Въглеродът (лат. Carboneum) е химичен елемент от 14-та група от 2-ри период на Менделеевата периодична система (IV група в старата номерация); атомен номер 6, атомна маса 12.011.
Въглеродът е много специален химичен елемент. От химията на въглерода е израснало мощно дърво на органичната химия с нейните най-сложни синтези и огромна гама от изследвани съединения. Появяват се нови клонове на органичната химия. Всички живи същества, които изграждат биосферата, са изградени от въглеродни съединения. И дърветата, които отдавна умряха, преди милиони години, се превърнаха в гориво, съдържащо въглерод - въглища, торф и т.н. Да вземем най-обикновения молив - предмет, познат на всички. Не е ли удивително, че скромният графитен прът е свързан с искрящия диамант, най-твърдото вещество в природата? Диамантът, графитът, карбинът са алотропни модификации на въглерода (виж Алотропия). Структура на графит (1), диамант (2), карабин (3).
Историята на човешкото запознаване с това вещество датира от векове. Името на човека, открил въглерода, е неизвестно и не е известно коя форма на чист въглерод - графит или диамант - е открита първа. Едва в края на 18в. Признато е, че въглеродът е независим химичен елемент.
Съдържанието на въглерод в земната кора е 0,023% от масата. Въглеродът е основният компонент на растителния и животински свят. Всички изкопаеми горива - нефт, газ, торф, шисти - са изградени на въглеродна основа, а въглищата са особено богати на въглерод. По-голямата част от въглерода е концентрирана в минерали - варовик CaCO 3 и доломит CaMg(CO 3) 2, които са соли на алкалоземни метали и слаба въглена киселина H 2 CO 3.
Сред жизненоважните елементи въглеродът е един от най-важните: животът на нашата планета е изграден на въглеродна основа. защо Отговорът на този въпрос се намира в „Основи на химията” от Д. И. Менделеев: „Въглеродът се среща в природата както в свободно, така и в свързано състояние, в много различни форми и видове... Способността на въглеродните атоми да се свързват с всеки. други и дават сложни частици се проявява във всички въглеродни съединения... При нито един от елементите... способността за сложност не е развита до такава степен, както при въглерода... Никоя двойка елементи не дава толкова много съединения като въглерода и водорода .”
В действителност въглеродните атоми могат да се комбинират по различни начини един с друг и с атоми на много други елементи, образувайки огромно разнообразие от вещества. Техните химични връзки могат да се образуват и разрушават под въздействието на природни фактори. Така възниква въглеродният цикъл в природата: от атмосферата - в растенията, от растенията - в животинските организми, от тях - в неживата природа и т.н. Където има въглерод, има разнообразие от вещества, където има въглерод, има най-разнообразни структури в молекулярната архитектура (виж . Въглеводороди).
Натрупването на въглерод в земната кора е свързано с натрупването на много други елементи, утаени под формата на неразтворими карбонати и др. CO 2 и въглеродната киселина играят важна геохимична роля в земната кора. По време на вулканизма се отделят огромни количества CO 2 - в историята на Земята той е бил основният източник на въглерод за биосферата.
Неорганичните въглеродни съединения са много по-малко като количество от органичните. Въглеродът под формата на диамант, графит и въглища се свързва само при нагряване. При високи температури той се свързва с метали и някои неметали, като бор, за да образува карбиди.
От неорганичните въглеродни съединения най-известни са солите на въглеродната киселина, въглеродният диоксид CO 2 (въглероден диоксид) и въглеродният оксид CO. Много по-малко известен е третият оксид, C 3 O 2 - безцветен газ с неприятна, остра миризма.
Атмосферата на Земята съдържа 2,3 10 12 тона CO 2 диоксид, продукт на дишане и горене. Това е основният източник на въглерод за развитието на растенията. Въглеродният окис CO, известен като въглероден окис, се образува при непълно изгаряне на горивото: в изгорелите газове на автомобили и др.
В промишлеността въглеродният оксид CO се използва като редуциращ агент (например при топене на чугун в доменни пещи) и за синтез на органични вещества (например метилов алкохол според реакцията: CO + 2H 2 → CH 3 ( OH).
Най-известните алотропни модификации на елементарен въглерод: диамант- неорганичен полимер с пространствена, обемна структура; графит- полимер с равнинна структура; карабина- линеен полимер на въглерод, съществуващ в две форми, различаващи се по естеството и редуването на химичните връзки; двуизмерна модификация графен; въглеродни нанотръбицилиндрична структура. (виж Алотропия).
Диамант- кристална форма на въглерод, рядък минерал, превъзхождащ по твърдост всички естествени и всички изкуствени материали, с изключение на кристалния борен нитрид. Големите диамантени кристали след шлифоване се превръщат в най-скъпоценните камъни - диамантите.
В края на 17в. Флорентинските учени Аверани и Тарджони се опитаха да слеят няколко малки диаманта в един голям, нагрявайки ги със слънчеви лъчи, използвайки горящо стъкло. Диамантите изчезнаха, горяха във въздуха... Изминаха около сто години, преди френският химик А. Лавоазие през 1772 г. не само да повтори този експеримент, но и да обясни причините за изчезването на диаманта: изгорял кристал от скъпоценен диамант по същия начин като парчета, изгорени в други експерименти с фосфор и въглища. И едва през 1797 г. английският учен С. Тенант доказва идентичността на природата на диаманта и въглищата. Той установи, че обемите въглероден диоксид след изгарянето на равни маси въглища и диамант се оказват еднакви. След това бяха направени много опити за изкуствено получаване на диамант от графит, въглища и въглерод-съдържащи материали при високи температури и налягания. Понякога след тези експерименти се откриват малки кристали, подобни на диамант, но успешни експерименти никога не са били възможни.
Синтезът на диаманти става възможен, след като през 1939 г. съветският физик О. И. Лейпунски изчислява условията, при които графитът може да се превърне в диамант (налягане около 60 000 атм., температура 1600-2000 ° C). През 50-те години. век, почти едновременно в няколко страни, включително СССР, са произведени изкуствени диаманти в индустриални условия. Днес 2000 карата изкуствени диаманти се произвеждат дневно от една домашна промишлена инсталация (1 карат = 0,2 g). Диамантените свредла на сондажни машини, диамантени режещи инструменти, шлифовъчни дискове с диамантени чипове работят надеждно и дълго време. Изкуствените диаманти, както и естествените кристали, намират широко приложение в съвременните технологии.
Друг чисто въглероден полимер се използва още по-широко в практиката - графит. В графитен кристал въглеродните атоми, разположени в една и съща равнина, са здраво свързани в правилни шестоъгълници. Шестоъгълници с общи лица образуват пакетни равнини. Връзките между въглеродните атоми от различни групи са слаби. Освен това разстоянието между въглеродните атоми от различни равнини е почти 2,5 пъти по-голямо, отколкото между съседните атоми от същата равнина. Следователно лека сила е достатъчна, за да раздели графитния кристал на отделни люспи. Ето защо графитният писец на молива оставя следа върху хартията. Несравнимо по-трудно е да се разруши връзката между въглеродните атоми, разположени в една и съща равнина. Силата на тези връзки е причината за високата химическа устойчивост на графита. Дори горещите алкали и киселини не го влияят, с изключение на концентрираната азотна киселина.
В допълнение към високата химическа устойчивост, графитът се характеризира и с висока топлоустойчивост: произведените от него продукти могат да се използват при температури до 3700 °C. Способността за провеждане на електрически ток е определила много области на приложение на графита. Той е необходим в електротехниката, металургията, производството на барут и ядрените технологии. Графитът с най-висока чистота се използва при изграждането на реактори като ефективен модератор на неутрони.
