويدة الكتلة الذرية ... ويكيبيديا

جدول النويدات معلومات عامة الاسم، الرمز الكربون 12، 12C النيوترونات 6 البروتونات 6 خصائص النويدات الكتلة الذرية 12.0000000(0) ... ويكيبيديا

جدول النويدات معلومات عامة الاسم، الرمز الكربون 13، 13C النيوترونات 7 البروتونات 6 خصائص النويدات الكتلة الذرية 13.0033548378(10) ... ويكيبيديا

- (lat. Carboneum) ج، كيميائي. عنصر المجموعة الرابعة من نظام مندليف الدوري، العدد الذري 6، الكتلة الذرية 12.011. التعديلات البلورية الرئيسية هي الماس والجرافيت. في الظروف العادية، يكون الكربون خاملًا كيميائيًا؛ على ارتفاع... ... القاموس الموسوعي الكبير

- (الكربونيوم)، C، عنصر كيميائي من المجموعة الرابعة من الجدول الدوري، العدد الذري 6، الكتلة الذرية 12.011؛ اللافلزية. المحتوى الموجود في القشرة الأرضية هو 2.3×10 2% بالكتلة. الأشكال البلورية الرئيسية للكربون هي الماس والجرافيت. الكربون هو المكون الرئيسي...... الموسوعة الحديثة

كربون- (الكربونيوم)، C، عنصر كيميائي من المجموعة الرابعة من الجدول الدوري، العدد الذري 6، الكتلة الذرية 12.011؛ اللافلزية. المحتوى الموجود في القشرة الأرضية هو 2.3×10 2% وزناً. الأشكال البلورية الرئيسية للكربون هي الماس والجرافيت. الكربون هو المكون الرئيسي...... القاموس الموسوعي المصور

كربون- (1) الكيمياء. العنصر، الرمز C (lat. Carboneum)، في. و. 6، في. م 12011. وهو موجود في العديد من التعديلات (الأشكال) المتآصلة (الماس والجرافيت ونادرًا الكاربين والشاويت واللونسداليت في الحفر النيزكية). منذ عام 1961 / تم اعتماد كتلة ذرة النظير 12C ... موسوعة البوليتكنيك الكبيرة

- (الرمز C) وهو عنصر غير معدني واسع الانتشار من المجموعة الرابعة من الجدول الدوري. يشكل الكربون عددًا كبيرًا من المركبات، التي تشكل مع الهيدروكربونات والمواد غير المعدنية الأخرى الأساس... ... القاموس الموسوعي العلمي والتقني

الخواص الكيميائية نصف القطر التساهمي 77 م نصف قطر ايون 16 (+4ه) 260 (-4ه) مساءً كهرسلبية 2.55 (مقياس بولينج) الأكسدة 4 , 3 , 2, 1 , , , , , -4 طاقة التأين
(الإلكترون الأول) 1085.7 (11.25) كيلوجول/مول (إي فولت) الخواص الديناميكية الحرارية لمادة بسيطة الكثافة (في الظروف العادية) 2.25 (جرافيت) جم/سم3 درجة حرارة الانصهار 3550 درجة مئوية درجة حرارة الغليان 5003 ك؛ 4830 درجة مئوية نقطة حرجة 4130، 12 ميجا باسكال السعة الحرارية المولية 8.54 (جرافيت) J/(Kmol) الحجم المولي 5.3 سم مكعب/مول شعرية بلورية من مادة بسيطة بنية شعرية سداسي (الجرافيت)، مكعب (الماس) معلمات شعرية أ = 2.46؛ ج = 6.71 (الجرافيت)؛ أ=3.567 (الماس) سلوك ج/أ 2.73 (جرافيت) درجة حرارة ديباي 1860 (الماس) مميزات وخصائص اخرى توصيل حراري (300 ك) 1.59 واط/(م ك) CAS رقم 7440-44-0 طيف الانبعاث

إن قدرة الكربون على تكوين سلاسل بوليمر تؤدي إلى ظهور فئة ضخمة من المركبات القائمة على الكربون والتي تسمى المواد العضوية، وهي أكثر عددًا بكثير من المركبات غير العضوية، وهي تدرس الكيمياء العضوية.

قصة

في مطلع القرون السابع عشر والثامن عشر. نشأت نظرية الفلوجستون، التي طرحها يوهان بيشر وجورج ستال. اعترفت هذه النظرية بوجود مادة أولية خاصة في كل جسم قابل للاحتراق - سائل عديم الوزن - الفلوجستون، الذي يتبخر أثناء عملية الاحتراق. نظرًا لأنه عند حرق كمية كبيرة من الفحم، لا يتبقى سوى القليل من الرماد، فقد اعتقد علماء اللاهوت أن الفحم كان فلاهستونًا نقيًا تقريبًا. وهذا ما يفسر، على وجه الخصوص، تأثير الفحم "الفلوجيستيكي" - قدرته على استعادة المعادن من "الجير" والخامات. كان علماء اللاهوت اللاحقون، مثل ريومور وبيرجمان وآخرون، قد بدأوا بالفعل في فهم أن الفحم مادة عنصرية. ومع ذلك، تم التعرف على "الفحم النظيف" لأول مرة على هذا النحو من قبل أنطوان لافوازييه، الذي درس عملية احتراق الفحم والمواد الأخرى في الهواء والأكسجين. في كتاب "طريقة التسميات الكيميائية" (1787) لجيتون دي مورفو ولافوازييه وبرتولت وفوركروا، ظهر اسم "الكربون" (carbone) بدلاً من "الفحم النقي" الفرنسي (charbonepur). وتحت نفس الاسم، يظهر الكربون في "جدول الأجسام البسيطة" في "كتاب الكيمياء الابتدائي" للافوازييه.

أصل الاسم

في بداية القرن التاسع عشر، كان مصطلح "محلول الكربون" يستخدم أحيانًا في الأدبيات الكيميائية الروسية (Scherer، 1807؛ Severgin، 1815)؛ منذ عام 1824، قدم سولوفيوف اسم "الكربون". مركبات الكربون لها جزء في اسمها الكربوهيدرات (هو)- من اللات. كربون. carbonis) "فحم".

الخصائص الفيزيائية

يوجد الكربون في مجموعة متنوعة من المتآصلات ذات الخصائص الفيزيائية المتنوعة للغاية. يرجع تنوع التعديلات إلى قدرة الكربون على تكوين روابط كيميائية بأنواع مختلفة.

نظائر الكربون

يتكون الكربون الطبيعي من نظيرين مستقرين - 12 C (98.93%) و13 C (1.07%) ونظير مشع واحد 14 C (β-باعث، T ½ = 5730 سنة)، يتركز في الغلاف الجوي والجزء العلوي من الأرض نباح. ويتكون باستمرار في الطبقات السفلى من الستراتوسفير نتيجة تأثير النيوترونات الصادرة عن الإشعاع الكوني على نوى النيتروجين حسب التفاعل: 14N(n,p)14C، وأيضاً منذ منتصف الخمسينيات من القرن العشرين، كما منتج من صنع الإنسان لمحطات الطاقة النووية ونتيجة لاختبار القنابل الهيدروجينية.

