Süsinik (lat. Carboneum) on Mendelejevi perioodilisuse süsteemi 2. perioodi 14. rühma keemiline element (vanas numeratsioonis IV rühm); aatomnumber 6, aatommass 12,011.
Süsinik on väga eriline keemiline element. Süsiniku keemiast on välja kasvanud võimas orgaanilise keemia puu kõige keerukamate sünteeside ja tohutu hulga uuritud ühenditega. Tekivad uued orgaanilise keemia harud. Kõik elusolendid, mis moodustavad biosfääri, on üles ehitatud süsinikuühenditest. Ja puud, mis ammu suri, miljoneid aastaid tagasi, muutusid süsinikku sisaldavaks kütuseks - kivisüsi, turvas jne. Võtame kõige tavalisema pliiatsi - kõigile tuttava eseme. Kas pole hämmastav, et tagasihoidlik grafiitvarras on seotud sädeleva teemandiga, mis on looduses kõige kõvem aine? Teemant, grafiit, karbüün on süsiniku allotroopsed modifikatsioonid (vt Allotroopia). Grafiidi (1), teemandi (2), karabiini (3) struktuur.
Inimeste selle ainega tutvumise ajalugu ulatub sajandite taha. Süsiniku avastaja nimi on teadmata ja pole teada, milline puhta süsiniku vorm – grafiit või teemant – avastati esimesena. Alles 18. sajandi lõpus. Arvati, et süsinik on iseseisev keemiline element.
Süsinikusisaldus maakoores on 0,023 massiprotsenti. Süsinik on taimede ja loomade maailma põhikomponent. Kõik fossiilsed kütused – nafta, gaas, turvas, põlevkivi – on ehitatud süsiniku baasil, eriti süsinikurikas on kivisüsi. Suurem osa süsinikust on kontsentreeritud mineraalides - lubjakivis CaCO 3 ja dolomiidis CaMg(CO 3) 2, mis on leelismuldmetallide ja nõrga süsihappe H 2 CO 3 soolad.
Süsinik on elutähtsatest elementidest üks olulisemaid: elu meie planeedil on üles ehitatud süsiniku baasil. Miks? Vastuse sellele küsimusele leiab D.I.Mendelejevi “Keemia alustest”: “Süsinikku leidub looduses nii vabas kui ka ühendavas olekus, väga erinevates vormides ja tüüpides... Süsinikuaatomite võime ühendada iga inimesega muud ja anda kompleksosakesed avaldub kõigis süsinikuühendites... Üheski elemendis... pole keerukusvõime arenenud sellisel määral kui süsinikul... Ükski elemendipaar ei anna nii palju ühendeid kui süsinik ja vesinik .”
Tõepoolest, süsinikuaatomid võivad erinevatel viisidel ühineda üksteisega ja paljude teiste elementide aatomitega, moodustades tohutult erinevaid aineid. Nende keemilised sidemed võivad tekkida ja hävida looduslike tegurite mõjul. Nii tekibki süsinikuringe looduses: atmosfäärist - taimedesse, taimedest - loomorganismidesse, neist - elutusse loodusesse jne Kus on süsinik, seal on mitmesuguseid aineid, kus on süsinik, molekulaararhitektuuris on kõige mitmekesisemad struktuurid (vt . Süsivesinikud).
Süsiniku akumuleerumine maakoores on seotud paljude teiste elementide akumuleerumisega, mis sadestuvad lahustumatute karbonaatide jms kujul. CO 2 ja süsihape mängivad maakoores olulist geokeemilist rolli. Vulkanismi käigus eraldub tohututes kogustes CO 2 – Maa ajaloos oli see biosfääri peamine süsinikuallikas.
Anorgaanilised süsinikuühendid on koguseliselt palju väiksemad kui orgaanilised. Süsinik teemandi, grafiidi ja kivisöe kujul ühineb ainult kuumutamisel. Kõrgel temperatuuril ühineb see metallide ja mõnede mittemetallidega, näiteks booriga, moodustades karbiide.
Anorgaanilistest süsinikuühenditest on tuntumad süsihappesoolad, süsinikdioksiid CO 2 (süsinikdioksiid) ja süsinikmonooksiid CO. Palju vähem tuntud on kolmas oksiid C 3 O 2 – ebameeldiva terava lõhnaga värvitu gaas.
Maa atmosfäär sisaldab 2,3 10 12 tonni CO 2 dioksiidi, hingamis- ja põlemisprodukti. See on taimede arengu peamine süsinikuallikas. Süsinikmonooksiid CO, tuntud kui vingugaas, tekib kütuse mittetäielikul põlemisel: autode heitgaasides jne.
Tööstuses kasutatakse süsinikmonooksiidi CO redutseerijana (näiteks malmi sulatamisel kõrgahjudes) ja orgaaniliste ainete sünteesiks (näiteks metüülalkohol vastavalt reaktsioonile: CO + 2H 2 → CH 3 () OH).
Kõige kuulsamad elementaarse süsiniku allotroopsed modifikatsioonid: teemant- ruumilise, mahulise struktuuriga anorgaaniline polümeer; grafiit- tasapinnalise struktuuriga polümeer; karabiin- kahel kujul esinev lineaarne süsinikpolümeer, mis erinevad keemiliste sidemete olemuse ja vaheldumise poolest; kahemõõtmeline modifikatsioon grafeen; süsinik-nanotorud silindriline struktuur. (vt Allotroopia).
Teemant- süsiniku kristalne vorm, haruldane mineraal, mis on kõvaduse poolest parem kui kõik looduslikud ja kõik tehismaterjalid, välja arvatud kristalne boornitriid. Suured teemantkristallid muutuvad pärast lõikamist kõige kallimateks kivideks - teemantideks.
17. sajandi lõpus. Firenze teadlased Averani ja Tardgioni üritasid mitut väikest teemanti üheks suureks sulatada, kuumutades neid põleva klaasi abil päikesekiirtega. Teemandid kadusid, õhus põledes... Möödus umbes sada aastat, enne kui prantsuse keemik A. Lavoisier 1772. aastal mitte ainult ei kordanud seda katset, vaid selgitas ka teemandi kadumise põhjuseid: põles hinnalise teemandi kristall. samamoodi nagu teistes katsetes põletatud tükid fosfor ja kivisüsi. Ja alles 1797. aastal tõestas inglise teadlane S. Tennant teemandi ja kivisöe olemuse identiteeti. Ta leidis, et süsihappegaasi mahud pärast võrdsete söe ja teemandi masside põletamist osutusid samaks. Pärast seda tehti palju katseid saada teemanti kunstlikult grafiidist, kivisöest ja süsinikku sisaldavatest materjalidest kõrgel temperatuuril ja rõhul. Mõnikord leiti pärast neid katseid väikeseid teemanditaolisi kristalle, kuid edukad katsed polnud kunagi võimalikud.
Teemantide süntees sai võimalikuks pärast seda, kui Nõukogude füüsik O.I.Leypunsky 1939. aastal arvutas välja, millistel tingimustel võib grafiit teemandiks muutuda (rõhk umbes 60 000 atm, temperatuur 1600-2000 °C). 50ndatel. sajandil hakati peaaegu samaaegselt mitmes riigis, sealhulgas NSV Liidus, tööstuslikes tingimustes tehisteemante tootma. Tänapäeval toodetakse ühest kodumaisest tööstusrajatisest päevas 2000 karaati kunstlikke teemante (1 karaat = 0,2 g). Puurplatvormide teemantotsakud, teemantlõikuriistad, teemantlaastudega lihvkettad töötavad usaldusväärselt ja kaua. Kunstlikke teemante, nagu looduslikke kristalle, kasutatakse kaasaegses tehnoloogias laialdaselt.
Praktikas kasutatakse veelgi laiemalt teist puhtalt süsinikpolümeeri - grafiit. Grafiidikristallides on samas tasapinnas asuvad süsinikuaatomid tihedalt seotud korrapärasteks kuusnurkadeks. Ühiste tahkudega kuusnurgad moodustavad pakitasandid. Erinevate virnade süsinikuaatomite vahelised sidemed on nõrgad. Lisaks on erinevate tasandite süsinikuaatomite vaheline kaugus peaaegu 2,5 korda suurem kui sama tasandi naaberaatomite vahel. Seetõttu piisab väikesest jõust, et grafiidikristall üksikuteks helvesteks lõhustada. Seetõttu jätab pliiatsi grafiidist pliiats paberile jälje. Võrreldamatult raskem on hävitada samas tasapinnas olevate süsinikuaatomite vahelist sidet. Nende sidemete tugevus on grafiidi kõrge keemilise vastupidavuse põhjuseks. Isegi kuumad leelised ja happed ei mõjuta seda, välja arvatud kontsentreeritud lämmastikhape.