Линеен въглероден полимер - карабинадосега е използван в практиката ограничено. В молекулата на карбина въглеродните атоми са свързани във вериги последователно чрез тройни и единични връзки:
−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−
Това вещество е получено за първи път от съветските химици В.В.Сладков, В.И.Кудрявцев. в Института по елементоорганични съединения на Академията на науките на СССР. Карбинът има полупроводникови свойства и неговата проводимост се увеличава значително, когато е изложен на светлина. Първото практическо приложение се основава на това свойство – във фотоклетките.
В молекулата на друга форма на карбин - поликумулен (β-карбин), също получен за първи път у нас, въглеродните атоми са свързани по различен начин, отколкото в карбина - само чрез двойни връзки:
═C═C═C═C═C═C═C═C═C═
Броят на органичните съединения, известни на науката - химията на въглеродните съединения - надхвърля 7 милиона - естествени и синтетични - също е предимно химия на въглеродните съединения. Органичните въглеродни съединения се изучават от такива независими науки като органичната химия, биохимията и химията на природните съединения.
Значението на въглеродните съединения в човешкия живот е неоценимо - фиксираният въглерод ни заобикаля навсякъде: в атмосферата и литосферата, в растенията и животните, в нашите дрехи и храна.
Общинска образователна институция "Никифоровская средно училище № 1"
Въглерод и неговите основни неорганични съединения
Резюме
Изпълнил: ученик от 9Б клас
Александър Сидоров
Учител: Сахарова Л.Н.
Дмитриевка 2009 г
Въведение
Глава I. Всичко за въглерода
1.1. Въглерод в природата
1.2. Алотропни модификации на въглерода
1.3. Химични свойства на въглерода
1.4. Приложение на карбон
Глава II. Неорганични въглеродни съединения
Заключение
Литература
Въведение
Въглерод (лат. Carboneum) C е химичен елемент от IV група на периодичната система на Менделеев: атомен номер 6, атомна маса 12.011(1). Нека разгледаме структурата на въглеродния атом. Външното енергийно ниво на въглеродния атом съдържа четири електрона. Нека го изобразим графично:
Въглеродът е известен от древни времена и името на откривателя на този елемент е неизвестно.
В края на 17в. Флорентинските учени Аверани и Тарджиони се опитали да слеят няколко малки диаманта в един голям и ги нагрели с горяща чаша, използвайки слънчева светлина. Диамантите изчезнаха, горящи във въздуха. През 1772 г. френският химик А. Лавоазие показа, че при изгаряне на диамантите се образува CO 2 . Едва през 1797 г. английският учен С. Тенант доказва идентичността на природата на графита и въглищата. След изгаряне на равни количества въглища и диамант, обемите въглероден окис (IV) се оказват еднакви.
Разнообразието от въглеродни съединения, което се обяснява със способността на неговите атоми да се комбинират помежду си и с атомите на други елементи по различни начини, определя специалното място на въглерода сред другите елементи.
Глава аз . Всичко за въглерода
1.1. Въглерод в природата
Въглеродът се среща в природата както в свободно състояние, така и под формата на съединения.
Свободният въглерод се среща под формата на диамант, графит и карбин.
Диамантите са много редки. Най-големият известен диамант, Кулинан, е открит през 1905 г. в Южна Африка, с тегло 621,2 g и размери 10x6,5x5 cm. В Диамантения фонд в Москва се съхранява един от най-големите и красиви диаманти в света - „Орлов” (37,92 g). .
Диамантът получи името си от гръцки. "адамас" - непобедим, неразрушим. Най-значимите находища на диаманти се намират в Южна Африка, Бразилия и Якутия.
Големи находища на графит се намират в Германия, Шри Ланка, Сибир и Алтай.
Основните въглеродсъдържащи минерали са: магнезит MgCO 3, калцит (варов шпат, варовик, мрамор, креда) CaCO 3, доломит CaMg(CO 3) 2 и др.
Всички изкопаеми горива - нефт, газ, торф, въглища и кафяви въглища, шисти - са изградени на въглеродна основа. Някои изкопаеми въглища, съдържащи до 99% C, са близки по състав до въглерода.
Въглеродът представлява 0,1% от земната кора.
Под формата на въглероден оксид (IV) CO 2 въглеродът навлиза в атмосферата. Голямо количество CO 2 е разтворено в хидросферата.
1.2. Алотропни модификации на въглерода
Елементарният въглерод образува три алотропни модификации: диамант, графит, карбин.
1. Диамантът е безцветно, прозрачно кристално вещество, което пречупва изключително силно светлинните лъчи. Въглеродните атоми в диаманта са в състояние на sp3 хибридизация. Във възбудено състояние валентните електрони във въглеродните атоми се сдвояват и се образуват четири несдвоени електрона. Когато се образуват химични връзки, електронните облаци придобиват същата продълговата форма и са разположени в пространството така, че осите им да са насочени към върховете на тетраедъра. Когато върховете на тези облаци се припокриват с облаци от други въглеродни атоми, възникват ковалентни връзки под ъгъл от 109°28" и се образува атомна кристална решетка, характерна за диаманта.
Всеки въглероден атом в диаманта е заобиколен от четири други, разположени от него в посоки от центъра на тетраедрите към върховете. Разстоянието между атомите в тетраедрите е 0,154 nm. Силата на всички връзки е еднаква. Така атомите в диаманта са „опаковани“ много плътно. При 20°C плътността на диаманта е 3,515 g/cm 3 . Това обяснява неговата изключителна твърдост. Диамантът е лош проводник на електричество.
През 1961 г. Съветският съюз започва промишлено производство на синтетични диаманти от графит.
При индустриалния синтез на диаманти се използват налягания от хиляди MPa и температури от 1500 до 3000°C. Процесът се извършва в присъствието на катализатори, които могат да бъдат някои метали, например Ni. По-голямата част от образуваните диаманти са малки кристали и диамантен прах.
При нагряване без достъп на въздух над 1000°C диамантът се превръща в графит. При 1750°C трансформацията на диаманта в графит става бързо.
Диамантена структура
2. Графитът е сиво-черно кристално вещество с метален блясък, мазно на пипане и отстъпва по твърдост дори на хартията.
Въглеродните атоми в графитните кристали са в състояние на sp 2 хибридизация: всеки от тях образува три ковалентни σ връзки със съседни атоми. Ъглите между посоките на свързване са 120°. Резултатът е решетка, съставена от правилни шестоъгълници. Разстоянието между съседните ядра на въглеродните атоми вътре в слоя е 0,142 nm. Четвъртият електрон във външния слой на всеки въглероден атом в графита заема p орбитала, която не участва в хибридизацията.
Нехибридните електронни облаци от въглеродни атоми са ориентирани перпендикулярно на равнината на слоя и, припокривайки се един с друг, образуват делокализирани σ връзки. Съседните слоеве в графитен кристал са разположени на разстояние 0,335 nm един от друг и са слабо свързани помежду си, главно чрез силите на Ван дер Ваалс. Следователно графитът има ниска механична якост и лесно се разпада на люспи, които сами по себе си са много здрави. Връзката между слоевете въглеродни атоми в графита е частично метална по природа. Това обяснява факта, че графитът провежда добре електричество, но не толкова добре, колкото металите.
Графитна структура
Физичните свойства на графита варират значително в посоки - перпендикулярни и успоредни на слоевете от въглеродни атоми.
При нагряване без достъп на въздух графитът не претърпява никакви промени до 3700°C. При определената температура сублимира, без да се топи.
Изкуственият графит се произвежда от най-добрите сортове въглища при 3000°C в електрически пещи без достъп на въздух.