التعديلات المتآصلة للكربون

الكربون البلوري

الكربون غير المتبلور

• الفحم الأحفوري: الأنثراسايت والفحم الأحفوري.
• فحم الكوك، فحم الكوك البترول، الخ.

من الناحية العملية، وكقاعدة عامة، فإن الأشكال غير المتبلورة المذكورة أعلاه هي مركبات كيميائية تحتوي على نسبة عالية من الكربون، وليست الشكل المتآصل النقي للكربون.

أشكال الكتلة

بناء

الكربون السائل موجود فقط عند ضغط خارجي معين. النقاط الثلاثية: الجرافيت - السائل - البخار ت= 4130 ك، ر= 10.7 ميجا باسكال والجرافيت – الماس – السائل ت≈ 4000 ك، ر≈ 11 جيجا باسكال. خط التوازن الجرافيت - سائل على الطور ر, ت- يحتوي المخطط على ميل موجب، يتحول إلى سالب عند اقترابه من النقطة الثلاثية للجرافيت - الماس - السائل، والتي ترتبط بالخصائص الفريدة لذرات الكربون لتكوين جزيئات كربون تتكون من عدد مختلف من الذرات (من اثنتين إلى سبع) . كان ميل خط توازن الماس والسائل، في غياب التجارب المباشرة في المنطقة ذات درجات الحرارة المرتفعة جدًا (> 4000-5000 كلفن) والضغوط (> 10-20 جيجا باسكال)، يعتبر سلبيًا لسنوات عديدة. أظهرت التجارب المباشرة التي أجراها باحثون يابانيون ومعالجة البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها، مع الأخذ في الاعتبار السعة الحرارية الشاذة لدرجات الحرارة العالية للماس، أن ميل خط توازن الماس والسائل موجب، أي أن الماس أثقل من سائله (في الذوبان سوف يغوص ولا يطفو مثل الثلج في الماء) .

الماس فائق التشتت (الماس النانوي)

في الثمانينيات، اكتشف اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية أنه في ظل ظروف التحميل الديناميكي للمواد المحتوية على الكربون، يمكن أن تتشكل هياكل تشبه الماس، تسمى الماس متناهية الصغر (UDD). حاليًا، يتم استخدام مصطلح "الماس النانوي" بشكل متزايد. ويبلغ حجم الجسيمات في مثل هذه المواد بضعة نانومترات. يمكن تحقيق شروط تكوين UDD أثناء تفجير المتفجرات ذات توازن الأكسجين السلبي الكبير، على سبيل المثال، مخاليط مادة تي إن تي مع الهكسوجين. ويمكن أيضًا تحقيق مثل هذه الظروف أثناء اصطدام الأجرام السماوية بسطح الأرض في وجود مواد تحتوي على الكربون (المواد العضوية، والجفت، والفحم، وما إلى ذلك). وهكذا، في منطقة سقوط نيزك تونغوسكا، تم اكتشاف UDAs في أرضية الغابة.

كاربين

يسمى التعديل البلوري للكربون في النظام السداسي ببنية سلسلة من الجزيئات بالكارباين. تحتوي السلاسل إما على بنية بوليين (−C≡C−) أو بنية متعددة الركائز (=C=C=). هناك عدة أشكال معروفة من الكارباين، تختلف في عدد الذرات في خلية الوحدة، وأحجام الخلية وكثافتها (2.68-3.30 جم/سم3). يتواجد الكارباين في الطبيعة على شكل معدن تشاويت (عروق بيضاء وشوائب في الجرافيت) ويتم الحصول عليه صناعيًا عن طريق التكثيف التأكسدي للهيدروبوليتيك للأسيتيلين، أو عمل إشعاع الليزر على الجرافيت، من الهيدروكربونات أو CCl 4 في البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة.

الكارباين عبارة عن مسحوق أسود بلوري ناعم (كثافته 1.9-2 جم/سم3) وله خصائص أشباه الموصلات. يتم الحصول عليها في ظروف اصطناعية من سلاسل طويلة من ذرات الكربون الموازية لبعضها البعض.

كارباين هو بوليمر خطي من الكربون. في جزيء الكارباين، ترتبط ذرات الكربون في سلاسل بالتناوب إما عن طريق روابط ثلاثية ومفردة (بنية البوليين)، أو بشكل دائم عن طريق روابط مزدوجة (بنية متعددة الركيوم). تم الحصول على هذه المادة لأول مرة من قبل الكيميائيين السوفييت V. V. Korshak، A. M. Sladkov، V. I. Kasatochkin و Yu.P. Kudryavtsev في أوائل الستينيات في أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. يتمتع الكارباين بخصائص شبه موصلة، وتزداد موصليته بشكل كبير عند تعرضه للضوء. ويعتمد التطبيق العملي الأول على هذه الخاصية – في الخلايا الكهروضوئية.

الفوليرين وأنابيب الكربون النانوية

يُعرف الكربون أيضًا على شكل جزيئات عنقودية C 60، C 70، C 80، C 90، C 100 وما شابه ذلك (الفوليرين)، وكذلك الجرافين والأنابيب النانوية والهياكل المعقدة - النجميات.

الكربون غير المتبلور (الهيكل)

يعتمد هيكل الكربون غير المتبلور على التركيب المضطرب للجرافيت أحادي البلورة (يحتوي دائمًا على شوائب). هذه هي فحم الكوك والفحم البني والصلب وأسود الكربون والسخام والكربون المنشط.

الجرافين

الجرافين هو تعديل متآصل ثنائي الأبعاد للكربون، يتكون من طبقة من ذرات الكربون بسمك ذرة واحدة، متصلة عبر روابط sp² في شبكة بلورية سداسية ثنائية الأبعاد.

التواجد في الطبيعة

تشير التقديرات إلى أن الأرض ككل تتكون من 730 جزءًا في المليون من الكربون، منها 2000 جزء في المليون في النواة و120 جزءًا في المليون في الوشاح والقشرة. وبما أن كتلة الأرض تبلغ 5.972×1024 كجم، فهذا يعني وجود 4360 مليون جيجا طن من الكربون.