Lisaks kõrgele keemilisele vastupidavusele iseloomustab grafiiti ka kõrge kuumakindlus: sellest valmistatud tooteid saab kasutada temperatuuril kuni 3700 °C. Elektrivoolu juhtimise võime on määranud paljud grafiidi kasutusvaldkonnad. Seda on vaja elektrotehnikas, metallurgias, püssirohutootmises ja tuumatehnoloogias. Kõrgeima puhtusastmega grafiiti kasutatakse reaktori ehitamisel tõhusa neutronite moderaatorina.
Lineaarne süsinikpolümeer - karabiin siiani on seda praktikas kasutatud piiratud määral. Karbüüni molekulis on süsinikuaatomid ühendatud ahelates vaheldumisi kolmik- ja üksiksidemetega:
−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−
Selle aine said esmakordselt kätte Nõukogude keemikud V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin ja Yu. P. Kudrjavtsev 60ndate alguses. NSVL Teaduste Akadeemia orgaaniliste elementide ühendite instituudis. Carbyne'il on pooljuhtivad omadused ja selle juhtivus suureneb valguse käes oluliselt. Esimene praktiline rakendus põhineb sellel omadusel - fotoelementides.
Teise karbiini vormi - polükumuleeni (β-karbüüni) molekulis, mis samuti esmakordselt saadi meie riigis, on süsinikuaatomid ühendatud erinevalt karbiinist - ainult kaksiksidemetega:
═C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-
Teadusele teadaolevate orgaaniliste ühendite – süsinikuühendite – arv ületab 7 miljonit.Polümeeride – looduslike ja sünteetiliste – keemia on samuti eelkõige süsinikuühendite keemia. Orgaanilisi süsinikuühendeid uurivad sellised sõltumatud teadused nagu orgaaniline keemia, biokeemia ja looduslike ühendite keemia.
Süsinikuühendite tähtsus inimelus on hindamatu – fikseeritud süsinik ümbritseb meid kõikjal: atmosfääris ja litosfääris, taimedes ja loomades, riietes ja toidus.
Munitsipaalharidusasutus "Nikiforovskaja keskkool nr 1"
Süsinik ja selle peamised anorgaanilised ühendid
Essee
Lõpetanud: 9B klassi õpilane
Aleksander Sidorov
Õpetaja: Sakharova L.N.
Dmitrievka 2009
Sissejuhatus
I peatükk. Kõik süsiniku kohta
1.1. Süsinik looduses
1.2. Süsiniku allotroopsed modifikatsioonid
1.3. Süsiniku keemilised omadused
1.4. Süsiniku kasutamine
II peatükk. Anorgaanilised süsinikuühendid
Järeldus
Kirjandus
Sissejuhatus
Süsinik (lat. Carboneum) C on Mendelejevi perioodilise süsteemi IV rühma keemiline element: aatomnumber 6, aatommass 12.011(1). Vaatleme süsinikuaatomi struktuuri. Süsinikuaatomi välimine energiatase sisaldab nelja elektroni. Kujutame seda graafiliselt:
Süsinik on tuntud iidsetest aegadest ja selle elemendi avastaja nimi pole teada.
17. sajandi lõpus. Firenze teadlased Averani ja Tardgioni püüdsid sulatada mitu väikest teemanti üheks suureks ja kuumutasid neid päikesevalguse abil põleva klaasiga. Teemandid kadusid, põledes õhus. 1772. aastal näitas prantsuse keemik A. Lavoisier, et teemantide põlemisel tekib CO 2. Alles 1797. aastal tõestas inglise teadlane S. Tennant grafiidi ja kivisöe olemuse identiteeti. Pärast võrdses koguses söe ja teemandi põletamist osutusid süsinikmonooksiidi (IV) mahud samaks.
Süsinikuühendite mitmekesisus, mida seletatakse selle aatomite võimega kombineerida omavahel ja teiste elementide aatomitega mitmel viisil, määrab süsiniku erilise positsiooni teiste elementide hulgas.
Peatükk I . Kõik süsiniku kohta
1.1. Süsinik looduses
Süsinikku leidub looduses nii vabas olekus kui ka ühenditena.
Vaba süsinik esineb teemandi, grafiidi ja karbiini kujul.
Teemandid on väga haruldased. Suurim teadaolev teemant Cullinan leiti 1905. aastal Lõuna-Aafrikast, kaalus 621,2 g ja mõõtmetega 10x6,5x5 cm. Moskvas asuvas Teemantifondis asub üks maailma suurimaid ja ilusamaid teemante – “Orlov” (37,92 g) .
Teemant sai oma nime kreeka keelest. "adamas" - võitmatu, hävimatu. Kõige olulisemad teemandimaardlad asuvad Lõuna-Aafrikas, Brasiilias ja Jakuutias.
Suured grafiidimaardlad asuvad Saksamaal, Sri Lankal, Siberis ja Altais.
Peamised süsinikku sisaldavad mineraalid on: magnesiit MgCO 3, kaltsiit (lubjakivi, lubjakivi, marmor, kriit) CaCO 3, dolomiit CaMg(CO 3) 2 jne.
Kõik fossiilsed kütused – nafta, gaas, turvas, kivisüsi ja pruunsüsi, põlevkivi – on ehitatud süsiniku baasil. Mõned fossiilsed söed, mis sisaldavad kuni 99% C, on koostiselt süsinikulähedased.
Süsinik moodustab 0,1% maakoorest.
Süsinikmonooksiidi (IV) CO 2 kujul satub süsinik atmosfääri. Hüdrosfääris on lahustunud suur hulk CO 2.
1.2. Süsiniku allotroopsed modifikatsioonid
Elementaarne süsinik moodustab kolm allotroopset modifikatsiooni: teemant, grafiit, karabiin.
1. Teemant on värvitu läbipaistev kristalne aine, mis murrab valguskiiri ülitugevalt. Teemandi süsinikuaatomid on sp 3 hübridisatsiooni olekus. Ergastatud olekus on süsinikuaatomites olevad valentselektronid paaritud ja moodustub neli paaristamata elektroni. Keemiliste sidemete tekkimisel omandavad elektronpilved sama pikliku kuju ja paiknevad ruumis nii, et nende teljed on suunatud tetraeedri tippude poole. Kui nende pilvede tipud kattuvad teiste süsinikuaatomite pilvedega, tekivad kovalentsed sidemed 109°28" nurga all ja moodustub teemandile iseloomulik aatomkristallvõre.
Iga teemandi süsinikuaatomit ümbritseb neli teist, mis asuvad sellest tetraeedrite keskpunktist tippudesse ulatuvates suundades. Aatomite vaheline kaugus tetraeedris on 0,154 nm. Kõigi ühenduste tugevus on sama. Seega on teemandi aatomid "pakitud" väga tihedalt. 20°C juures on teemandi tihedus 3,515 g/cm 3 . See seletab selle erakordset kõvadust. Teemant on halb elektrijuht.
1961. aastal alustas Nõukogude Liit sünteetiliste teemantide tööstuslikku tootmist grafiidist.
Teemantide tööstuslikul sünteesil kasutatakse tuhandete MPa rõhku ja temperatuure 1500–3000 °C. Protsess viiakse läbi katalüsaatorite juuresolekul, milleks võivad olla mõned metallid, näiteks Ni. Põhiosa moodustunud teemantidest on väikesed kristallid ja teemanditolm.
Kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta üle 1000 °C muutub teemant grafiidiks. 1750°C juures toimub teemandi muundumine grafiidiks kiiresti.
Teemant struktuur
2. Grafiit on hallikasmust kristalne aine, millel on metalliline läige, katsudes rasvane ja isegi paberi kõvadus.
Grafiidikristallides olevad süsinikuaatomid on sp 2 hübridisatsiooni olekus: igaüks neist moodustab naaberaatomitega kolm kovalentset σ sidet. Nurgad sidemete suundade vahel on 120°. Tulemuseks on tavalistest kuusnurkadest koosnev võrk. Kihi sees külgnevate süsinikuaatomite tuumade vaheline kaugus on 0,142 nm. Grafiidi iga süsinikuaatomi väliskihi neljas elektron hõivab p-orbitaali, mis ei osale hübridisatsioonis.