Графитът е термодинамично стабилен в широк диапазон от температури и налягания, така че се приема като стандартно състояние на въглерода. Плътността на графита е 2,265 g/cm3.
3. Carbin е фин кристален черен прах. В своята кристална структура въглеродните атоми са свързани чрез редуващи се единични и тройни връзки в линейни вериги:
−С≡С−С≡С−С≡С−
Това вещество е получено за първи път от V.V. Коршак, А.М. Сладков, В.И. Касаточкин, Ю.П. Кудрявцев в началото на 60-те години на ХХ век.
Впоследствие беше показано, че карбинът може да съществува в различни форми и съдържа както полиацетиленови, така и поликумуленови вериги, в които въглеродните атоми са свързани чрез двойни връзки:
C=C=C=C=C=C=
По-късно карбинът е открит в природата – в метеоритната материя.
Карбинът има полупроводникови свойства, когато е изложен на светлина, неговата проводимост се увеличава значително. Поради съществуването на различни видове връзки и различни начини за полагане на вериги от въглеродни атоми в кристалната решетка, физичните свойства на карбина могат да варират в широки граници. При нагряване без достъп на въздух над 2000°C карабинът е стабилен, при температури около 2300°C се наблюдава преминаването му в графит.
Естественият въглерод се състои от два изотопа (98,892%) и (1,108%). Освен това в атмосферата са открити незначителни примеси на радиоактивен изотоп, който се произвежда изкуствено.
Преди това се смяташе, че въгленът, саждите и коксът са подобни по състав на чистия въглерод и се различават по свойства от диаманта и графита, представляващи независима алотропна модификация на въглерода („аморфен въглерод“). Установено е обаче, че тези вещества се състоят от малки кристални частици, в които въглеродните атоми са свързани по същия начин, както в графита.
4. Въглища – фино смлян графит. Образува се при термично разлагане на въглеродсъдържащи съединения без достъп на въздух. Въглищата се различават значително по свойства в зависимост от веществото, от което са получени, и метода на производство. Те винаги съдържат примеси, които влияят на свойствата им. Най-важните видове въглища са кокс, дървени въглища и сажди.
Коксът се получава чрез нагряване на въглища без достъп на въздух.
Въглищата се образуват при нагряване на дърва без достъп на въздух.
Саждите са много фин графитен кристален прах. Образува се при изгаряне на въглеводороди (природен газ, ацетилен, терпентин и др.) при ограничен достъп на въздух.
Активните въглени са порести промишлени адсорбенти, състоящи се основно от въглерод. Адсорбцията е абсорбцията на газове и разтворени вещества от повърхността на твърдите тела. Активният въглен се получава от твърдо гориво (торф, кафяви и черни въглища, антрацит), дървесина и продукти от нея (въглища, стърготини, хартиени отпадъци), отпадъци от кожарската промишленост и животински материали, като кости. Въглищата, характеризиращи се с висока механична якост, се произвеждат от черупките на кокосови орехи и други ядки и от плодови семена. Структурата на въглищата е представена от пори с всякакъв размер, но адсорбционният капацитет и скоростта на адсорбция се определят от съдържанието на микропори на единица маса или обем на гранулите. При производството на активен въглен изходният материал първо се подлага на топлинна обработка без достъп на въздух, в резултат на което се отстранява влагата и частично смоли от него. В този случай се образува голяма пореста структура от въглища. За да се получи микропореста структура, активирането се извършва или чрез окисление с газ или пара, или чрез обработка с химически реагенти.
1.3. Химични свойства на въглерода
При обикновени температури диамантът, графитът и въглищата са химически инертни, но при високи температури тяхната активност се увеличава. Както следва от структурата на основните форми на въглерода, въглищата реагират по-лесно от графита и особено от диаманта. Графитът е не само по-реактивен от диаманта, но когато реагира с определени вещества, може да образува продукти, които диамантът не образува.
1. Като окислител въглеродът реагира с определени метали при високи температури, за да образува карбиди:
ZS + 4Al = Al 4 C 3 (алуминиев карбид).
2. С водорода въглищата и графитът образуват въглеводороди. Най-простият представител - метан CH 4 - може да се получи в присъствието на Ni катализатор при висока температура (600-1000 ° C):
C + 2H 2 CH 4.
3. При взаимодействие с кислород въглеродът проявява редуциращи свойства. При пълно изгаряне на въглерод от всякаква алотропна модификация се образува въглероден оксид (IV):
C + O 2 = CO 2.
При непълно изгаряне се образува въглероден оксид (II) CO:
C + O 2 = 2CO.
И двете реакции са екзотермични.
4. Редукционните свойства на въглищата са особено изразени при взаимодействие с метални оксиди (цинк, мед, олово и др.), Например:
C + 2CuO = CO 2 + 2Cu,
C + 2ZnO = CO 2 + 2Zn.
Най-важният процес на металургията, топенето на метали от руди, се основава на тези реакции.
В други случаи, например при взаимодействие с калциев оксид, се образуват карбиди:
CaO + 3S = CaC 2 + CO.
5. Въглищата се окисляват с гореща концентрирана сярна и азотна киселина:
C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O,
3S + 4HNO 3 = 3SO 2 + 4NO + 2H 2 O.
Всяка форма на въглерод е устойчива на основи!
1.4. Приложение на карбон
Диамантите се използват за обработка на различни твърди материали, за рязане, шлайфане, пробиване и гравиране на стъкло, както и за пробиване на скали. Диамантите, след като бъдат полирани и шлифовани, се трансформират в диаманти, използвани като бижута.
Графитът е най-ценният материал за съвременната индустрия. Графитът се използва за направата на леярски форми, тигли за топене и други огнеупорни продукти. Поради високата си химическа устойчивост, графитът се използва за производството на тръби и апарати, облицовани отвътре с графитни плочи. Значителни количества графит се използват в електрическата промишленост, например при производството на електроди. Графитът се използва за направата на моливи и някои бои, както и като лубрикант. Много чист графит се използва в ядрени реактори за умерени неутрони.
Линеен въглероден полимер, карбин, привлича вниманието на учените като обещаващ материал за производството на полупроводници, които могат да работят при високи температури и свръхздрави влакна.
Дървените въглища се използват в металургичната промишленост и в ковачеството.
Коксът се използва като редуциращ агент при топенето на метали от руди.
Саждите се използват като гумен пълнител за увеличаване на здравината, поради което автомобилните гуми са черни. Саждите се използват и като компонент на печатарски мастила, мастило и боя за обувки.
Активният въглен се използва за пречистване, извличане и разделяне на различни вещества. Активният въглен се използва като пълнител в противогази и като сорбент в медицината.
Глава II . Неорганични въглеродни съединения
Въглеродът образува два оксида - въглероден оксид (II) CO и въглероден оксид (IV) CO 2.
Въглеродният окис (II) CO е безцветен газ без мирис, слабо разтворим във вода. Нарича се въглероден окис, защото е много отровен. Попадайки в кръвта по време на дишане, той бързо се свързва с хемоглобина, образувайки силно съединение карбоксихемоглобин, като по този начин лишава хемоглобина от способността да пренася кислород.
Ако се вдиша въздух, съдържащ 0,1% CO, човек може внезапно да загуби съзнание и да умре. Въглеродният окис се образува при непълно изгаряне на горивото, поради което преждевременното затваряне на комините е толкова опасно.
Въглеродният оксид (II), както вече знаете, се класифицира като несолеобразуващ оксид, тъй като, тъй като е неметален оксид, той трябва да реагира с основи и основни оксиди, за да образува сол и вода, но това не се наблюдава .
2CO + O 2 = 2CO 2.
Въглеродният (II) оксид е способен да отстранява кислорода от металните оксиди, т.е. Редуцирайте металите от техните оксиди.