معظم مركبات الكربون، وقبل كل شيء الهيدروكربونات، لها طابع واضح للمركبات التساهمية. إن قوة الروابط البسيطة والمزدوجة والثلاثية لذرات C مع بعضها البعض، والقدرة على تكوين سلاسل ودورات مستقرة من ذرات C تحدد وجود عدد كبير من المركبات المحتوية على الكربون التي تمت دراستها في الكيمياء العضوية. يوجد معدن الشونجايت في الطبيعة، والذي يحتوي على الكربون الصلب (≈25%) وكميات كبيرة من أكسيد السيليكون (≈35%). الخواص الكيميائية في درجات الحرارة العادية، يكون الكربون خاملًا كيميائيًا، وفي درجات حرارة عالية بدرجة كافية يتحد مع العديد من العناصر ويظهر خصائص اختزال قوية. يتناقص النشاط الكيميائي لمختلف أشكال الكربون بالترتيب التالي: الكربون غير المتبلور، الجرافيت، الماس؛ في الهواء تشتعل عند درجات حرارة أعلى من 300-501 درجة مئوية، و600-700 درجة مئوية، و800-1000 درجة مئوية على التوالي. تتراوح حالة الأكسدة من −4 إلى +4. تقارب الإلكترون 1.27 فولت؛ طاقة التأين أثناء الانتقال المتسلسل من C 0 إلى C 4+ هي 11.2604 و24.383 و47.871 و64.19 فولت على التوالي. المركبات غير العضوية يتفاعل الكربون مع العديد من العناصر. المركبات التي تحتوي على اللافلزات لها أسماءها الخاصة - الميثان ورباعي فلورو الميثان. منتجات احتراق الكربون هي ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون (أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، على التوالي). ومن المعروف أيضًا أن أكسيد الكربون غير المستقر C 3 O 2 (نقطة الانصهار −111 درجة مئوية، نقطة الغليان 7 درجة مئوية) وبعض الأكاسيد الأخرى (على سبيل المثال، C 12 O 9، C 5 O 2، C 12 O 12) معروف أيضًا. يبدأ الجرافيت والكربون غير المتبلور بالتفاعل مع الهيدروجين عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية، ومع الفلور عند درجة حرارة 900 درجة مئوية. يشكل الجرافيت مع الهالوجينات والمعادن القلوية والمواد الأخرى مركبات متضمنة. عند مرور تفريغ كهربائي بين أقطاب الكربون في جو من النيتروجين، يتكون السيانوجين. عند درجات الحرارة المرتفعة، ينتج تفاعل الكربون مع خليط من H 2 و N 2

محتوى المقال

كربون، C (الكربونيوم)، عنصر كيميائي غير معدني من المجموعة IVA (C، Si، Ge، Sn، Pb) من الجدول الدوري للعناصر. ويوجد في الطبيعة على شكل بلورات الماس (الشكل 1) أو الجرافيت أو الفوليرين وأشكال أخرى وهو جزء من المواد العضوية (الفحم والنفط والكائنات الحيوانية والنباتية وغيرها) والمواد غير العضوية (الحجر الجيري وصودا الخبز، إلخ.).

ينتشر الكربون على نطاق واسع، لكن محتواه في القشرة الأرضية لا يتجاوز 0.19%.

يستخدم الكربون على نطاق واسع في شكل مواد بسيطة. وبالإضافة إلى الألماس الثمين الذي يدخل في صناعة المجوهرات، فإن للألماس الصناعي أهمية كبيرة في صناعة أدوات الطحن والقطع.

يتم استخدام الفحم والأشكال غير المتبلورة الأخرى من الكربون لإزالة اللون، والتنقية، وامتزاز الغاز، وفي مجالات التكنولوجيا التي تتطلب مواد ماصة ذات سطح متطور. الكربيدات، مركبات الكربون مع المعادن، وكذلك مع البورون والسيليكون (على سبيل المثال، Al 4 C 3، SiC، B 4 C) تتميز بالصلابة العالية وتستخدم لتصنيع أدوات الكشط والقطع. الكربون هو جزء من الفولاذ والسبائك في الحالة الأولية وعلى شكل كربيدات. إن تشبع سطح المسبوكات الفولاذية بالكربون عند درجات حرارة عالية (الأسمنت) يزيد بشكل كبير من صلابة السطح ومقاومة التآكل. أنظر أيضاسبائك.

هناك العديد من أشكال الجرافيت المختلفة في الطبيعة؛ يتم الحصول على بعضها بشكل مصطنع. هناك أشكال غير متبلورة (على سبيل المثال، فحم الكوك والفحم). يتشكل السخام وفحم العظام وأسود المصباح وأسود الأسيتيلين عند حرق الهيدروكربونات في غياب الأكسجين. ما يسمى الكربون الأبيضيتم الحصول عليها عن طريق تسامي الجرافيت الحراري تحت ضغط منخفض - وهي عبارة عن بلورات صغيرة شفافة من أوراق الجرافيت ذات حواف مدببة.

مرجع تاريخي.

يُعرف الجرافيت والماس والكربون غير المتبلور منذ العصور القديمة. من المعروف منذ فترة طويلة أنه يمكن استخدام الجرافيت لتمييز مواد أخرى، وقد اقترح أ. فيرنر اسم "الجرافيت" نفسه، والذي يأتي من الكلمة اليونانية التي تعني "الكتابة"، في عام 1789. ومع ذلك، فإن تاريخ الجرافيت معقدة؛ غالبًا ما يتم الخلط بين المواد ذات الخصائص الفيزيائية الخارجية المشابهة لها، مثل الموليبدينيت (كبريتيد الموليبدينوم)، الذي كان يُعتبر في وقت ما من الجرافيت. تشمل الأسماء الأخرى للجرافيت "الرصاص الأسود" و"كربيد الحديد" و"الرصاص الفضي". في عام 1779، أثبت K. Scheele أنه يمكن أكسدة الجرافيت بالهواء لتكوين ثاني أكسيد الكربون.

تم استخدام الماس لأول مرة في الهند، وفي البرازيل أصبحت الأحجار الكريمة ذات أهمية تجارية في عام 1725؛ تم اكتشاف الرواسب في جنوب إفريقيا عام 1867. في القرن العشرين. المنتجون الرئيسيون للماس هم جنوب أفريقيا وزائير وبوتسوانا وناميبيا وأنجولا وسيراليون وتنزانيا وروسيا. يتم إنتاج الماس من صنع الإنسان، الذي تم إنشاء التكنولوجيا في عام 1970، للأغراض الصناعية.

التآصل.

إذا كانت الوحدات الهيكلية لمادة ما (ذرات العناصر أحادية الذرة أو جزيئات العناصر والمركبات متعددة الذرات) قادرة على الاتحاد مع بعضها البعض في أكثر من شكل بلوري واحد، فإن هذه الظاهرة تسمى التآصل. يحتوي الكربون على ثلاثة تعديلات متآصلة: الماس والجرافيت والفوليرين. في الماس، تحتوي كل ذرة كربون على 4 جيران مرتبة بشكل رباعي السطوح، وتشكل بنية مكعبة (الشكل 1، أ). يتوافق هذا الهيكل مع الحد الأقصى للتساهمية للرابطة، وجميع الإلكترونات الأربعة لكل ذرة كربون تشكل روابط C-C عالية القوة، أي. لا توجد إلكترونات التوصيل في الهيكل. ولذلك يتميز الماس بافتقاره إلى الموصلية الحرارية، وانخفاض التوصيل الحراري، والصلابة العالية؛ وهي أصعب مادة معروفة (الشكل 2). يتطلب كسر الرابطة C-C (طول الرابطة 1.54 Å، وبالتالي نصف القطر التساهمي 1.54/2 = 0.77 Å) في هيكل رباعي السطوح كميات كبيرة من الطاقة، لذلك يتميز الماس، إلى جانب الصلابة الاستثنائية، بنقطة انصهار عالية (3550 درجة). ج).