Süsinikuaatomite mittehübriidsed elektronipilved on orienteeritud kihi tasapinnaga risti ja üksteisega kattudes moodustavad delokaliseeritud σ sidemeid. Grafiidikristalli külgnevad kihid paiknevad üksteisest 0,335 nm kaugusel ja on omavahel nõrgalt seotud, peamiselt van der Waalsi jõudude toimel. Seetõttu on grafiidil madal mehaaniline tugevus ja see laguneb kergesti helvesteks, mis ise on väga tugevad. Grafiidi süsinikuaatomite kihtide vaheline side on oma olemuselt osaliselt metalliline. See seletab asjaolu, et grafiit juhib elektrit hästi, kuid mitte nii hästi kui metallid.
Grafiidi struktuur
Grafiidi füüsikalised omadused on suundades väga erinevad – risti ja paralleelselt süsinikuaatomite kihtidega.
Ilma õhu juurdepääsuta kuumutamisel ei muutu grafiit temperatuurini 3700 °C. Määratud temperatuuril sublimeerub see sulamata.
Kunstgrafiiti toodetakse parimate kivisöe klassidest 3000°C juures elektriahjudes ilma õhu juurdepääsuta.
Grafiit on termodünaamiliselt stabiilne paljudes temperatuuride ja rõhkude vahemikus, seega peetakse seda süsiniku standardolekuks. Grafiidi tihedus on 2,265 g/cm3.
3. Carbin on peenkristalliline must pulber. Selle kristallstruktuuris on süsinikuaatomid ühendatud lineaarsetes ahelates vahelduvate üksik- ja kolmiksidemetega:
−С≡С−С≡С−С≡С−
Selle aine sai esmakordselt V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudrjavtsev XX sajandi 60ndate alguses.
Seejärel näidati, et karbüün võib eksisteerida erinevates vormides ja sisaldab nii polüatsetüleeni kui ka polükumuleenahelaid, milles süsinikuaatomid on seotud kaksiksidemega:
C=C=C=C=C=C=
Hiljem leiti karbüüni loodusest – meteoriidiainest.
Karbüünil on pooljuhtivad omadused, valgusega kokkupuutel suureneb selle juhtivus oluliselt. Erinevat tüüpi sidemete ja süsinikuaatomite ahelate kristallvõresse paigutamise viiside tõttu võivad karbiini füüsikalised omadused varieeruda suurtes piirides. Kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta üle 2000 °C on karabiin stabiilne; temperatuuril umbes 2300 °C täheldatakse selle üleminekut grafiidiks.
Looduslik süsinik koosneb kahest isotoobist (98,892%) ja (1,108%). Lisaks leiti atmosfäärist vähesel määral kunstlikult toodetud radioaktiivse isotoobi lisandeid.
Varem arvati, et süsi, tahm ja koks on koostiselt sarnased puhta süsinikuga ning erinevad oma omaduste poolest teemandist ja grafiidist, esindades süsiniku sõltumatut allotroopset modifikatsiooni (“amorfne süsinik”). Küll aga leiti, et need ained koosnevad pisikestest kristallilistest osakestest, milles süsinikuaatomid on seotud samamoodi nagu grafiidis.
4. Kivisüsi – peeneks jahvatatud grafiit. See tekib süsinikku sisaldavate ühendite termilisel lagunemisel ilma õhu juurdepääsuta. Söe omadused erinevad oluliselt olenevalt ainest, millest neid saadakse, ja tootmismeetodist. Need sisaldavad alati lisandeid, mis mõjutavad nende omadusi. Kõige olulisemad kivisöe liigid on koks, puusüsi ja tahm.
Koksi toodetakse kivisöe kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta.
Puusüsi tekib siis, kui puitu kuumutatakse ilma õhu juurdepääsuta.
Tahm on väga peen grafiidist kristalne pulber. Tekib piiratud õhu juurdepääsuga süsivesinike (maagaas, atsetüleen, tärpentin jne) põlemisel.
Aktiivsüsi on poorsed tööstuslikud adsorbendid, mis koosnevad peamiselt süsinikust. Adsorptsioon on gaaside ja lahustunud ainete neeldumine tahkete ainete pinnale. Aktiivsütt saadakse tahkest kütusest (turvas, pruun- ja kivisüsi, antratsiit), puidust ja selle töödeldud toodetest (süsi, saepuru, paberijäätmed), nahatööstuse jäätmetest ja loomsetest materjalidest, näiteks luudest. Kõrge mehaanilise tugevusega kivisütt toodetakse kookospähklite ja muude pähklite koortest ning puuviljaseemnetest. Söe struktuuri esindavad igas suuruses poorid, kuid adsorptsioonivõime ja adsorptsioonikiiruse määrab mikropooride sisaldus graanulite massi- või mahuühikus. Aktiivsöe tootmisel töödeldakse lähtematerjali esmalt ilma õhu juurdepääsuta, mille tulemusena eemaldatakse sellest niiskus ja osaliselt vaigud. Sel juhul moodustub kivisöe suure poorsusega struktuur. Mikropoorse struktuuri saamiseks viiakse aktiveerimine läbi kas gaasi või auruga oksüdeerimise või keemiliste reaktiividega töötlemise teel.
1.3. Süsiniku keemilised omadused
Tavalisel temperatuuril on teemant, grafiit ja kivisüsi keemiliselt inertsed, kuid kõrgel temperatuuril nende aktiivsus suureneb. Nagu süsiniku põhivormide struktuurist tuleneb, reageerib kivisüsi kergemini kui grafiit ja eriti teemant. Grafiit ei ole mitte ainult reaktiivsem kui teemant, vaid teatud ainetega reageerides võib see moodustada tooteid, mida teemant ei moodusta.
1. Oksüdeeriva ainena reageerib süsinik kõrgel temperatuuril teatud metallidega, moodustades karbiide:
ZS + 4Al = Al 4 C 3 (alumiiniumkarbiid).
2. Vesinikuga moodustavad süsi ja grafiit süsivesinikke. Lihtsaima esindaja - metaani CH 4 - võib saada Ni katalüsaatori juuresolekul kõrgel temperatuuril (600-1000 ° C):
C + 2H2CH 4.
3. Hapnikuga suhtlemisel on süsinikul redutseerivad omadused. Mis tahes allotroopse modifikatsiooni süsiniku täielikul põlemisel moodustub süsinikmonooksiid (IV):
C + O 2 = CO 2.
Mittetäieliku põlemise korral tekib süsinikmonooksiid (II) CO:
C + O 2 = 2CO.
Mõlemad reaktsioonid on eksotermilised.
4. Kivisöe redutseerivad omadused ilmnevad eriti selgelt kokkupuutel metallioksiididega (tsink, vask, plii jne), näiteks:
C + 2CuO = CO 2 + 2Cu,
C + 2ZnO = CO 2 + 2Zn.
Nendel reaktsioonidel põhineb metallurgia kõige olulisem protsess – metallide sulatamine maakidest.
Muudel juhtudel, näiteks kaltsiumoksiidiga suhtlemisel, tekivad karbiidid:
CaO + 3S = CaC 2 + CO.
5. Kivisüsi oksüdeeritakse kuuma kontsentreeritud väävel- ja lämmastikhappega:
C + 2H 2SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O,
3S + 4HNO3 = 3SO2 + 4NO + 2H2O.
Igasugune süsinik on leeliste suhtes vastupidav!
1.4. Süsiniku kasutamine
Teemante kasutatakse erinevate kõvade materjalide töötlemiseks, klaasi lõikamiseks, lihvimiseks, puurimiseks ja graveerimiseks ning kivimite puurimiseks. Pärast poleerimist ja lõikamist muudetakse teemandid teemantideks, mida kasutatakse ehetena.
Grafiit on kaasaegse tööstuse kõige väärtuslikum materjal. Grafiiti kasutatakse valuvormide, sulatustiiglite ja muude tulekindlate toodete valmistamiseks. Tänu oma kõrgele keemilisele vastupidavusele kasutatakse grafiiti torude ja seadmete valmistamiseks, mis on seest grafiitplaatidega vooderdatud. Märkimisväärses koguses grafiiti kasutatakse elektritööstuses, näiteks elektroodide valmistamisel. Grafiiti kasutatakse pliiatsite ja osade värvide valmistamiseks ning määrdeainena. Väga puhast grafiiti kasutatakse tuumareaktorites neutronite mõõdukaks muutmiseks.