Fe 2 O 3 + ZSO = 2Fe + ZSO 2.
Именно това свойство на въглеродния (II) оксид се използва в металургията при топене на чугун.
Въглеродният оксид (IV) CO 2 - известен като въглероден диоксид - е безцветен газ без мирис. Той е приблизително един и половина пъти по-тежък от въздуха. При нормални условия 1 обем въглероден диоксид се разтваря в 1 обем вода.
При налягане от приблизително 60 atm въглеродният диоксид се превръща в безцветна течност. Когато течният въглероден диоксид се изпари, част от него се превръща в твърда снежна маса, която се пресова в промишлеността - това е "сухият лед", който знаете, който се използва за съхранение на храна. Вече знаете, че твърдият въглероден диоксид има молекулярна решетка и е способен на сублимация.
Въглеродният диоксид CO 2 е типичен киселинен оксид: той взаимодейства с алкали (например причинява помътняване на варовита вода), с основни оксиди и вода.
Не гори и не поддържа горене и затова се използва за гасене на пожари. Въпреки това, магнезият продължава да гори във въглероден диоксид, образувайки оксид и освобождавайки въглерод под формата на сажди.
CO 2 + 2Mg = 2MgO + C.
Въглеродният диоксид се получава чрез взаимодействие на соли на въглеродна киселина - карбонати с разтвори на солна, азотна и дори оцетна киселина. В лабораторията въглеродният диоксид се получава чрез действието на солна киселина върху креда или мрамор.
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H20 + C02.
В промишлеността въглеродният диоксид се произвежда чрез изгаряне на варовик:
CaCO 3 = CaO + C0 2.
В допълнение към вече споменатото приложение, въглеродният диоксид се използва и за приготвяне на газирани напитки и за производство на сода.
Когато въглеродният оксид (IV) се разтваря във вода, се образува въглеродна киселина H 2 CO 3, която е много нестабилна и лесно се разлага на първоначалните си компоненти - въглероден диоксид и вода.
Като двуосновна киселина въглеродната киселина образува две серии соли: средни - карбонати, например CaCO 3, и кисели - хидрокарбонати, например Ca (HCO 3) 2. От карбонатите само калиеви, натриеви и амониеви соли са разтворими във вода. Киселинните соли обикновено са разтворими във вода.
Когато има излишък от въглероден диоксид в присъствието на вода, карбонатите могат да се превърнат в бикарбонати. Така че, ако въглеродният диоксид премине през варовита вода, той първо ще стане мътен поради утаяването на неразтворим във вода калциев карбонат, но с по-нататъшно преминаване на въглероден диоксид, мътността изчезва в резултат на образуването на разтворим калциев бикарбонат:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2.
Именно наличието на тази сол обяснява временната твърдост на водата. Защо временно? Тъй като при нагряване разтворимият калциев бикарбонат се превръща обратно в неразтворим карбонат:
Ca(HCO 3) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 0 + C0 2.
Тази реакция води до образуване на котлен камък по стените на котлите, тръбите за парно отопление и домашните чайници, а в природата в резултат на тази реакция в пещери се образуват причудливи сталактити, висящи надолу, към които отдолу растат сталагмити.
Други калциеви и магнезиеви соли, по-специално хлориди и сулфати, придават на водата постоянна твърдост. Варенето не може да премахне постоянната твърдост на водата. Трябва да използвате друг карбонат - сода.
Na 2 CO 3, който превръща тези Ca 2+ йони в утайка, например:
CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaCl.
Сода бикарбонат може да се използва и за премахване на временната твърдост на водата.
Карбонатите и бикарбонатите могат да бъдат открити с помощта на киселинни разтвори: при излагане на киселини се наблюдава характерно „кипене“ поради отделянето на въглероден диоксид.
Тази реакция е качествена реакция към соли на въглена киселина.
Заключение
Целият живот на земята се основава на въглерод. Всяка молекула на живия организъм е изградена на базата на въглероден скелет. Въглеродните атоми постоянно мигрират от една част на биосферата (тясната обвивка на Земята, където съществува живот) в друга. Използвайки примера на въглеродния цикъл в природата, можем да проследим динамиката на живота на нашата планета.
Основните запаси от въглерод на Земята са под формата на въглероден диоксид, съдържащ се в атмосферата и разтворен в Световния океан, тоест въглероден диоксид (CO 2 ). Нека първо разгледаме молекулите на въглеродния диоксид в атмосферата. Растенията абсорбират тези молекули, след което чрез процеса на фотосинтеза въглеродният атом се превръща в различни органични съединения и по този начин се включва в структурата на растението. Има няколко опции по-долу:
1. Въглеродът може да остане в растенията, докато растенията умрат. След това техните молекули ще отидат в храна за декомпозитори (организми, които се хранят с мъртва органична материя и в същото време я разрушават до прости неорганични съединения), като гъбички и термити. В крайна сметка въглеродът ще се върне в атмосферата като CO2;
2. Растенията могат да се ядат от тревопасни. В този случай въглеродът или ще се върне в атмосферата (в процеса на дишане на животните и по време на тяхното разлагане след смъртта), или тревопасните животни ще бъдат изядени от месоядни (в който случай въглеродът отново ще се върне в атмосферата в същите начини);
3. растенията могат да умрат и да попаднат под земята. Тогава те в крайна сметка ще се превърнат в изкопаеми горива като въглища.
В случай на разтваряне на оригиналната молекула CO 2 в морска вода също са възможни няколко варианта:
Въглеродният диоксид може просто да се върне в атмосферата (този тип взаимен обмен на газ между Световния океан и атмосферата се случва постоянно);
Въглеродът може да влезе в тъканите на морските растения или животни. След това постепенно ще се натрупа под формата на утайки на дъното на световния океан и накрая ще се превърне във варовик или от утайки отново ще премине в морска вода.
Ако въглеродът е включен в утайки или изкопаеми горива, той се отстранява от атмосферата. По време на съществуването на Земята, отстраненият по този начин въглерод е бил заменен от въглероден диоксид, отделян в атмосферата по време на вулканични изригвания и други геотермални процеси. В съвременните условия тези природни фактори се допълват и от емисиите от изгарянето на изкопаеми горива от човека. Поради влиянието на CO 2 върху парниковия ефект, изследването на въглеродния цикъл се превърна във важна задача за учените, участващи в изследването на атмосферата.
Част от това търсене е да се определи количеството CO 2 в растителната тъкан (например в новозасадена гора) - учените наричат това въглероден поглътител. Докато правителствата се опитват да постигнат международно споразумение за ограничаване на емисиите на CO 2 , въпросът за балансирането на въглеродните поглътители и емисиите в отделните страни се превърна в основна ябълка на раздора за индустриализираните страни. Учените обаче се съмняват, че натрупването на въглероден диоксид в атмосферата може да бъде спряно само чрез засаждане на гори.
Въглеродът постоянно циркулира в земната биосфера по затворени взаимосвързани пътища. В момента последиците от изгарянето на изкопаеми горива се добавят към естествените процеси.
Литература:
1. Ахметов Н.С. Химия 9 клас: учебник. за общо образование учебник заведения. – 2-ро изд. – М.: Образование, 1999. – 175 с.: ил.
2. Габриелян О.С. Химия 9 клас: учебник. за общо образование учебник заведения. – 4-то изд. – М.: Дропла, 2001. – 224 с.: ил.
3. Габриелян О.С. Химия 8-9 клас: метод. надбавка. – 4-то изд. – М.: Дропла, 2001. – 128 с.
4. Ерошин Д.П., Шишкин Е.А. Методи за решаване на задачи по химия: учебник. надбавка. – М.: Образование, 1989. – 176 с.: ил.