شكل آخر من أشكال الكربون المتآصل هو الجرافيت، الذي له خصائص مختلفة تمامًا عن الماس. الجرافيت مادة سوداء ناعمة مصنوعة من بلورات سهلة التقشر، وتتميز بالتوصيل الكهربائي الجيد (المقاومة الكهربائية 0.0014 أوم سم). ولذلك، يتم استخدام الجرافيت في مصابيح القوس والأفران (الشكل 3)، حيث من الضروري خلق درجات حرارة عالية. يستخدم الجرافيت عالي النقاء في المفاعلات النووية كمهدئ للنيوترونات. نقطة انصهاره عند الضغط المرتفع هي 3527 درجة مئوية. عند الضغط العادي، يتسامى الجرافيت (يتحول من الحالة الصلبة إلى الغاز) عند 3780 درجة مئوية.

هيكل الجرافيت (الشكل 1، ب) هو نظام من حلقات سداسية مندمجة بطول رابطة يبلغ 1.42 أنجستروم (أقصر بكثير من الماس)، ولكن كل ذرة كربون لها ثلاث روابط تساهمية (بدلاً من أربعة، كما هو الحال في الماس) مع ثلاثة جيران، والرابطة الرابعة (3.4). Å) طويلة جدًا بالنسبة للرابطة التساهمية وتربط طبقات الجرافيت المتوازية ببعضها البعض بشكل ضعيف. إنه الإلكترون الرابع للكربون الذي يحدد التوصيل الحراري والكهربائي للجرافيت - تشكل هذه الرابطة الأطول والأقل قوة الجرافيت الأقل انضغاطًا، وهو ما ينعكس في صلابته الأقل مقارنة بالماس (كثافة الجرافيت 2.26 جم / سم 3، الماس) - 3.51 جم/سم3). وللسبب نفسه، يكون الجرافيت زلقًا عند اللمس ويفصل بسهولة رقائق المادة، ولهذا السبب يتم استخدامه في صناعة مواد التشحيم وقلم الرصاص. يرجع لمعان الرصاص الذي يشبه الرصاص بشكل أساسي إلى وجود الجرافيت.

تتمتع ألياف الكربون بقوة عالية ويمكن استخدامها لصنع خيوط الرايون أو غيرها من الخيوط عالية الكربون.

عند الضغط العالي ودرجة الحرارة وفي وجود عامل محفز مثل الحديد، يمكن أن يتحول الجرافيت إلى الماس. يتم تنفيذ هذه العملية للإنتاج الصناعي للماس الاصطناعي. تنمو بلورات الماس على سطح المحفز. يوجد توازن الجرافيت والماس عند 15000 ضغط جوي و300 كلفن أو 4000 ضغط جوي و1500 كلفن. ويمكن أيضًا الحصول على الماس الاصطناعي من الهيدروكربونات.

تشمل الأشكال غير المتبلورة من الكربون التي لا تشكل بلورات الفحم، الذي يتم الحصول عليه عن طريق تسخين الخشب دون الوصول إلى الهواء، وسخام المصباح والغاز، الذي يتشكل أثناء احتراق الهيدروكربونات في درجة حرارة منخفضة مع نقص الهواء والتكثيف على سطح بارد، والفحم العظمي - و خليط من فوسفات الكالسيوم في عملية تدمير الأنسجة العظمية، وكذلك الفحم (مادة طبيعية بها شوائب) وفحم الكوك، وهي بقايا جافة يتم الحصول عليها من فحم الكوك عن طريق التقطير الجاف للفحم أو بقايا النفط (الفحم البيتوميني) ، أي. التدفئة دون الوصول إلى الهواء. يستخدم فحم الكوك لصهر الحديد الزهر وفي صناعة المعادن الحديدية وغير الحديدية. أثناء فحم الكوك، يتم أيضًا تشكيل المنتجات الغازية - غاز فرن فحم الكوك (H 2، CH 4، CO، وما إلى ذلك) والمنتجات الكيماوية، وهي مواد خام لإنتاج البنزين والدهانات والأسمدة والأدوية والبلاستيك وما إلى ذلك. يظهر في الشكل رسم تخطيطي للجهاز الرئيسي لإنتاج فحم الكوك - فرن فحم الكوك. 3.

أنواع مختلفة من الفحم والسخام لها سطح متطور، وبالتالي يتم استخدامها كمواد ماصة لتنقية الغاز والسوائل، وكذلك كمحفزات. للحصول على أشكال مختلفة من الكربون، يتم استخدام أساليب خاصة للتكنولوجيا الكيميائية. يتم إنتاج الجرافيت الاصطناعي عن طريق تكليس الجمرة الخبيثة أو فحم الكوك بين أقطاب الكربون عند درجة حرارة 2260 درجة مئوية (عملية أتشيسون) ويستخدم في إنتاج مواد التشحيم والأقطاب الكهربائية، وخاصة لإنتاج المعادن كهربائيا.

هيكل ذرة الكربون.

تحتوي نواة نظير الكربون الأكثر استقرارًا، الكتلة 12 (وفرة 98.9%)، على 6 بروتونات و6 نيوترونات (12 نيوكليون)، مرتبة في ثلاث رباعيات، تحتوي كل منها على بروتونين ونيوترونين، على غرار نواة الهيليوم. نظير مستقر آخر للكربون هو 13 درجة مئوية (حوالي 1.1%)، وبكميات ضئيلة يوجد في الطبيعة نظير غير مستقر 14 درجة مئوية مع عمر نصف يبلغ 5730 عامًا، والذي ب- الإشعاع. تشارك النظائر الثلاثة جميعها في دورة الكربون الطبيعية للمادة الحية على شكل ثاني أكسيد الكربون. بعد وفاة الكائن الحي، يتوقف استهلاك الكربون ويمكن تأريخ الأجسام المحتوية على C عن طريق قياس مستوى النشاط الإشعاعي 14 درجة مئوية. ب-14 يتناسب إشعاع ثاني أكسيد الكربون مع الوقت المنقضي منذ الوفاة. في عام 1960، حصل دبليو ليبي على جائزة نوبل لأبحاثه حول الكربون المشع.