Lineaarne süsinikpolümeer karbüün äratab teadlaste tähelepanu kui paljulubav materjal pooljuhtide tootmiseks, mis võivad töötada kõrgetel temperatuuridel ja ülitugevate kiudude juures.
Süsi kasutatakse metallurgiatööstuses ja sepatöös.
Koksi kasutatakse redutseerijana maakidest metallide sulatamisel.
Tahma kasutatakse kummist täiteainena tugevuse suurendamiseks, mistõttu on autorehvid mustad. Tahma kasutatakse ka trükivärvide, tindi ja kingakreemi komponendina.
Aktiivsütt kasutatakse erinevate ainete puhastamiseks, ekstraheerimiseks ja eraldamiseks. Aktiivsütt kasutatakse gaasimaskide täiteainetena ja meditsiinis sorbendina.
Peatükk II . Anorgaanilised süsinikuühendid
Süsinik moodustab kaks oksiidi – süsinikmonooksiid (II) CO ja süsinikmonooksiid (IV) CO 2.
Süsinikoksiid (II) CO on värvitu lõhnatu gaas, mis lahustub vees vähe. Seda nimetatakse süsinikmonooksiidiks, kuna see on väga mürgine. Hingamise ajal verre sattudes ühineb see kiiresti hemoglobiiniga, moodustades tugeva ühendi karboksühemoglobiini, jättes seeläbi hemoglobiini hapniku kandmise võime.
Kui sisse hingata õhku, mis sisaldab 0,1% CO, võib inimene ootamatult teadvuse kaotada ja surra. Süsinikoksiid tekib kütuse mittetäielikul põlemisel, mistõttu on korstnate enneaegne sulgemine nii ohtlik.
Süsinikmonooksiid (II), nagu te juba teate, on klassifitseeritud soola mittemoodustavaks oksiidiks, kuna kuna see on mittemetalli oksiid, peaks see reageerima leeliste ja aluseliste oksiididega, moodustades soola ja vee, kuid seda ei täheldata. .
2CO + O 2 = 2CO 2.
Süsinikoksiid (II) on võimeline eemaldama metallioksiididest hapnikku, s.t. Vähendage metalle nende oksiididest.
Fe2O3 + ZSO = 2Fe + ZSO 2.
Just seda süsinik(II)oksiidi omadust kasutatakse metallurgias malmi sulatamisel.
Süsinikoksiid (IV) CO 2 – üldtuntud kui süsinikdioksiid – on värvitu lõhnatu gaas. See on õhust ligikaudu poolteist korda raskem. Normaaltingimustes lahustub 1 mahuosa süsihappegaasi 1 mahus vees.
Ligikaudu 60 atm rõhul muutub süsinikdioksiid värvituks vedelikuks. Vedela süsihappegaasi aurustumisel muutub osa sellest tahkeks lumetaoliseks massiks, mida tööstuses pressitakse - see on teile tuttav “kuiv jää”, mida kasutatakse toidu säilitamiseks. Te juba teate, et tahkel süsinikdioksiidil on molekulaarvõre ja see on võimeline sublimeerima.
Süsinikdioksiid CO 2 on tüüpiline happeline oksiid: see interakteerub leelistega (näiteks põhjustab lubjavees hägusust), aluseliste oksiidide ja veega.
See ei põle ega toeta põlemist ning seetõttu kasutatakse seda tulekahjude kustutamiseks. Magneesium aga põleb edasi süsihappegaasis, moodustades oksiidi ja vabastades süsinikku tahma kujul.
CO 2 + 2Mg = 2MgO + C.
Süsinikdioksiid tekib süsihappesoolade - karbonaatide reageerimisel vesinikkloriid-, lämmastik- ja isegi äädikhappe lahustega. Laboris toodetakse süsihappegaasi vesinikkloriidhappe toimel kriidile või marmorile.
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 0 + C0 2.
Tööstuses toodetakse süsihappegaasi lubjakivi põletamisel:
CaCO 3 = CaO + C0 2.
Lisaks juba mainitud rakendusele kasutatakse süsihappegaasi ka kihisevate jookide ja sooda tootmiseks.
Vingugaasi (IV) lahustamisel vees tekib süsihape H 2 CO 3, mis on väga ebastabiilne ja laguneb kergesti oma algkomponentideks - süsihappegaasiks ja veeks.
Kahealuselise happena moodustab süsihape kaks soolade seeriat: keskmised - karbonaadid, näiteks CaCO 3, ja happelised - süsivesinikud, näiteks Ca(HCO 3) 2. Karbonaatidest lahustuvad vees ainult kaaliumi-, naatriumi- ja ammooniumisoolad. Happesoolad on üldiselt vees lahustuvad.
Kui vee juuresolekul on süsinikdioksiidi liig, võivad karbonaadid muutuda vesinikkarbonaatideks. Niisiis, kui süsinikdioksiid juhitakse läbi lubjavee, muutub see kõigepealt häguseks vees lahustumatu kaltsiumkarbonaadi sadenemise tõttu, kuid süsinikdioksiidi edasisel läbimisel hägusus kaob lahustuva kaltsiumvesinikkarbonaadi moodustumise tagajärjel:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2.
Just selle soola olemasolu seletab vee ajutist karedust. Miks ajutine? Sest kuumutamisel muutub lahustuv kaltsiumvesinikkarbonaat tagasi lahustumatuks karbonaadiks:
Ca(HCO 3) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 0 + C0 2.
See reaktsioon viib katlakivi moodustumiseni katelde, auruküttetorude ja koduveekeetjate seintele ning looduses tekivad selle reaktsiooni tulemusena koobastes maha rippuvad veidrad stalaktiidid, mille poole altpoolt kasvavad stalagmiidid.
Teised kaltsiumi- ja magneesiumisoolad, eriti kloriidid ja sulfaadid, annavad veele püsiva kareduse. Vee pidevat karedust ei saa keetmisega kõrvaldada. Peate kasutama teist karbonaati - soodat.
Na 2 CO 3, mis muudab need Ca 2+ ioonid setteks, näiteks:
CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaCl.
Söögisoodat saab kasutada ka vee ajutise kareduse kõrvaldamiseks.
Karbonaate ja vesinikkarbonaate saab tuvastada happelahuste abil: hapetega kokkupuutel täheldatakse süsinikdioksiidi eraldumise tõttu iseloomulikku "keetmist".
See reaktsioon on kvalitatiivne reaktsioon süsihappe sooladele.
Järeldus
Kogu elu maa peal põhineb süsinikul. Iga elusorganismi molekul on üles ehitatud süsiniku skeleti alusel. Süsinikuaatomid rändavad pidevalt ühest biosfääri osast (Maa kitsas kest, kus eksisteerib elu) teise. Looduses toimuva süsinikuringe näitel saame jälgida elu dünaamikat meie planeedil.
Peamised süsinikuvarud Maal on atmosfääris sisalduva ja Maailma ookeanis lahustunud süsinikdioksiidi ehk süsinikdioksiidi (CO 2) kujul. Vaatleme kõigepealt atmosfääris leiduvaid süsinikdioksiidi molekule. Taimed neelavad need molekulid, seejärel muundatakse süsinikuaatom fotosünteesi käigus mitmesugusteks orgaanilisteks ühenditeks ja lülitatakse seega taime struktuuri. Allpool on mitu võimalust.
1. Süsinik võib taimedes püsida kuni taimede surmani. Seejärel kasutatakse nende molekule toiduna lagundajatele (organismid, mis toituvad surnud orgaanilisest ainest ja lagundavad selle samal ajal lihtsateks anorgaanilisteks ühenditeks), nagu seened ja termiidid. Lõpuks naaseb süsinik CO2-na atmosfääri;
2. Taimi võivad süüa rohusööjad. Sel juhul naaseb süsinik atmosfääri (loomade hingamise käigus ja nende lagunemise ajal pärast surma) või söövad taimtoidulised lihasööjad ära (sel juhul naaseb süsinik uuesti atmosfääri samadel viisidel);
3. taimed võivad surra ja sattuda maa alla. Seejärel muutuvad need lõpuks fossiilkütusteks, nagu kivisüsi.
Algse CO 2 molekuli lahustamisel merevees on võimalikud ka mitmed võimalused:
Süsinikdioksiid võib lihtsalt atmosfääri naasta (selline vastastikune gaasivahetus Maailma ookeani ja atmosfääri vahel toimub pidevalt);
Süsinik võib siseneda meretaimede või -loomade kudedesse. Seejärel koguneb see järk-järgult setetena maailmamere põhja ja muutub lõpuks lubjakiviks või läheb setetest uuesti merevette.