5. Кременчугская М. Химия: Наръчник за ученик. – М.: Филол. Общество "WORD": LLC "AST Publishing House", 2001. - 478 с.
6. Крицман В.А. Христоматия по неорганична химия. – М.: Образование, 1986. – 273 с.
В тази книга думата „въглерод“ се среща доста често: в истории за зелени листа и желязо, за пластмаси и кристали и в много други. Въглеродът - "раждащият въглен" - е един от най-невероятните химични елементи. Неговата история е история на възникването и развитието на живота на Земята, защото е част от всичко живо на Земята.
Как изглежда въглеродът?
Нека направим няколко експеримента. Да вземем захар и да я загреем без въздух. Първо ще се стопи, ще стане кафяво, а след това ще стане черно и ще се превърне във въглища, освобождавайки вода. Ако сега загреете тези въглища в присъствието на , те ще изгорят без остатък и ще се превърнат в . Следователно захарта се състои от въглища и вода (захарта, между другото, се нарича въглехидрат), а „захарните“ въглища очевидно са чист въглерод, тъй като въглеродният диоксид е съединение на въглерод с кислород. Това означава, че въглеродът е черен, мек прах.
Да вземем сив мек графитен камък, добре познат ви благодарение на моливите. Ако го нагреете в кислород, той също ще изгори без остатък, макар и малко по-бавно от въглищата, а въглеродният диоксид ще остане в устройството, където е изгорял. Това означава ли, че графитът също е чист въглерод? Разбира се, но това не е всичко.
Ако диамант, прозрачен искрящ скъпоценен камък и най-твърдият от всички минерали, се нагрее в кислород в същото устройство, той също ще изгори, превръщайки се във въглероден диоксид. Ако нагреете диамант без достъп до кислород, той ще се превърне в графит и при много високи налягания и температури можете да получите диамант от графит.
И така, въглища, графит и диамант са различни форми на съществуване на един и същ елемент - въглерод.
Още по-удивителна е способността на въглерода да „участва“ в огромен брой различни съединения (затова думата „въглерод“ се появява толкова често в тази книга).
104-те елемента на периодичната таблица образуват повече от четиридесет хиляди изследвани съединения. И вече са известни над милион съединения, чиято основа е въглеродът!
Причината за това разнообразие е, че въглеродните атоми могат да бъдат свързани помежду си и с други атоми чрез силни връзки, образувайки сложни такива под формата на вериги, пръстени и други форми. Никой елемент в таблицата освен въглерода не е способен на това.
Има безкраен брой форми, които могат да бъдат изградени от въглеродни атоми и следователно безкраен брой възможни съединения. Това могат да бъдат много прости вещества, например осветителният газ метан, в молекула на който четири атома са свързани с един въглероден атом, и толкова сложни, че структурата на техните молекули все още не е установена. Такива вещества включват
КАРБОН, C, химичен елемент от IV група на периодичната система, атомно тегло 12.00, атомен номер 6. Доскоро се смяташе, че въглеродът няма изотопи; Едва наскоро беше възможно, като се използват особено чувствителни методи, да се открие съществуването на изотопа C 13. Въглеродът е един от най-важните елементи по отношение на неговото разпространение, броя и разнообразието на неговите съединения, неговото биологично значение (като органоген), широкото техническо използване на самия въглерод и неговите съединения (като суровини и като източник на енергия за промишлени и битови нужди), и накрая, по отношение на ролята му в развитието на химическата наука. Въглеродът в свободно състояние проявява ясно изразен феномен на алотропия, известен от повече от век и половина, но все още не напълно проучен, както поради изключителната трудност да се получи въглерод в химически чиста форма, така и защото повечето от константите на алотропните модификации на въглерода варират значително в зависимост от морфологичните характеристики на тяхната структура, определени от метода и условията на производство.
Въглеродът образува две кристални форми – диамант и графит и е познат и в аморфно състояние под формата на т.нар. аморфни въглища. Индивидуалността на последния беше оспорена в резултат на скорошни изследвания: въглищата бяха идентифицирани с графит, разглеждайки и двете като морфологични разновидности на една и съща форма - „черен въглерод“, а разликата в техните свойства беше обяснена с физическата структура и степента на на дисперсия на веществото. Съвсем наскоро обаче бяха получени факти, потвърждаващи съществуването на въглища като специална алотропна форма (виж по-долу).
Естествени източници и запаси от въглерод. По отношение на разпространението в природата въглеродът се нарежда на 10-то място сред елементите, съставлявайки 0,013% от атмосферата, 0,0025% от хидросферата и около 0,35% от общата маса на земната кора. По-голямата част от въглерода е под формата на кислородни съединения: атмосферният въздух съдържа ~800 милиарда тона въглерод под формата на CO 2 диоксид; във водата на океаните и моретата - до 50 000 милиарда тона въглерод под формата на CO 2, йони на въглеродна киселина и бикарбонати; в скалите - неразтворими карбонати (калций, магнезий и други метали), а делът само на CaCO 3 възлиза на ~ 160·10 6 милиарда тона въглерод. Тези колосални запаси обаче не представляват никаква енергийна стойност; много по-ценни са горимите въглеродни материали - изкопаеми въглища, торф, след това нефт, въглеводородни газове и други природни битуми. Резервът на тези вещества в земната кора също е доста значителен: общата маса на въглерода в изкопаемите въглища достига ~6000 милиарда тона, в нефта ~10 милиарда тона и т.н. В свободно състояние въглеродът е доста рядък (диамант и част на графитното вещество). Изкопаемите въглища съдържат почти или никакъв свободен въглерод: те се състоят от гл. обр. на високомолекулни (полициклични) и много стабилни съединения на въглерод с други елементи (H, O, N, S) все още са много малко проучени. Въглеродните съединения на живата природа (биосферата на земното кълбо), синтезирани в растителни и животински клетки, се отличават с изключително разнообразие от свойства и съставни количества; най-често срещаните вещества в растителния свят - фибри и лигнин - също играят роля като енергийни ресурси. Въглеродът поддържа постоянно разпространение в природата благодарение на непрекъснат цикъл, чийто цикъл се състои от синтеза на сложни органични вещества в растителни и животински клетки и обратното разпадане на тези вещества по време на тяхното окислително разлагане (горене, гниене, дишане), водещо до образуването на CO 2, който отново се използва от растенията за синтез. Общата схема на този цикъл може да бъде представени в следния вид:
Производство на въглерод. Въглеродните съединения от растителен и животински произход са нестабилни при високи температури и при нагряване до поне 150-400°C без достъп на въздух се разлагат, освобождавайки вода и летливи въглеродни съединения и оставяйки твърд нелетлив остатък, богат на въглерод и обикновено наречен въглища. Този пиролитичен процес се нарича овъгляване или суха дестилация и се използва широко в технологиите. Високотемпературната пиролиза на изкопаеми въглища, нефт и торф (при температура 450-1150°C) води до освобождаване на въглерод в графитна форма (кокс, ретортни въглища). Колкото по-висока е температурата на овъгляване на изходните материали, толкова по-близки са получените въглища или кокс до свободния въглерод по състав и до графита по свойства.