في الحالة الأرضية، تشكل 6 إلكترونات من الكربون التكوين الإلكتروني 1 س 2 2س 2 2ص س 1 2السنة التحضيرية 1 2ص ض 0 . أربعة إلكترونات من المستوى الثاني هي التكافؤ، والذي يتوافق مع موضع الكربون في المجموعة IVA من الجدول الدوري ( سم. النظام الدوري للعناصر). نظرًا لأن طاقة كبيرة مطلوبة لإزالة إلكترون من الذرة في الطور الغازي (حوالي 1070 كيلوجول/مول)، فإن الكربون لا يشكل روابط أيونية مع عناصر أخرى، لأن هذا يتطلب إزالة إلكترون لتكوين أيون موجب. نظرًا لأن الكربون له سالبية كهربية تبلغ 2.5، فإنه لا يُظهر تقاربًا إلكترونيًا قويًا، وبالتالي فهو ليس متقبلًا نشطًا للإلكترون. لذلك، فهو ليس عرضة لتكوين جسيم بشحنة سالبة. لكن بعض مركبات الكربون توجد ذات طبيعة أيونية جزئية للرابطة، على سبيل المثال الكربيدات. في المركبات، يظهر الكربون حالة أكسدة تبلغ 4. لكي تشارك أربعة إلكترونات في تكوين الروابط، من الضروري الاقتران 2 س- الإلكترونات وقفز أحد هذه الإلكترونات بمقدار 2 ص ض-مداري؛ في هذه الحالة، يتم تشكيل 4 روابط رباعية السطوح بزاوية 109 درجة بينهما. في المركبات، يتم سحب إلكترونات التكافؤ الخاصة بالكربون جزئيًا فقط، لذلك يشكل الكربون روابط تساهمية قوية بين ذرات C-C المجاورة باستخدام زوج إلكترون مشترك. تبلغ طاقة كسر هذه الرابطة 335 كيلو جول/مول، في حين تبلغ طاقة كسر رابطة Si-Si 210 كيلو جول/مول فقط، لذا فإن سلاسل Si-Si الطويلة غير مستقرة. يتم الحفاظ على الطبيعة التساهمية للرابطة حتى في مركبات الهالوجينات شديدة التفاعل مع الكربون، CF 4 وCCl 4. ذرات الكربون قادرة على التبرع بأكثر من إلكترون واحد من كل ذرة كربون لتكوين رابطة؛ هذه هي الطريقة التي يتم بها تشكيل روابط C=C المزدوجة والثلاثية CєC. تشكل العناصر الأخرى أيضًا روابط بين ذراتها، لكن الكربون وحده هو القادر على تكوين سلاسل طويلة. لذلك، بالنسبة للكربون، تُعرف آلاف المركبات، التي تسمى الهيدروكربونات، حيث يرتبط الكربون بالهيدروجين وذرات الكربون الأخرى لتكوين سلاسل طويلة أو هياكل حلقية. سم. الكيمياء العضوية.

في هذه المركبات، من الممكن استبدال الهيدروجين بذرات أخرى، في أغلب الأحيان بالأكسجين والنيتروجين والهالوجينات لتشكيل مجموعة متنوعة من المركبات العضوية. من بينها مركبات الفلوروكربون مهمة - الهيدروكربونات التي يتم فيها استبدال الهيدروجين بالفلور. هذه المركبات خاملة للغاية، وتستخدم كمادة بلاستيكية ومواد تشحيم (الفلوروكربونات، أي الهيدروكربونات التي يتم فيها استبدال جميع ذرات الهيدروجين بذرات الفلور) وكمبردات منخفضة الحرارة (مركبات الكربون الكلورية فلورية، أو الفريون).

في الثمانينات، اكتشف علماء الفيزياء الأمريكيون مركبات كربون مثيرة للاهتمام للغاية، حيث ترتبط ذرات الكربون في 5 أو 6 أضلاع، لتشكل جزيء C 60 على شكل كرة مجوفة ذات تماثل مثالي لكرة القدم. نظرًا لأن هذا التصميم هو أساس "القبة الجيوديسية" التي اخترعها المهندس المعماري والمهندس الأمريكي بكمنستر فولر، فقد أُطلق على الفئة الجديدة من المركبات اسم "باكمينسترفوليرين" أو "فوليرين" (وأيضًا بشكل أكثر اختصارًا "كرات الطور" أو "كرات بوكي"). الفوليرين - التعديل الثالث للكربون النقي (باستثناء الماس والجرافيت)، والذي يتكون من 60 أو 70 (أو حتى أكثر) ذرة - تم الحصول عليه من خلال عمل إشعاع الليزر على أصغر جزيئات الكربون. تتكون الفوليرينات ذات الأشكال الأكثر تعقيدًا من عدة مئات من ذرات الكربون. قطر جزيء C هو 60 ~ 1 نانومتر. يوجد في وسط هذا الجزيء مساحة كافية لاستيعاب ذرة يورانيوم كبيرة.

الكتلة الذرية القياسية

في عام 1961، اعتمد الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) والفيزياء كتلة نظير الكربون 12 C كوحدة للكتلة الذرية، مما أدى إلى إلغاء مقياس الأكسجين الموجود سابقًا للكتل الذرية. الكتلة الذرية للكربون في هذا النظام هي 12.011، فهو متوسط ​​نظائر الكربون الثلاثة الموجودة طبيعيًا، نظرًا لكثرتها في الطبيعة. سم. الكتلة الذرية.

الخواص الكيميائية للكربون وبعض مركباته.

بعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكربون مذكورة في مقالة العناصر الكيميائية. تعتمد تفاعلية الكربون على تعديله ودرجة حرارته وتشتته. في درجات الحرارة المنخفضة، تكون جميع أشكال الكربون خاملة تمامًا، ولكن عند تسخينها تتأكسد بواسطة الأكسجين الجوي، وتشكل أكاسيد:

يمكن أن ينفجر الكربون المشتت جيدًا في الأكسجين الزائد عند تسخينه أو من شرارة. بالإضافة إلى الأكسدة المباشرة، هناك طرق أكثر حداثة لإنتاج الأكاسيد.

ثاني أكسيد الكربون

يتكون C 3 O 2 من تجفيف حمض المالونيك فوق P 4 O 10:

C 3 O 2 له رائحة كريهة ويتحلل بسهولة ويشكل حمض المالونيك مرة أخرى.

أول أكسيد الكربون (II).يتشكل ثاني أكسيد الكربون أثناء أكسدة أي تعديل للكربون في ظل ظروف نقص الأكسجين. يكون التفاعل طاردًا للحرارة، ويتم تحرير 111.6 كيلوجول/مول. يتفاعل فحم الكوك مع الماء عند درجة حرارة الحرارة البيضاء: C + H 2 O = CO + H 2 ; ويسمى خليط الغاز الناتج "غاز الماء" وهو وقود غازي. يتشكل ثاني أكسيد الكربون أيضًا أثناء الاحتراق غير الكامل للمنتجات البترولية، ويوجد بكميات ملحوظة في عوادم السيارات، ويتم الحصول عليه أثناء التفكك الحراري لحمض الفورميك:

حالة أكسدة الكربون في ثاني أكسيد الكربون هي +2، وبما أن الكربون أكثر استقرارًا في حالة الأكسدة +4، يتأكسد ثاني أكسيد الكربون بسهولة بواسطة الأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون: CO + O 2 → CO 2، وهذا التفاعل طارد للحرارة بدرجة كبيرة (283 كيلوجول) / مول). ويستخدم ثاني أكسيد الكربون في الصناعة في خليط مع الهيدروجين والغازات القابلة للاشتعال كوقود أو كعامل اختزال غازي. عند تسخينه إلى 500 درجة مئوية، يشكل ثاني أكسيد الكربون C وCO 2 إلى حد ملحوظ، ولكن عند 1000 درجة مئوية، يتم إنشاء التوازن عند تركيزات منخفضة من ثاني أكسيد الكربون. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الكلور، مكونًا الفوسجين - COCl 2، وتتم التفاعلات مع الهالوجينات الأخرى بشكل مشابه، بالتفاعل مع كبريتيد كربونيل الكبريت يتم الحصول على COS، مع المعادن (M) CO يشكل كربونات ذات تركيبات مختلفة M(CO) س، وهي مركبات معقدة. يتكون كربونيل الحديد عندما يتفاعل هيموجلوبين الدم مع ثاني أكسيد الكربون، مما يمنع تفاعل الهيموجلوبين مع الأكسجين، لأن كربونيل الحديد مركب أقوى. ونتيجة لذلك، يتم حظر وظيفة الهيموجلوبين كحامل للأكسجين إلى الخلايا، والتي تموت بعد ذلك (وتتأثر خلايا الدماغ في المقام الأول). (ومن هنا اسم آخر لثاني أكسيد الكربون - "أول أكسيد الكربون"). بالفعل 1٪ (حجم) ثاني أكسيد الكربون في الهواء يشكل خطورة على البشر إذا كانوا في مثل هذا الجو لأكثر من 10 دقائق. يوضح الجدول بعض الخواص الفيزيائية لثاني أكسيد الكربون.

ثاني أكسيد الكربون، أو أول أكسيد الكربون (IV)يتكون ثاني أكسيد الكربون من احتراق عنصر الكربون مع الأكسجين الزائد مع انطلاق حرارة (395 كيلوجول/مول). يتشكل ثاني أكسيد الكربون (الاسم التافه هو "ثاني أكسيد الكربون") أيضًا أثناء الأكسدة الكاملة لثاني أكسيد الكربون والمنتجات البترولية والبنزين والزيوت والمركبات العضوية الأخرى. عندما تذوب الكربونات في الماء، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون أيضًا نتيجة للتحلل المائي:

يُستخدم هذا التفاعل غالبًا في الممارسة المعملية لإنتاج ثاني أكسيد الكربون. ويمكن أيضًا الحصول على هذا الغاز عن طريق تكليس بيكربونات المعدن:

أثناء تفاعل الطور الغازي للبخار المسخن مع ثاني أكسيد الكربون:

عند حرق الهيدروكربونات ومشتقاتها من الأكسجين، على سبيل المثال:

وبالمثل، تتأكسد المنتجات الغذائية في الكائن الحي، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة وأنواع أخرى من الطاقة. في هذه الحالة، تحدث الأكسدة في ظروف خفيفة من خلال المراحل المتوسطة، ولكن المنتجات النهائية هي نفسها - CO 2 وH 2 O، كما هو الحال، على سبيل المثال، أثناء تحلل السكريات تحت تأثير الإنزيمات، ولا سيما أثناء تخمير الجلوكوز:

يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد المعادن على نطاق واسع في الصناعة عن طريق التحلل الحراري للكربونات:

يستخدم CaO بكميات كبيرة في تكنولوجيا إنتاج الأسمنت. يزداد الثبات الحراري للكربونات والاستهلاك الحراري لتحللها وفق هذا المخطط في السلسلة CaCO 3 ( أنظر أيضاالوقاية من الحرائق والحماية من الحرائق).

الهيكل الإلكتروني لأكاسيد الكربون.

يمكن وصف البنية الإلكترونية لأي أول أكسيد الكربون من خلال ثلاثة مخططات محتملة متساوية مع ترتيبات مختلفة لأزواج الإلكترونات - ثلاثة أشكال رنانة:

جميع أكاسيد الكربون لها بنية خطية.

حمض الكربونيك.

عندما يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء، يتكون حمض الكربونيك H2CO3. في محلول مشبع من ثاني أكسيد الكربون (0.034 مول/لتر)، تكون بعض الجزيئات فقط H2CO3، ومعظم ثاني أكسيد الكربون يكون في الحالة المائية CO2CHH2O.

كربونات.

وتتكون الكربونات من تفاعل أكاسيد المعادن مع ثاني أكسيد الكربون، على سبيل المثال Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

وباستثناء كربونات الفلزات القلوية، فإن الباقي غير قابل للذوبان عمليا في الماء، وكربونات الكالسيوم قابلة للذوبان جزئيا في حمض الكربونيك أو محلول ثاني أكسيد الكربون في الماء تحت الضغط:

تحدث هذه العمليات في المياه الجوفية التي تتدفق عبر طبقة الحجر الجيري. في ظل ظروف الضغط المنخفض والتبخر، يترسب كربونات الكالسيوم 3 من المياه الجوفية التي تحتوي على الكالسيوم (HCO 3) 2. هكذا تنمو الهوابط والصواعد في الكهوف. ويفسر لون هذه التكوينات الجيولوجية المثيرة للاهتمام بوجود شوائب في المياه من أيونات الحديد والنحاس والمنجنيز والكروم. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع هيدروكسيدات المعادن ومحاليلها لتكوين البيكربونات، على سبيل المثال:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

رباعي كلوريد CCl 4 هو مادة غير قابلة للاشتعال، وتستخدم كمذيب في عمليات التنظيف الجاف، ولكن لا ينصح باستخدامه كمانع للهب، لأنه عند درجات الحرارة المرتفعة يتكون الفوسجين السام (مادة غازية سامة). إن CCl 4 نفسه سام أيضًا، وإذا تم استنشاقه بكميات ملحوظة، يمكن أن يسبب تسمم الكبد. يتكون CCl 4 أيضًا من التفاعل الكيميائي الضوئي بين الميثان CH 4 وCl 2؛ في هذه الحالة، من الممكن تكوين منتجات الكلورة غير الكاملة للميثان - CHCl 3، CH 2 Cl 2 وCH 3 Cl -. تحدث التفاعلات بشكل مشابه مع الهالوجينات الأخرى.

ردود فعل الجرافيت.

الجرافيت كتعديل للكربون، يتميز بوجود مسافات كبيرة بين طبقات الحلقات السداسية، ويدخل في تفاعلات غير عادية، فمثلا تتغلغل المعادن القلوية والهالوجينات وبعض الأملاح (FeCl 3) بين الطبقات لتشكل مركبات مثل KC 8، KC 16 (تسمى الخلالي أو التضمين أو الكلاثرات). تشكل العوامل المؤكسدة القوية مثل KClO 3 في بيئة حمضية (حمض الكبريتيك أو النيتريك) مواد ذات حجم كبير من الشبكة البلورية (تصل إلى 6 Å بين الطبقات)، وهو ما يفسر بإدخال ذرات الأكسجين وتكوين المركبات على سطحها، نتيجة للأكسدة، يتم تشكيل مجموعات الكربوكسيل (–COOH) ) - مركبات مثل الجرافيت المؤكسد أو حمض المليتي (البنزين سداسي الكربوكسيل) C 6 (COOH) 6. في هذه المركبات، يمكن أن تختلف نسبة C:O من 6:1 إلى 6:2.5.