Kui süsinik lisatakse setetesse või fossiilkütustesse, eemaldatakse see atmosfäärist. Kogu Maa eksisteerimise aja asendus sel viisil eemaldatud süsinik vulkaanipursete ja muude geotermiliste protsesside käigus atmosfääri sattunud süsihappegaasiga. Kaasaegsetes tingimustes lisanduvad neile looduslikele teguritele ka inimese fossiilkütuste põletamisel tekkivad heitmed. CO 2 mõju tõttu kasvuhooneefektile on süsinikuringe uurimine muutunud atmosfääri uurimisega tegelevate teadlaste oluliseks ülesandeks.
Üks osa sellest otsingust on taimekoes leiduva CO 2 koguse määramine (näiteks äsja istutatud metsas) – teadlased nimetavad seda süsiniku neeldajaks. Kuna valitsused püüavad saavutada rahvusvahelist kokkulepet CO 2 heitkoguste piiramiseks, on süsiniku neeldajate ja heitkoguste tasakaalustamise küsimus üksikutes riikides muutunud tööstusriikide jaoks suureks tüliõunaks. Teadlased aga kahtlevad, kas süsihappegaasi kuhjumist atmosfääri saab peatada ainuüksi metsaistutamisega.
Süsinik ringleb Maa biosfääris pidevalt mööda suletud omavahel seotud radu. Praegu lisanduvad looduslikele protsessidele fossiilkütuste põletamise tagajärjed.
Kirjandus:
1. Ahmetov N.S. Keemia 9. klass: õpik. üldhariduse jaoks õpik asutused. – 2. väljaanne. – M.: Haridus, 1999. – 175 lk.: ill.
2. Gabrielyan O.S. Keemia 9. klass: õpik. üldhariduse jaoks õpik asutused. – 4. väljaanne. – M.: Bustard, 2001. – 224 lk.: ill.
3. Gabrielyan O.S. Keemia 8-9 klass: meetod. toetust. – 4. väljaanne. – M.: Bustard, 2001. – 128 lk.
4. Eroshin D.P., Shishkin E.A. Keemia ülesannete lahendamise meetodid: õpik. toetust. – M.: Haridus, 1989. – 176 lk.: ill.
5. Kremenchugskaya M. Keemia: Koolilapse teatmeteos. – M.: Philol. Selts "WORD": LLC "Kirjastus AST", 2001. - 478 lk.
6. Kritsman V.A. Lugemisraamat anorgaanilisest keemiast. – M.: Haridus, 1986. – 273 lk.
Selles raamatus esineb sõna “süsinik” üsna sageli: lugudes rohelistest lehtedest ja rauast, plastist ja kristallidest ning paljudes teistes. Süsinik - "süsi sünnitav" - on üks hämmastavamaid keemilisi elemente. Selle ajalugu on elu tekkimise ja arengu ajalugu Maal, sest see on osa kõigist Maal elavatest asjadest.
Kuidas süsinik välja näeb?
Teeme mõned katsed. Võtame suhkru ja kuumutame ilma õhuta. Esmalt sulab, muutub pruuniks ja seejärel muutub mustaks ja muutub kivisöeks, vabastades vett. Kui nüüd seda sütt kuumutada juuresolekul, põleb see jäägitult ja muutub . Seetõttu koosnes suhkur kivisöest ja veest (suhkrut, muide, nimetatakse süsivesikuteks) ja "suhkru" kivisüsi on ilmselt puhas süsinik, sest süsinikdioksiid on süsiniku ühend hapnikuga. See tähendab, et süsinik on must, pehme pulber.
Võtame halli pehme grafiitkivi, mis on teile hästi tuntud tänu pliiatsitele. Kui seda hapnikus kuumutada, põleb see ka jäägita, kuigi veidi aeglasemalt kui kivisüsi, ja süsihappegaas jääb seadmesse, kus see põles. Kas see tähendab, et grafiit on ka puhas süsinik? Muidugi, aga see pole veel kõik.
Kui teemant, läbipaistev sädelev vääriskivi ja kõige kõvem mineraal, kuumutatakse samas seadmes hapnikus, põleb seegi, muutudes süsinikdioksiidiks. Kui soojendate teemanti ilma hapniku juurdepääsuta, muutub see grafiidiks ning väga kõrgel rõhul ja temperatuuril saate grafiidist teemanti.
Niisiis on kivisüsi, grafiit ja teemant sama elemendi - süsiniku - erinevad eksisteerimisvormid.
Veelgi hämmastavam on süsiniku võime "osaleda" tohutul hulgal erinevates ühendites (sellepärast esineb selles raamatus sõna "süsinik" nii sageli).
Perioodilise tabeli 104 elementi moodustavad enam kui nelikümmend tuhat uuritud ühendit. Ja juba on teada üle miljoni ühendi, mille aluseks on süsinik!
Selle mitmekesisuse põhjuseks on see, et süsinikuaatomid võivad olla ühendatud üksteisega ja teiste aatomitega tugevate sidemete kaudu, moodustades keerulisi ahelate, rõngaste ja muude kujundite kujul. Ükski tabelis olev element peale süsiniku pole selleks võimeline.
Süsinikuaatomitest saab ehitada lõpmatu arv kujundeid ja seega ka lõpmatu arv võimalikke ühendeid. Need võivad olla väga lihtsad ained, näiteks valgustav gaas metaan, mille molekulis on neli aatomit seotud ühe süsinikuaatomiga ja nii keerulised, et nende molekulide struktuur pole veel kindlaks tehtud. Selliste ainete hulka kuuluvad
SÜSI, C, perioodilise süsteemi IV rühma keemiline element, aatommass 12,00, aatomarv 6. Kuni viimase ajani peeti süsinikul isotoopideta; Alles hiljuti on eriti tundlike meetodite abil õnnestunud tuvastada C 13 isotoobi olemasolu. Süsinik on üks olulisemaid elemente oma levimuse, selle ühendite arvu ja mitmekesisuse, bioloogilise tähtsuse (orgaanilise ainena), süsiniku enda ja selle ühendite ulatusliku tehnilise kasutamise (toorainena ja allikana) poolest. energia tööstuslike ja kodumaiste vajaduste jaoks) ja lõpuks selle rolli osas keemiateaduse arengus. Vabas olekus süsinikul on väljendunud allotroopia nähtus, mis on tuntud juba rohkem kui poolteist sajandit, kuid mida pole siiani täielikult uuritud, seda nii keemiliselt puhtal kujul süsiniku äärmise raskuse tõttu kui ka enamiku süsiniku konstantide tõttu. süsiniku allotroopsed modifikatsioonid varieeruvad suuresti sõltuvalt nende struktuuri morfoloogilistest tunnustest, mis on määratud tootmismeetodi ja -tingimustega.
Süsinik moodustab kahte kristallilist vormi – teemandi ja grafiidi ning on tuntud ka amorfses olekus nn. amorfne kivisüsi. Viimaste individuaalsuse üle on vaieldud viimaste uuringute tulemusena: kivisüsi identifitseeriti grafiidiga, pidades mõlemat sama vormi morfoloogilisteks sortideks - "must süsinik" ning nende omaduste erinevust seletati füüsikalise struktuuri ja astmega. aine dispersioonist. Kuid üsna hiljuti on saadud fakte, mis kinnitavad kivisöe kui erilise allotroopse vormi olemasolu (vt allpool).