Аморфните въглища, образувани при температури под 800°C, не могат. ние го считаме за свободен въглерод, тъй като съдържа значителни количества химически свързани други елементи, гл. обр. водород и кислород. От техническите продукти активният въглен и саждите са най-близки по свойства до аморфния въглен. Най-чистите въглища може да са получен чрез овъгляване на чиста захар или пиперонал, специална обработка на газови сажди и др. Изкуственият графит, получен чрез електротермични средства, е почти чист въглерод по състав. Естественият графит винаги е замърсен с минерални примеси и също така съдържа известно количество свързан водород (Н) и кислород (О); в сравнително чисто състояние може. получени само след редица специални обработки: механично обогатяване, измиване, обработка с окислители и калциниране при високи температури до пълното отстраняване на летливите вещества. Във въглеродната технология никога не се работи с напълно чист въглерод; Това се отнася не само за естествените въглеродни суровини, но и за продуктите от неговото обогатяване, обновяване и термично разлагане (пиролиза). По-долу е въглеродното съдържание на някои въглеродни материали (в%):
Физични свойства на въглерода. Свободният въглерод е почти напълно нетопим, нелетлив и при обикновени температури неразтворим в нито един от известните разтворители. Разтваря се само в някои разтопени метали, особено при температури, близки до точката на кипене на последните: в желязо (до 5%), сребро (до 6%) | рутений (до 4%), кобалт, никел, злато и платина. При липса на кислород въглеродът е най-устойчивият на топлина материал; Течното състояние на чистия въглерод е неизвестно и превръщането му в пара започва едва при температури над 3000°C. Следователно, определянето на свойствата на въглерода е извършено изключително за твърдо агрегатно състояние. От въглеродните модификации диамантът има най-постоянни физични свойства; свойствата на графита в различните му проби (дори най-чистите) варират значително; Свойствата на аморфните въглища са още по-променливи. Най-важните физични константи на различните модификации на въглерода са сравнени в таблицата.
Диамантът е типичен диелектрик, докато графитът и въглеродът имат метална електрическа проводимост. В абсолютна стойност тяхната проводимост варира в много широк диапазон, но за въглищата тя винаги е по-ниска, отколкото за графитите; в графитите проводимостта на реалните метали се приближава. Топлинният капацитет на всички въглеродни модификации при температури >1000°C клони към постоянна стойност от 0,47. При температури под -180°C, топлинният капацитет на диаманта става изчезващо малък и при -27°C на практика става нула.
Химични свойства на въглерода. При нагряване над 1000°C и диамантът, и въглищата постепенно се превръщат в графит, който следователно трябва да се счита за най-стабилната (при високи температури) монотропна форма на въглерода. Трансформацията на аморфни въглища в графит очевидно започва около 800°C и завършва при 1100°C (в тази последна точка въглищата губят своята адсорбционна активност и способността си да се реактивират и тяхната електрическа проводимост се увеличава рязко, оставайки почти постоянна след това). Свободният въглерод се характеризира с инертност при обикновени температури и значителна активност при високи температури. Аморфните въглища са химически най-активни, докато диамантът е най-устойчив. Например флуорът реагира с въглища при температура 15°C, с графит само при 500°C, а с диамант при 700°C. При нагряване на въздух порестите въглища започват да се окисляват под 100°C, графитът при около 650°C, а диамантът над 800°C. При температури от 300°C и повече въглищата се свързват със сярата, за да образуват въглероден дисулфид CS 2. При температури над 1800 ° C въглеродът (въглища) започва да взаимодейства с азота, образувайки (в малки количества) цианоген C 2 N 2. Взаимодействието на въглерод с водород започва при 1200 ° C, а в температурния диапазон 1200-1500 ° C се образува само метан CH 4; над 1500°C - смес от метан, етилен (C 2 H 4) и ацетилен (C 2 H 2); при температури от порядъка на 3000°C се получава почти изключително ацетилен. При температурата на електрическата дъга въглеродът влиза в пряка връзка с метали, силиций и бор, образувайки съответните карбиди. Директни или индиректни начини могат. получени са съединения на въглерода с всички известни елементи, с изключение на газовете от нулевата група. Въглеродът е неметален елемент, който проявява някои признаци на амфотерност. Въглеродният атом има диаметър 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) и съдържа във външната сфера 4 валентни електрона, които еднакво лесно се предават или добавят към 8; следователно нормалната валентност на въглерода, както на кислорода, така и на водорода, е четири. В по-голямата част от своите съединения въглеродът е четиривалентен; Известни са само малък брой съединения на двувалентен въглерод (въглероден окис и неговите ацетали, изонитрили, фулминатна киселина и нейните соли) и тривалентен въглерод (т.нар. „свободен радикал“).
С кислорода въглеродът образува два нормални оксида: кисел въглероден диоксид CO2 и неутрален въглероден оксид CO. Освен това има редица въглеродни субоксидисъдържащи повече от 1 C атом и без техническо значение; От тях най-известният е субоксид със състав C 3 O 2 (газ с точка на кипене +7 ° C и точка на топене -111 ° C). Първият продукт от изгарянето на въглерод и неговите съединения е CO 2, образуван съгласно уравнението:
C+O 2 = CO 2 +97600 кал.
Образуването на CO при непълно изгаряне на горивото е резултат от вторичен процес на редукция; Редуциращият агент в този случай е самият въглерод, който при температури над 450°C реагира с CO 2 съгласно уравнението:
CO 2 +C = 2СО -38800 кал;
тази реакция е обратима; над 950°C превръщането на CO 2 в CO става почти пълно, което се извършва в пещи за генериране на газ. Енергийната редуцираща способност на въглерода при високи температури се използва и при производството на воден газ (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) и в металургичните процеси за получаване на свободен метал от неговия оксид. Алотропните форми на въглерода реагират различно на действието на някои окислители: например, смес от KCIO 3 + HNO 3 изобщо не влияе върху диаманта, аморфните въглища се окисляват напълно до CO 2, докато графитът произвежда ароматни съединения - графитни киселини с емпиричната формула (C 2 OH) x нататък мелитова киселина C6(COOH)6. Съединенията на въглерод с водород - въглеводороди - са изключително многобройни; от тях генетично се получават повечето други органични съединения, които освен въглерод най-често включват Н, О, N, S и халогени.
Изключителното разнообразие от органични съединения, от които са известни до 2 милиона, се дължи на някои особености на въглерода като елемент. 1) Въглеродът се характеризира със силна химическа връзка с повечето други елементи, както метални, така и неметални, поради което образува доста стабилни съединения и с двата. Когато се комбинира с други елементи, въглеродът има много малка склонност да образува йони. Повечето органични съединения са от хомеополярен тип и не се дисоциират при нормални условия; Разкъсването на вътрешномолекулните връзки в тях често изисква изразходване на значително количество енергия. Когато се преценява силата на връзките, трябва обаче да се прави разлика; а) абсолютна сила на връзката, измерена термохимично, и б) способността на връзката да се разкъса под въздействието на различни реагенти; тези две характеристики не винаги съвпадат. 2) Въглеродните атоми се свързват един с друг с изключителна лекота (неполярни), образувайки въглеродни вериги, отворени или затворени. Дължината на такива вериги очевидно не подлежи на никакви ограничения; По този начин са известни доста стабилни молекули с отворени вериги от 64 въглеродни атома. Удължаването и сложността на отворените вериги не оказва влияние върху силата на връзката на техните връзки помежду си или с други елементи. Сред затворените вериги най-лесно се образуват 6- и 5-членни пръстени, въпреки че са известни пръстенни вериги, съдържащи от 3 до 18 въглеродни атома. Способността на въглеродните атоми да се свързват добре обяснява специалните свойства на графита и механизма на процесите на овъгляване; то също така изяснява факта, че въглеродът е непознат под формата на двуатомни С2 молекули, което би се очаквало по аналогия с други леки неметални елементи (в парообразна форма въглеродът се състои от едноатомни молекули). 3) Поради неполярния характер на връзките, много въглеродни съединения имат химическа инертност не само външно (бавна реакция), но и вътрешно (трудност на вътрешномолекулните пренареждания). Наличието на големи „пасивни съпротивления“ значително усложнява спонтанната трансформация на нестабилни форми в стабилни, често намалявайки скоростта на такава трансформация до нула. Резултатът от това е възможността за реализиране на голям брой изомерни форми, които са почти еднакво стабилни при обикновени температури.