كربيدات.

يشكل الكربون مركبات مختلفة تسمى الكربيدات مع المعادن والبورون والسيليكون. المعادن الأكثر نشاطًا (المجموعات الفرعية IA–IIIA) تشكل كربيدات شبيهة بالملح، على سبيل المثال Na 2 C 2، CaC 2، Mg 4 C 3، Al 4 C 3. في الصناعة يتم الحصول على كربيد الكالسيوم من فحم الكوك والحجر الجيري باستخدام التفاعلات التالية:

الكربيدات غير موصلة للكهرباء، عديمة اللون تقريبًا، وتتحلل لتشكل الهيدروكربونات، على سبيل المثال

CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca(OH) 2

يعمل الأسيتيلين C 2 H 2 الناتج عن التفاعل كمادة أولية في إنتاج العديد من المواد العضوية. هذه العملية مثيرة للاهتمام لأنها تمثل الانتقال من المواد الخام ذات الطبيعة غير العضوية إلى تخليق المركبات العضوية. تسمى الكربيدات التي تشكل الأسيتيلين عند التحلل المائي بأسيتيلينيدات. في كربيدات السيليكون والبورون (SiC وB4C)، تكون الرابطة بين الذرات تساهمية. المعادن الانتقالية (عناصر المجموعة الفرعية B) عند تسخينها بالكربون تشكل أيضًا كربيدات ذات تركيبة متغيرة في الشقوق الموجودة على سطح المعدن؛ الرابطة فيها قريبة من المعدن. تتميز بعض الكربيدات من هذا النوع، على سبيل المثال WC، وW2C، وTiC، وSiC، بالصلابة العالية والحرارية، ولها موصلية كهربائية جيدة. على سبيل المثال، NbC وTaC وHfC هي أكثر المواد مقاومة للحرارة (mp = 4000–4200° C)، وكربيد الدينيوبيوم Nb 2 C موصل فائق عند درجة حرارة 9.18 كلفن، وTiC وW 2 C قريبان في الصلابة من الماس، والصلابة B 4 C (التناظرية الهيكلية للماس) هي 9.5 على مقياس موس ( سم. أرز. 2). تتشكل كربيدات خاملة إذا كان نصف قطر المعدن الانتقالي

مشتقات النيتروجين من الكربون.

تشمل هذه المجموعة اليوريا NH 2 CONH 2 - وهو سماد نيتروجيني يستخدم على شكل محلول. يتم الحصول على اليوريا من NH 3 و CO 2 عن طريق التسخين تحت الضغط:

يحتوي السيانوجين (CN) 2 على العديد من الخصائص المشابهة للهالوجينات، وغالبًا ما يطلق عليه اسم الهالوجين الكاذب. يتم الحصول على السيانيد عن طريق الأكسدة الخفيفة لأيون السيانيد مع الأكسجين أو بيروكسيد الهيدروجين أو أيون النحاس 2+: 2CN – ® (CN) 2 + 2e.

أيون السيانيد، كونه مانحًا للإلكترون، يشكل بسهولة مركبات معقدة مع أيونات فلزات انتقالية. مثل ثاني أكسيد الكربون، يعتبر أيون السيانيد سمًا يربط مركبات الحديد الحيوية في الكائن الحي. أيونات السيانيد المعقدة لها الصيغة العامة -0.5 س، أين X- رقم التنسيق للمعدن (عامل معقد)، يساوي تجريبيا ضعف حالة أكسدة أيون المعدن. ومن أمثلة هذه الأيونات المعقدة (هيكل بعض الأيونات موضح أدناه) أيون تيتراسيانونيكلات (II) 2–، هيكساسيانوفيرات (III) 3–، ديسيان أرجينتات –:

الكربونيل.

أول أكسيد الكربون قادر على التفاعل مباشرة مع العديد من المعادن أو أيونات المعادن، مكونًا مركبات معقدة تسمى الكربونيلات، على سبيل المثال Ni(CO) 4، Fe(CO) 5، Fe 2 (CO) 9، 3، Mo(CO) 6، 2 . الترابط في هذه المركبات يشبه الترابط في مجمعات السيانو الموصوفة أعلاه. Ni(CO)4 مادة متطايرة تستخدم لفصل النيكل عن المعادن الأخرى. غالبًا ما يرتبط تدهور بنية الحديد الزهر والصلب في الهياكل بتكوين الكربونيل. يمكن أن يكون الهيدروجين جزءًا من الكربونيلات، مكونًا هيدريدات الكربونيل، مثل H 2 Fe (CO) 4 وHCo (CO) 4، والتي تظهر خصائص حمضية وتتفاعل مع القلويات:

H 2 Fe(CO) 4 + NaOH → NaHFe(CO) 4 + H 2 O

ومن المعروف أيضا هاليدات الكربونيل، على سبيل المثال Fe(CO)X 2، Fe(CO) 2 X 2، Co(CO)I 2، Pt(CO)Cl 2، حيث X هو أي هالوجين.

الهيدروكربونات.

هناك عدد كبير من مركبات الكربون والهيدروجين معروفة

الكيمياء العضوية هي كيمياء ذرة الكربون. عدد المركبات العضوية أكبر بعشرات المرات من المركبات غير العضوية، وهو أمر لا يمكن تفسيره إلا خصائص ذرة الكربون :

أ) هو فيه منتصف مقياس السالبية الكهربية والفترة الثانية فلا ينفعه أن يتخلى عن إلكتروناته ويقبل إلكترونات الآخرين ويكتسب شحنة موجبة أو سالبة ؛

ب) هيكل خاص من قذيفة الإلكترون - لا توجد أزواج إلكترونات ومدارات حرة (توجد ذرة واحدة فقط ذات بنية مماثلة - الهيدروجين، وهذا على الأرجح هو سبب تكوين الكربون والهيدروجين للعديد من المركبات - الهيدروكربونات).

التركيب الالكتروني لذرة الكربون

ج - 1s 2 2s 2 2p 2 أو 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

في شكل رسومي:

تحتوي ذرة الكربون في الحالة المثارة على الصيغة الإلكترونية التالية:

*C - 1s 2 2s 1 2p 3 أو 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

على شكل خلايا:

شكل المدارات s و p

المدار الذري - منطقة الفضاء التي من المرجح أن يوجد فيها الإلكترون، مع أرقام الكم المقابلة.

إنها "خريطة كفافية" للإلكترون ثلاثية الأبعاد تحدد فيها الدالة الموجية الاحتمال النسبي للعثور على إلكترون عند تلك النقطة المحددة في المدار.

تزداد الأحجام النسبية للمدارات الذرية مع زيادة طاقتها ( عدد الكم الرئيسي- n)، ويتم تحديد شكلها واتجاهها في الفضاء بواسطة أرقام الكم l وm. تتميز الإلكترونات الموجودة في المدارات بعدد كمي مغزلي. لا يمكن أن يحتوي كل مدار على أكثر من إلكترونين مع دوران معاكس.