Looduslikud süsinikuallikad ja -varud. Looduses esinemise poolest on süsinik elementide hulgas 10. kohal, moodustades 0,013% atmosfäärist, 0,0025% hüdrosfäärist ja umbes 0,35% maakoore kogumassist. Suurem osa süsinikust on hapnikuühendite kujul: atmosfääriõhk sisaldab ~800 miljardit tonni süsinikku CO 2 dioksiidi kujul; ookeanide ja merede vees - kuni 50 000 miljardit tonni süsinikku CO 2, süsihappeioonide ja vesinikkarbonaatide kujul; kivimites - lahustumatud karbonaadid (kaltsium, magneesium jt metallid) ning ainuüksi CaCO 3 osakaal moodustab ~160·10 6 miljardit tonni süsinikku. Need kolossaalsed varud ei esinda aga mingit energiaväärtust; palju väärtuslikumad on põlevad süsinikku sisaldavad materjalid - fossiilsed söed, turvas, seejärel nafta, süsivesinikgaasid ja muud looduslikud bituumenid. Nende ainete varu maapõues on samuti üsna märkimisväärne: süsiniku kogumass fossiilsetes kivisöes ulatub ~6000 miljardi tonnini, naftas ~10 miljardi tonnini jne. Vabas olekus on süsinik üsna haruldane (teemant ja osa grafiitainest). Fossiilsed söed sisaldavad peaaegu või üldse mitte vaba süsinikku: need koosnevad Ch. arr. kõrge molekulmassiga (polütsüklilised) ja väga stabiilsed süsinikuühendid teiste elementidega (H, O, N, S) on veel väga vähe uuritud. Taime- ja loomarakkudes sünteesitud eluslooduse (maakera biosfääri) süsinikuühendid eristuvad omaduste ja koostise koguste erakordselt mitmekesisuse poolest; energiaressurssidena mängivad rolli ka taimemaailmas levinumad ained – kiudained ja ligniin. Süsinik säilitab looduses pideva jaotumise tänu pidevale tsüklile, mille tsükkel koosneb komplekssete orgaaniliste ainete sünteesist taime- ja loomarakkudes ning nende ainete vastupidisest lagunemisest nende oksüdatiivse lagunemise (põlemine, lagunemine, hingamine) käigus. CO 2 moodustumisele, mida kasutatakse taas taimedel sünteesiks. Selle tsükli üldskeem võiks olla esitatakse järgmisel kujul:
Süsiniku tootmine. Taimset ja loomset päritolu süsinikuühendid on kõrgel temperatuuril ebastabiilsed ja ilma õhu juurdepääsuta vähemalt 150–400°C kuumutamisel lagunevad, eraldades vett ja lenduvaid süsinikuühendeid ning jättes maha tahke mittelenduva süsinikurikka jäägi ja tavaliselt nimetatakse kivisöeks. Seda pürolüütilist protsessi nimetatakse söetamiseks ehk kuivdestilleerimiseks ja seda kasutatakse laialdaselt tehnoloogias. Fossiilsete söe, nafta ja turba kõrgtemperatuuriline pürolüüs (temperatuuril 450-1150°C) toob kaasa süsiniku eraldumise grafiidi kujul (koks, retortkivisüsi). Mida kõrgem on lähteainete söestumise temperatuur, seda lähemal on tekkiv kivisüsi või koks oma koostiselt vabale süsinikule ja omadustelt grafiidile.
Amorfne kivisüsi, mis moodustub temperatuuril alla 800 °C, ei saa seda teha. loeme seda vabaks süsinikuks, kuna see sisaldab märkimisväärses koguses muid keemiliselt seotud elemente, Ch. arr. vesinik ja hapnik. Tehnilistest toodetest on aktiivsüsi ja tahm omadustelt kõige lähedasemad amorfsele süsinikule. Kõige puhtam kivisüsi võib olla saadakse puhta suhkru või piperonaali söestamisel, gaasitahma eritöötlusel jne. Elektrotermilisel teel saadud tehisgrafiit on koostiselt peaaegu puhas süsinik. Looduslik grafiit on alati saastunud mineraalsete lisanditega ning sisaldab ka teatud koguses seotud vesinikku (H) ja hapnikku (O); suhteliselt puhtas olekus võib. saadakse alles pärast mitmeid eritöötlusi: mehaaniline rikastamine, pesemine, töötlemine oksüdeerivate ainetega ja kaltsineerimine kõrgel temperatuuril kuni lenduvate ainete täieliku eemaldamiseni. Süsinikutehnoloogias ei tegeleta kunagi täielikult puhta süsinikuga; See kehtib mitte ainult loodusliku süsiniku tooraine kohta, vaid ka selle rikastamise, täiustamise ja termilise lagunemise (pürolüüsi) toodete kohta. Allpool on mõnede süsinikku sisaldavate materjalide süsinikusisaldus (%):
Süsiniku füüsikalised omadused. Vaba süsinik on peaaegu täielikult infusioonivõimetu, mittelenduv ja tavatemperatuuril lahustumatu üheski tuntud lahustis. See lahustub ainult mõnes sulametallis, eriti temperatuuril, mis läheneb viimase keemistemperatuurile: rauas (kuni 5%), hõbedas (kuni 6%) | ruteenium (kuni 4%), koobalt, nikkel, kuld ja plaatina. Hapniku puudumisel on süsinik kõige kuumuskindlam materjal; Puhta süsiniku vedel olek on teadmata ja selle muundumine auruks algab alles temperatuuril üle 3000 °C. Seetõttu määrati süsiniku omadused eranditult agregatsiooni tahke oleku jaoks. Süsiniku modifikatsioonidest on teemandil kõige püsivamad füüsikalised omadused; grafiidi omadused selle erinevates proovides (isegi kõige puhtamates) erinevad oluliselt; Amorfse kivisöe omadused on veelgi muutlikumad. Erinevate süsiniku modifikatsioonide olulisemad füüsikalised konstandid on võrreldud tabelis.
Teemant on tüüpiline dielektrik, samas kui grafiidil ja süsinikul on metalliline elektrijuhtivus. Absoluutväärtuses varieerub nende juhtivus väga laias vahemikus, kuid söe puhul on see alati madalam kui grafiitidel; grafiitides läheneb pärismetallide juhtivus. Kõigi süsiniku modifikatsioonide soojusmahtuvus temperatuuridel >1000°C kipub olema konstantne väärtus 0,47. Temperatuuridel alla -180°C muutub teemandi soojusmahtuvus kaduvalt väikeseks ja -27°C juures praktiliselt nulliks.
Süsiniku keemilised omadused. Kuumutamisel üle 1000 °C muutuvad nii teemant kui kivisüsi järk-järgult grafiidiks, mida tuleks seetõttu pidada kõige stabiilsemaks (kõrgetel temperatuuridel) süsiniku monotroopseks vormiks. Amorfse kivisöe muundumine grafiidiks algab ilmselt umbes 800 °C juures ja lõpeb temperatuuril 1100 °C (selles viimases punktis kaotab kivisüsi adsorptsiooniaktiivsuse ja võime taasaktiveeruda ning selle elektrijuhtivus suureneb järsult, jäädes edaspidi peaaegu konstantseks). Vabale süsinikule on iseloomulik inertsus tavatemperatuuridel ja märkimisväärne aktiivsus kõrgetel temperatuuridel. Amorfne kivisüsi on keemiliselt kõige aktiivsem, teemant aga kõige vastupidavam. Näiteks fluor reageerib kivisöega temperatuuril 15°C, grafiidiga ainult 500°C ja teemandiga 700°C juures. Õhus kuumutamisel hakkab poorne kivisüsi oksüdeeruma temperatuuril alla 100 °C, grafiit umbes 650 °C ja teemant üle 800 °C. Temperatuuridel 300 °C ja kõrgemal ühineb kivisüsi väävliga, moodustades süsinikdisulfiidi CS 2. Temperatuuril üle 1800°C hakkab süsinik (kivisüsi) interakteeruma lämmastikuga, moodustades (väikestes kogustes) tsüanogeeni C 2 N 2. Süsiniku interaktsioon vesinikuga algab 1200°C juures ja temperatuurivahemikus 1200-1500°C tekib ainult metaan CH 4; üle 1500°C - metaani, etüleeni (C 2 H 4) ja atsetüleeni (C 2 H 2) segu; temperatuuril 3000 °C saadakse peaaegu eranditult atsetüleeni. Elektrikaare temperatuuril ühineb süsinik otseselt metallide, räni ja booriga, moodustades vastavad karbiidid. Otsesed või kaudsed viisid võivad. saadi süsinikuühendid kõigi teadaolevate elementidega, välja arvatud nullrühma gaasid. Süsinik on mittemetalliline element, millel on mõned amfoteersuse märgid. Süsinikuaatomi läbimõõt on 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) ja see sisaldab välissfääris 4 valentselektroni, millest ühtviisi kergesti loobutakse või lisandub 8; seetõttu on süsiniku, nii hapniku kui ka vesiniku, normaalne valents neli. Suuremas enamuses selle ühenditest on süsinik neljavalentne; Kahevalentse süsiniku (süsinikoksiid ja selle atsetaalid, isonitriilid, fulminaathape ja selle soolad) ja kolmevalentse süsiniku (nn vaba radikaal) ühendeid on teada vaid väike arv.