Алотропия и атомна структура на въглерода . Рентгеновият анализ направи възможно надеждното установяване на атомната структура на диаманта и графита. Същият метод на изследване хвърли светлина върху въпроса за съществуването на трета алотропна модификация на въглерода, което по същество е въпрос за аморфността или кристалността на въглищата: ако въглищата са аморфно образувание, то не може. не се идентифицира нито с графит, нито с диамант, но трябва да се разглежда като специална форма на въглерода, като индивидуално просто вещество. В диаманта въглеродните атоми са подредени по такъв начин, че всеки атом лежи в центъра на тетраедър, чиито върхове са 4 съседни атома; всеки от последните на свой ред е център на друг подобен тетраедър; разстоянията между съседни атоми са 1,54 Ᾰ (ръбът на елементарен куб от кристалната решетка е 3,55 Ᾰ). Тази структура е най-компактната; съответства на високата твърдост, плътност и химическа инертност на диаманта (равномерно разпределение на валентните сили). Взаимната връзка на въглеродните атоми в диамантената решетка е същата като в молекулите на повечето органични съединения от мастната серия (тетраедричен модел на въглерод). В графитните кристали въглеродните атоми са подредени в плътни слоеве, разположени на разстояние 3,35-3,41 Ᾰ един от друг; посоката на тези слоеве съвпада с равнините на разцепване и равнините на плъзгане при механични деформации. В равнината на всеки слой атомите образуват решетка с шестоъгълни клетки (компании); страната на такъв шестоъгълник е 1,42-1,45 Ᾰ. В съседни слоеве шестоъгълниците не лежат един под друг: тяхното вертикално съвпадение се повтаря само след 2 слоя в третия. Трите връзки на всеки въглероден атом лежат в една и съща равнина, образувайки ъгли от 120°; Четвъртата връзка е насочена последователно в една или друга посока от равнината към атомите на съседните слоеве. Разстоянията между атомите в даден слой са строго постоянни, но разстоянието между отделните слоеве може да бъде променя се от външни влияния: например, когато се пресова под налягане до 5000 atm, тя намалява до 2,9 Ᾰ, а когато графитът набъбва в концентриран HNO 3, се увеличава до 8 Ᾰ. В равнината на един слой въглеродните атоми са свързани хомеополярно (както във въглеводородните вериги), но връзките между атомите на съседните слоеве са по-скоро метални по природа; това е видно от факта, че електрическата проводимост на графитните кристали в посока, перпендикулярна на слоевете, е ~100 пъти по-висока от проводимостта в посока на слоя. това. графитът има свойствата на метал в една посока и свойствата на неметал в другата. Подредбата на въглеродните атоми във всеки слой на графитната решетка е точно същата като в молекулите на сложните ядрени ароматни съединения. Тази конфигурация добре обяснява рязката анизотропия на графита, изключително развитото разцепване, антифрикционните свойства и образуването на ароматни съединения по време на неговото окисляване. Аморфната модификация на черния въглерод очевидно съществува като независима форма (O. Ruff). За него най-вероятна е пенообразна клетъчна структура, лишена от всякаква закономерност; стените на такива клетки са образувани от слоеве активни атомивъглерод дебелина около 3 атома. На практика активното вещество на въглищата обикновено се намира под обвивка от близко разположени неактивни въглеродни атоми, ориентирани графично, и е проникнато от включвания на много малки графитни кристалити. Вероятно няма конкретна точка на трансформация на въглища → графит: между двете модификации има непрекъснат преход, по време на който произволно претъпканата маса от С-атоми на аморфни въглища се трансформира в правилна кристална решетка на графит. Поради тяхното произволно подреждане, въглеродните атоми в аморфните въглища проявяват максимален остатъчен афинитет, който (според идеите на Langmuir за идентичността на адсорбционните сили с валентните сили) съответства на високата адсорбционна и каталитична активност, толкова характерна за въглищата. Въглеродните атоми, ориентирани в кристалната решетка, изразходват целия си афинитет (в диаманта) или по-голямата част (в графита) за взаимно сцепление; Това съответства на намаляване на химичната активност и адсорбционната активност. В диаманта адсорбцията е възможна само на повърхността на единичен кристал, докато в графита остатъчната валентност може да се появи и на двете повърхности на всяка плоска решетка (в „пукнатините“ между слоевете атоми), което се потвърждава от факта, че графитът може да набъбне в течности (HNO 3) и механизмът на неговото окисляване в графитова киселина.
Техническо значение на въглерода. Що се отнася до b. или m. свободен въглерод, получен по време на процесите на овъгляване и коксуване, тогава използването му в технологията се основава както на неговите химични (инертност, редуцираща способност), така и на неговите физични свойства (топлоустойчивост, електропроводимост, адсорбционна способност). Така коксът и дървените въглища, в допълнение към частичното им директно използване като безпламъчно гориво, се използват за производство на газообразно гориво (генераторни газове); в металургията на черни и цветни метали - за редукция на метални оксиди (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); в химическата технология - като редуциращ агент при производството на сулфиди (Na, Ca, Ba) от сулфати, безводни хлоридни соли (Mg, Al), от метални оксиди, в производството на разтворимо стъкло и фосфор - като суровина за производството на калциев карбид, карборунд и други карбиди, въглероден дисулфид и др.; в строителството - като топлоизолационен материал. Ретортните въглища и коксът служат като материали за електроди на електрически пещи, електролитни вани и галванични клетки, за производство на дъгови въглища, реостати, комутационни четки, топилни тигли и др., А също и като дюза в химическо оборудване от тип кула. В допълнение към горните приложения, въгленът се използва за производството на концентриран въглероден оксид, цианидни соли, за циментиране на стомана, широко се използва като адсорбент, като катализатор за някои синтетични реакции и накрая се включва в черен прах и други експлозивни и пиротехнически състави.
Аналитично определяне на въглерод. Въглеродът се определя качествено чрез овъгляване на проба от вещество без достъп до въздух (което не е подходящо за всички вещества) или, което е много по-надеждно, чрез пълното му окисляване, например чрез калциниране в смес с меден оксид и образуването на CO 2 се доказва чрез обикновени реакции. За количествено определяне на въглерода проба от веществото се изгаря в кислородна атмосфера; полученият CO 2 се улавя от алкален разтвор и се определя по тегло или обем, като се използват конвенционални методи за количествен анализ. Този метод е подходящ за определяне на въглерод не само в органични съединения и промишлени въглища, но и в метали.
(първи електрон)
Способността на въглерода да образува полимерни вериги поражда огромен клас въглеродни съединения, наречени органични, които са много по-многобройни от неорганичните и са предмет на органичната химия.
История
В началото на XVII-XVIII век. възниква теорията за флогистона, представена от Йохан Бехер и Георг Щал. Тази теория признава наличието във всяко горимо тяло на специално елементарно вещество - безтегловна течност - флогистон, която се изпарява по време на процеса на горене. Тъй като когато се изгори голямо количество въглища, остава само малко пепел, флогистиката смята, че въглищата са почти чист флогистон. Това обяснява по-специално „флогистичния“ ефект на въглищата - способността му да възстановява метали от „вар“ и руди. По-късните флогистици, Реомюр, Бергман и други, вече са започнали да разбират, че въглищата са елементарно вещество. „Чистите въглища“ обаче са признати за първи път от Антоан Лавоазие, който изучава процеса на изгаряне на въглища и други вещества във въздух и кислород. В книгата „Метод на химическата номенклатура“ (1787) на Гитон дьо Морво, Лавоазие, Бертоле и Фуркроа името „въглерод“ (carbone) се появява вместо френското „чисти въглища“ (charbone pur). Под същото име въглеродът се появява в „Таблицата на простите тела“ в „Елементарния учебник по химия“ на Лавоазие.