عند تكوين روابط مع ذرات أخرى، تقوم ذرة الكربون بتحويل غلافها الإلكتروني بحيث تتشكل أقوى الروابط، وبالتالي يتم إطلاق أكبر قدر ممكن من الطاقة، ويكتسب النظام أكبر قدر من الاستقرار.

يتطلب تغيير الغلاف الإلكتروني للذرة طاقة، والتي يتم تعويضها بعد ذلك بتكوين روابط أقوى.

يمكن أن يكون تحويل الغلاف الإلكتروني (التهجين) بشكل أساسي من ثلاثة أنواع، اعتمادًا على عدد الذرات التي تشكل معها ذرة الكربون روابط.

أنواع التهجين:

sp 3 – تشكل الذرة روابط مع 4 ذرات مجاورة (تهجين رباعي السطوح):

الصيغة الإلكترونية لـ sp3 – ذرة الكربون الهجينة:

* С –1s 2 2(sp 3) 4 على شكل خلايا

زاوية الرابطة بين المدارات الهجينة هي ~ 109 درجة.

الصيغة الكيميائية المجسمة لذرة الكربون:

sp 2 – التهجين (حالة التكافؤ)– تشكل الذرة روابط مع ثلاث ذرات مجاورة (التهجين الثلاثي):

الصيغة الإلكترونية لـ sp2 – ذرة الكربون الهجينة:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 على شكل خلايا

زاوية الرابطة بين المدارات الهجينة هي ~ 120 درجة.

الصيغة الكيميائية المجسمة لـ sp2 - ذرة الكربون الهجينة:

sp– التهجين (حالة التكافؤ) - تشكل الذرة روابط مع ذرتين مجاورتين (تهجين خطي):

الصيغة الإلكترونية لذرة الكربون sp – الهجين:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 على شكل خلايا

زاوية الرابطة بين المدارات الهجينة هي ~ 180 درجة.

الصيغة الكيميائية المجسمة:

ويشارك المدار s في جميع أنواع التهجين، لأنه لديها الحد الأدنى من الطاقة.

تسمح إعادة هيكلة السحابة الإلكترونية بتكوين أقوى الروابط الممكنة والحد الأدنى من تفاعل الذرات في الجزيء الناتج. حيث قد لا تكون المدارات الهجينة متطابقة، ولكن زوايا الرابطة قد تكون مختلفة، على سبيل المثال CH 2 Cl 2 وCCl 4

2. الروابط التساهمية في مركبات الكربون

الروابط التساهمية خواصها وطرق وأسباب تكوينها – المنهج المدرسي.

دعني أذكرك فقط:

1. الاتصالات التعليمية يمكن اعتبار العلاقة بين الذرات نتيجة لتداخل مداراتها الذرية، وكلما كانت أكثر فعالية (كلما زاد تكامل التداخل)، كلما كانت الرابطة أقوى.

وفقا للبيانات المحسوبة، فإن كفاءة التداخل النسبي للمدارات الذرية S rel تزداد على النحو التالي:

ولذلك، فإن استخدام المدارات الهجينة، مثل مدارات الكربون sp3، لتكوين روابط مع أربع ذرات هيدروجين يؤدي إلى روابط أقوى.

2. تتشكل الروابط التساهمية في مركبات الكربون بطريقتين:

أ)إذا تداخل مداران ذريان على طول محوريهما الرئيسيين، تسمى الرابطة الناتجة - σ السند.

الهندسة.وهكذا، عندما تتشكل روابط مع ذرات الهيدروجين في الميثان، تتداخل أربع مدارات هجينة sp 3 ~ لذرة الكربون مع مدارات s لأربع ذرات هيدروجين، لتشكل أربع روابط σ قوية متطابقة تقع بزاوية 109°28" لكل منهما أخرى (زاوية رباعي السطوح القياسية) ينشأ أيضًا هيكل رباعي السطوح مماثل ومتماثل تمامًا، على سبيل المثال، أثناء تكوين CCl 4؛ إذا كانت الذرات التي تشكل روابط مع الكربون غير متساوية، على سبيل المثال في حالة CH 2 C1 2، فإن البنية المكانية سوف تكون تختلف إلى حد ما عن المتناظرة تمامًا، على الرغم من أنها تظل في الأساس رباعية السطوح.

σ طول الرابطةبين ذرات الكربون يعتمد على تهجين الذرات ويتناقص أثناء الانتقال من sp3 - تهجين إلى sp. ويفسر ذلك أن مدار s أقرب إلى النواة من مدار p، وبالتالي كلما زادت حصته في المدار الهجين كلما كان أقصر، وبالتالي تكون الرابطة المتكونة أقصر

ب) إذا كانت ذريتين ص - تقوم المدارات المتوازية مع بعضها البعض بتداخل جانبي فوق وتحت المستوى الذي توجد فيه الذرات ثم تسمى الرابطة الناتجة - π (باي) -تواصل

التداخل الجانبيالمدارات الذرية أقل كفاءة من التداخل على طول المحور الرئيسي، لذلك π - الاتصالات أقل قوة من σ - روابط. ويتجلى ذلك، على وجه الخصوص، في حقيقة أن طاقة رابطة الكربون المزدوجة أقل من ضعف طاقة الرابطة الواحدة. وبالتالي، فإن طاقة الرابطة CC في الإيثان هي 347 كيلوجول/مول، في حين أن طاقة الرابطة C = C في الإيثين هي 598 كيلوجول/مول فقط، وليس ~ 700 كيلوجول/مول.

درجة التداخل الجانبي لاثنين من المدارات الذرية 2p ، وبالتالي القوة π -تكون الروابط أعظمية إذا كانت هناك ذرتان كربون وأربع ذرات مرتبطة بهما تقع الذرات بدقة في مستوى واحد، أي إذا كانوا متحد المستوى ، لأنه في هذه الحالة فقط تكون المدارات الذرية 2p متوازية تمامًا مع بعضها البعض وبالتالي فهي قادرة على تحقيق أقصى قدر من التداخل. أي انحراف عن الحالة المستوية بسبب الدوران حولها σ -الرابطة التي تربط ذرتي الكربون ستؤدي إلى انخفاض في درجة التداخل وبالتالي إلى انخفاض القوة π -الرابطة، مما يساعد على الحفاظ على استواء الجزيء.

دورانحول رابطة مزدوجة بين الكربون والكربون غير ممكن.

توزيع π - الإلكترونات الموجودة فوق وتحت مستوى الجزيء تعني الوجود مناطق الشحنة السالبة، جاهز للتفاعل مع أي كواشف تعاني من نقص الإلكترون.

ذرات الأكسجين والنيتروجين وما إلى ذلك لها أيضًا حالات تكافؤ مختلفة (تهجين)، ويمكن أن تكون أزواج الإلكترونات الخاصة بها في مدارات هجينة ومدارات p.