Hapnikuga moodustab süsinik kaks normaalset oksiidi: happeline süsinikdioksiid CO 2 ja neutraalne süsinikmonooksiid CO. Lisaks on mitmeid süsiniku suboksiidid sisaldavad rohkem kui 1 süsinikuaatomit ja millel puudub tehniline tähtsus; Neist tuntuim on suboksiid koostisega C 3 O 2 (gaas keemistemperatuuriga +7 °C ja sulamistemperatuuriga -111 °C). Süsiniku ja selle ühendite esimene põlemisprodukt on CO 2, mis moodustub võrrandi kohaselt:
C+O2 = CO2 +97600 kal.
CO teke kütuse mittetäieliku põlemise ajal on sekundaarse redutseerimisprotsessi tulemus; Redutseerijaks on sel juhul süsinik ise, mis temperatuuril üle 450°C reageerib CO 2 -ga vastavalt võrrandile:
CO 2 +C = 2СО -38800 cal;
see reaktsioon on pöörduv; üle 950°C muutub CO 2 muundamine CO-ks peaaegu täielikuks, mis viiakse läbi gaasitootmisahjudes. Süsiniku energeetilist redutseerimisvõimet kõrgel temperatuuril kasutatakse ka vesigaasi tootmisel (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) ja metallurgilistes protsessides selle oksiidist vaba metalli saamiseks. Süsiniku allotroopsed vormid reageerivad mõnede oksüdeerivate ainete toimele erinevalt: näiteks KCIO 3 + HNO 3 segu ei mõjuta teemanti üldse, amorfne kivisüsi oksüdeerub täielikult CO 2-ks, grafiidist tekivad aga aromaatsed ühendid – grafiithapped. empiirilise valemiga (C 2 OH) x alates melliithape C6 (COOH)6. Süsiniku ja vesiniku ühendeid – süsivesinikke – on äärmiselt palju; neist toodetakse geneetiliselt enamik teisi orgaanilisi ühendeid, mis lisaks süsinikule sisaldavad kõige sagedamini H, O, N, S ja halogeene.
Orgaaniliste ühendite erakordne mitmekesisus, mida on teada kuni 2 miljonit, on tingitud süsiniku kui elemendi teatud omadustest. 1) Süsinikku iseloomustab tugev keemiline side enamike teiste elementidega, nii metalliliste kui ka mittemetallilistega, mille tõttu see moodustab mõlemaga üsna stabiilseid ühendeid. Kui see ühineb teiste elementidega, on süsinikul väga väike kalduvus ioone moodustada. Enamik orgaanilisi ühendeid on homöopolaarset tüüpi ega dissotsieeru normaalsetes tingimustes; Nendes molekulisiseste sidemete purustamine nõuab sageli märkimisväärse energiakulu. Seoste tugevuse üle otsustamisel tuleks siiski eristada; a) sideme absoluutne tugevus, mõõdetuna termokeemiliselt, ja b) sideme purunemisvõime erinevate reagentide mõjul; need kaks omadust ei lange alati kokku. 2) Süsinikuaatomid seostuvad üksteisega erakordselt kergesti (mittepolaarsed), moodustades avatud või suletud süsinikahelaid. Selliste kettide pikkusele ei kehti ilmselt mingeid piiranguid; Seega on teada üsna stabiilsed 64 süsinikuaatomist koosneva avatud ahelaga molekulid. Avatud kettide pikenemine ja keerukus ei mõjuta nende lülide omavaheliste ega teiste elementidega ühendamise tugevust. Suletud ahelatest moodustuvad kõige kergemini 6- ja 5-liikmelised ringid, kuigi on teada 3-18 süsinikuaatomit sisaldavad tsüklilised ahelad. Süsinikuaatomite võime omavahel hästi siduda selgitab grafiidi eriomadusi ja söestumise protsesside mehhanismi; see teeb selgeks ka tõsiasja, et süsinik on kaheaatomiliste C 2 molekulide kujul tundmatu, mida võiks eeldada analoogselt teiste kergete mittemetalliliste elementidega (auru kujul koosneb süsinik üheaatomilistest molekulidest). 3) Sidemete mittepolaarse olemuse tõttu on paljudel süsinikuühenditel keemiline inertsus mitte ainult väliselt (reaktsiooni aeglus), vaid ka sisemiselt (molekulisiseste ümberkorralduste raskus). Suurte "passiivsete takistuste" olemasolu raskendab oluliselt ebastabiilsete vormide spontaanset muutumist stabiilseteks, vähendades sageli sellise muundumise kiirust nullini. Selle tulemuseks on võimalus realiseerida suur hulk isomeerseid vorme, mis on tavatemperatuuril peaaegu võrdselt stabiilsed.
Süsiniku allotroopia ja aatomistruktuur . Röntgenanalüüs võimaldas usaldusväärselt kindlaks teha teemandi ja grafiidi aatomistruktuuri. Sama uurimismeetod heitis valgust küsimusele süsiniku kolmanda allotroopse modifikatsiooni olemasolust, mis on sisuliselt küsimus kivisöe amorfsuse või kristallilisuse kohta: kui kivisüsi on amorfne moodustis, siis ei saa. ei identifitseerita ei grafiidi ega teemandiga, vaid seda tuleb käsitleda süsiniku erivormina kui üksiku lihtainena. Teemandis on süsinikuaatomid paigutatud nii, et iga aatom asub tetraeedri keskmes, mille tipud on 4 kõrvuti asetsevat aatomit; iga viimane on omakorda teise sarnase tetraeedri keskpunkt; külgnevate aatomite vahelised kaugused on 1,54 Ᾰ (kristallvõre elementaarkuubiku serv on 3,55 Ᾰ). See struktuur on kõige kompaktsem; see vastab teemandi suurele kõvadusele, tihedusele ja keemilisele inertsusele (valentsjõudude ühtlane jaotus). Süsinikuaatomite vastastikune seos teemantvõres on sama, mis enamiku rasvarea orgaaniliste ühendite molekulides (süsiniku tetraeedriline mudel). Grafiidikristallides paiknevad süsinikuaatomid tihedate kihtidena, mis asuvad üksteisest 3,35–3,41 Ᾰ kaugusel; nende kihtide suund langeb mehaaniliste deformatsioonide ajal kokku lõhenemistasandite ja libisevate tasanditega. Iga kihi tasapinnas moodustavad aatomid ruudustiku kuusnurksete rakkudega (kompaniid); sellise kuusnurga külg on 1,42-1,45 Ᾰ. Kõrvuti asetsevates kihtides ei asu kuusnurgad üksteise all: nende vertikaalne kokkulangevus kordub alles pärast 2 kihti kolmandas. Iga süsinikuaatomi kolm sidet asuvad samal tasapinnal, moodustades 120° nurgad; 4. side on suunatud tasapinnalt vaheldumisi ühes või teises suunas naaberkihtide aatomitele. Aatomite vahelised kaugused kihis on rangelt konstantsed, kuid üksikute kihtide vaheline kaugus võib olla muudetud välismõjude poolt: näiteks rõhu all kuni 5000 atm vajutamisel väheneb see 2,9 Ᾰ-ni ja grafiidi paisumisel kontsentreeritud HNO 3-s suureneb see 8 Ᾰ-ni. Ühe kihi tasapinnas on süsinikuaatomid seotud homöopolaarselt (nagu süsivesinike ahelates), kuid külgnevate kihtide aatomitevahelised sidemed on oma olemuselt pigem metallilised; see ilmneb sellest, et grafiidikristallide elektrijuhtivus kihtidega risti olevas suunas on ~100 korda suurem juhtivusest kihi suunas. See. grafiidil on ühes suunas metalli omadused ja teises suunas mittemetalli omadused. Süsinikuaatomite paigutus grafiitvõre igas kihis on täpselt sama, mis keeruliste tuumaaromaatsete ühendite molekulides. See konfiguratsioon selgitab hästi grafiidi teravat anisotroopiat, erakordselt arenenud lõhustumist, hõõrdumisvastaseid omadusi ja aromaatsete ühendite teket selle oksüdatsiooni käigus. Musta süsiniku amorfne modifikatsioon eksisteerib ilmselt iseseisva vormina (O. Ruff). Selle jaoks on kõige tõenäolisem vahutaoline rakustruktuur, millel puudub igasugune korrapärasus; selliste rakkude seinad on moodustatud aktiivsete aatomite kihtidest süsinik umbes 3 aatomi paksusega. Praktikas asub kivisöe toimeaine tavaliselt tihedalt asetsevate inaktiivsete süsinikuaatomite kesta all, mis on orienteeritud grafiitiliselt ja millesse tungivad sisse väga väikesed grafiidikristalliidid. Tõenäoliselt puudub kivisöe → grafiidi muundumispunkt: mõlema modifikatsiooni vahel toimub pidev üleminek, mille käigus amorfse kivisöe C-aatomite juhuslikult ülerahvastatud mass muudetakse korrapäraseks grafiidi kristallvõreks. Amorfse kivisöe süsinikuaatomitel on nende juhusliku paigutuse tõttu maksimaalne jääk-afiinsus, mis (vastavalt Langmuiri ideedele adsorptsioonijõudude ja valentsjõudude identsuse kohta) vastab kivisöele nii iseloomulikule suurele adsorptsioonile ja katalüütilisele aktiivsusele. Kristallvõres orienteeritud süsinikuaatomid kulutavad kogu oma afiinsuse (teemandis) või suurema osa sellest (grafiidis) vastastikusele adhesioonile; See vastab keemilise aktiivsuse ja adsorptsiooniaktiivsuse vähenemisele. Teemandis on adsorptsioon võimalik ainult üksikkristalli pinnal, samas kui grafiidis võib jääkvalents tekkida iga tasapinnalise võre mõlemal pinnal (aatomikihtide vahelistes “pragudes”), mida kinnitab asjaolu, et grafiit võib vedelikes paisuda (HNO 3) ja selle grafiithappeks oksüdeerumise mehhanism.