Произход на името
В началото на 19 век терминът "въглероден разтвор" понякога се използва в руската химическа литература (Scherer, 1807; Severgin, 1815); От 1824 г. Соловьов въвежда името "въглерод". Въглеродните съединения имат част от името си въглехидрати- от лат. карбо (н. carbōnis) "въглища".
Физични свойства
Въглеродът съществува в различни алотропи с много различни физични свойства. Разнообразието от модификации се дължи на способността на въглерода да образува различни видове химични връзки.
Въглеродни изотопи
Естественият въглерод се състои от два стабилни изотопа - 12 C (98,93%) и 13 C (1,07%) и един радиоактивен изотоп 14 C (β-излъчвател, T ½ = 5730 години), концентриран в атмосферата и горната част на земята кора. Постоянно се образува в долните слоеве на стратосферата в резултат на въздействието на неутрони от космическата радиация върху азотните ядра по реакцията: 14 N (n, p) 14 C, а също така от средата на 50-те години на миналия век, като създаден от човека продукт на атомни електроцентрали и в резултат на тестване на водородни бомби .
Алотропни модификации на въглерода
Кристален въглерод
Аморфен въглерод
- Изкопаеми въглища: антрацит и изкопаеми въглища.
- Въглищен кокс, петролен кокс и др.
На практика, като правило, аморфните форми, изброени по-горе, са химически съединения с високо съдържание на въглерод, а не чистата алотропна форма на въглерода.
Клъстерни форми
Структура
Течният въглерод съществува само при определено външно налягане. Тройни точки: графит - течност - пара Т= 4130 K, r= 10,7 MPa и графит - диамант - течност Т≈ 4000 K, r≈ 11 GPa. Равновесна линия графит - течност на фаза r, Т- диаграмата има положителен наклон, който става отрицателен, когато се приближи до тройната точка графит - диамант - течност, което е свързано с уникалните свойства на въглеродните атоми да създават въглеродни молекули, състоящи се от различен брой атоми (от два до седем) . Наклонът на линията на равновесие диамант-течност, при липсата на директни експерименти в областта на много високи температури (>4000-5000 K) и налягания (>10-20 GPa), се счита за отрицателен в продължение на много години. Директните експерименти, проведени от японски изследователи и обработката на получените експериментални данни, като се вземе предвид аномалния високотемпературен топлинен капацитет на диаманта, показаха, че наклонът на линията на равновесие диамант-течност е положителен, т.е. диамантът е по-тежък от неговата течност (при стопяването ще потъне, а не ще плува като лед във вода) .
Ултрадисперсни диаманти (нанодиаманти)
През 80-те години на миналия век в СССР беше открито, че при условия на динамично натоварване на въглеродсъдържащи материали могат да се образуват диамантени структури, наречени ултрафини диаманти (UDD). В момента терминът „нанодиаманти“ се използва все по-често. Размерът на частиците в такива материали е няколко нанометра. Условията за образуване на UDD могат да се реализират по време на детонацията на експлозиви със значителен отрицателен кислороден баланс, например смеси от TNT с хексоген. Такива условия могат да се реализират и при удари на небесни тела върху повърхността на Земята в присъствието на въглеродсъдържащи материали (органични вещества, торф, въглища и др.). Така в района, където падна Тунгуският метеорит, бяха открити UDA в горската почва.
Карбин
Кристалната модификация на въглерода на хексагоналната система с верижна структура от молекули се нарича карбин. Веригите имат или полиенова структура (−C≡C−), или поликумуленова структура (=C=C=). Известни са няколко форми на карбин, които се различават по броя на атомите в елементарната клетка, размерите на клетката и плътността (2,68-3,30 g/cm³). Карбинът се среща в природата под формата на минерала хаоит (бели вени и включвания в графит) и се получава изкуствено чрез окислителна дехидрополикондензация на ацетилен, действието на лазерно лъчение върху графит, от въглеводороди или CCl 4 в нискотемпературна плазма.
Карбинът е финокристален черен прах (плътност 1,9-2 g/cm³) и има полупроводникови свойства. Получава се при изкуствени условия от дълги вериги от въглеродни атоми, разположени успоредно един на друг.
Карбинът е линеен полимер от въглерод. В молекулата на карбина въглеродните атоми са свързани във вериги последователно чрез тройни и единични връзки (полиенова структура) или постоянно чрез двойни връзки (поликумуленова структура). Това вещество е получено за първи път от съветските химици В.В.Сладков, В.И.Кудрявцев в началото на 1960 г. Карбинът има полупроводникови свойства и неговата проводимост се увеличава значително, когато е изложен на светлина. Първото практическо приложение се основава на това свойство – във фотоклетките.
Фулерени и въглеродни нанотръби
Въглеродът е известен и под формата на клъстерни частици C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 и други подобни (фулерени), както и графени, нанотръби и сложни структури - астралени.
Аморфен въглерод (структура)
Структурата на аморфния въглерод се основава на неподредената структура на монокристален (винаги съдържа примеси) графит. Това са кокс, кафяви и твърди въглища, сажди, сажди, активен въглен.
Графен
Графенът е двуизмерна алотропна модификация на въглерода, образувана от слой от въглеродни атоми с дебелина един атом, свързани чрез sp² връзки в шестоъгълна двуизмерна кристална решетка.
Да бъдеш сред природата
Изчислено е, че Земята като цяло е съставена от 730 ppm въглерод, с 2000 ppm в ядрото и 120 ppm в мантията и кората. Тъй като масата на Земята е 5,972⋅10 24 kg, това предполага наличието на 4360 милиона гигатона въглерод.
Повечето въглеродни съединения и преди всичко въглеводородите имат подчертан характер на ковалентни съединения. Силата на прости, двойни и тройни връзки на С атоми един с друг, способността да се образуват стабилни вериги и цикли от С атоми определят съществуването на огромен брой въглеродсъдържащи съединения, изучавани в органичната химия. В природата се среща минералът шунгит, който съдържа както твърд въглерод (≈25%), така и значителни количества силициев оксид (≈35%). Химични свойстваПри обикновени температури въглеродът е химически инертен; при достатъчно високи температури той се свързва с много елементи и проявява силни редуциращи свойства. Химическата активност на различните форми на въглерода намалява в следния ред: аморфен въглерод, графит, диамант се възпламеняват съответно при температури над 300-501 °C, 600-700 °C и 800-1000 °C. Степента на окисление варира от -4 до +4. Електронен афинитет 1.27 eV; Енергията на йонизация по време на последователния преход от C 0 към C 4+ е съответно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 eV. Неорганични съединенияВъглеродът реагира с много елементи. Съединенията с неметали имат свои имена - метан, тетрафлуорометан. Продуктите на изгаряне на въглерода са CO и CO 2 (съответно въглероден оксид и въглероден диоксид). Известни са и нестабилен въглероден субоксид C 3 O 2 (точка на топене -111 ° C, точка на кипене 7 ° C) и някои други оксиди (например C 12 O 9, C 5 O 2, C 12 O 12). Графитът и аморфният въглерод започват да реагират с водород при температура 1200 °C, с флуор при 900 °C. Графитът с халогени, алкални метали и други вещества образува включени съединения. При преминаване на електрически разряд между въглеродни електроди в азотна атмосфера се образува цианоген. При високи температури взаимодействието на въглерод със смес от H 2 и N 2 произвежда |