Süsiniku tehniline tähtsus. Mis puudutab b. või m söestamise ja koksimise protsesside käigus saadud vaba süsinikku, siis selle kasutamine tehnoloogias põhineb nii selle keemilistel (inertsus, redutseerimisvõime) kui ka füüsikalistel omadustel (kuumakindlus, elektrijuhtivus, adsorptsioonivõime). Seega kasutatakse koksi ja puusütt lisaks nende osalisele otsesele kasutamisele leegivaba kütusena gaasilise kütuse (generaatorigaaside) tootmiseks; mustade ja värviliste metallide metallurgias - metallioksiidide (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi) redutseerimiseks; keemiatehnoloogias - redutseerijana sulfiidide (Na, Ca, Ba) tootmisel sulfaatidest, veevabade kloriidsoolade (Mg, Al), metallioksiididest, lahustuva klaasi ja fosfori tootmisel - toorainena kaltsiumkarbiidi, karborundi ja muude karbiidide süsinikdisulfiidi jne tootmine; ehitustööstuses - soojusisolatsioonimaterjalina. Retortsüsi ja koks on materjalina elektriahjude, elektrolüütvannide ja galvaaniliste elementide elektroodide jaoks, kaarsöe, reostaatide, kommutaatoriharjade, sulatustiiglite jms valmistamiseks ning ka düüsina tornitüüpi keemiaseadmetes. Lisaks ülaltoodud rakendustele kasutatakse puusütt kontsentreeritud süsinikmonooksiidi, tsüaniidsoolade tootmiseks terase tsementeerimiseks, seda kasutatakse laialdaselt adsorbendina, mõnede sünteetiliste reaktsioonide katalüsaatorina ning lõpuks sisaldub see mustas pulbris ja muudes lõhkeainetes. ja pürotehnilised kompositsioonid.
Süsiniku analüütiline määramine. Süsinik määratakse kvalitatiivselt aine proovi söestamise teel, kus puudub juurdepääs õhule (mis ei sobi kõigile ainetele) või, mis on palju usaldusväärsem, selle täieliku oksüdeerimisega, näiteks kaltsineerimisega segus vaskoksiidiga ja CO 2 teket tõestavad tavalised reaktsioonid. Süsiniku kvantifitseerimiseks põletatakse aine proov hapniku atmosfääris; tekkiv CO 2 püütakse kinni leeliselahusega ja määratakse massi või mahu järgi tavapäraste kvantitatiivse analüüsi meetodite abil. See meetod sobib süsiniku määramiseks mitte ainult orgaanilistes ühendites ja tehnilistes söes, vaid ka metallides.
(esimene elektron)
Süsiniku võime moodustada polümeeriahelaid tekitab tohutu hulga süsinikul põhinevaid ühendeid, mida nimetatakse orgaanilisteks aineteks, mida on palju rohkem kui anorgaanilisi ja mis on orgaanilise keemia uurimus.
Lugu
XVII-XVIII sajandi vahetusel. tekkis flogistoni teooria, mille esitasid Johann Becher ja Georg Stahl. See teooria tunnistas igas põlevas kehas spetsiaalse elementaarse aine - kaalutu vedeliku - flogistoni olemasolu, mis põlemisprotsessi käigus aurustub. Kuna suures koguses kivisütt põletades jääb järele vaid veidi tuhka, uskus flogistika, et kivisüsi on peaaegu puhas flogiston. See selgitas eelkõige kivisöe „flogiseerivat” toimet – selle võimet taastada metalle „lubjast” ja maakidest. Hilisemad flogistikud Reaumur, Bergman jt olid juba hakanud mõistma, et kivisüsi on elementaarne aine. Kuid "puhta kivisütt" tunnustas esmakordselt Antoine Lavoisier, kes uuris söe ja muude ainete põlemisprotsessi õhus ja hapnikus. Guiton de Morveau, Lavoisier', Berthollet' ja Fourcroix' raamatus "Keemilise nomenklatuuri meetod" (1787) esines prantsuskeelse "pure coal" (charbone pur) asemel nimetus "süsinik" (carbone). Sama nime all on süsinik Lavoisier' keemia algõpiku "Lihtkehade tabelis".
nime päritolu
19. sajandi alguses kasutati venekeelses keemiakirjanduses mõnikord terminit “süsinikulahus” (Scherer, 1807; Severgin, 1815); Alates 1824. aastast võttis Solovjov kasutusele nimetuse "süsinik". Süsinikuühenditel on nende nimes oma osa süsivesik (tema)- alates lat. carbō (n. carbōnis) "kivisüsi".
Füüsikalised omadused
Süsinik esineb mitmesugustes allotroopides, millel on väga erinevad füüsikalised omadused. Modifikatsioonide mitmekesisus on tingitud süsiniku võimest moodustada erinevat tüüpi keemilisi sidemeid.
Süsiniku isotoobid
Looduslik süsinik koosneb kahest stabiilsest isotoobist - 12 C (98,93%) ja 13 C (1,07%) ning ühest radioaktiivsest isotoobist 14 C (β-emitter, T ½ = 5730 aastat), mis on koondunud atmosfääri ja maakera ülemisse ossa. koor. Tekib pidevalt stratosfääri alumistes kihtides kosmilise kiirguse neutronite mõjul lämmastiku tuumadele vastavalt reaktsioonile: 14 N (n, p) 14 C ning ka alates 1950. aastate keskpaigast tuumaelektrijaamade tehistoode ja vesinikupommide katsetamise tulemusena .
Süsiniku allotroopsed modifikatsioonid
Kristalliline süsinik
Amorfne süsinik
- Fossiilne kivisüsi: antratsiit ja fossiilne kivisüsi.
- Kivisöekoks, naftakoks jne.
Praktikas on ülaltoodud amorfsed vormid reeglina pigem kõrge süsinikusisaldusega keemilised ühendid kui süsiniku puhas allotroopne vorm.
Kobarate vormid
Struktuur
Vedel süsinik eksisteerib ainult teatud välisrõhul. Kolmikpunktid: grafiit - vedelik - aur T= 4130 K, R= 10,7 MPa ja grafiit - teemant - vedelik T≈ 4000 K, R≈ 11 GPa. Tasakaalujoon grafiit – faasis vedel R, T- diagrammil on positiivne kalle, mis muutub negatiivseks, kui see läheneb kolmepunktilisele grafiidile - teemandile - vedelikule, mis on seotud süsinikuaatomite ainulaadsete omadustega, et luua süsiniku molekulid, mis koosnevad erinevast arvust aatomitest (kahest seitsmeni) . Teemant-vedeliku tasakaalujoone kallet peeti paljude aastate jooksul negatiivseks, kuna puudusid otsesed katsed väga kõrgete temperatuuride (>4000-5000 K) ja rõhkude (>10-20 GPa) piirkonnas. Jaapani teadlaste poolt läbiviidud otsekatsed ja saadud katseandmete töötlemine, võttes arvesse teemandi anomaalset kõrge temperatuuri soojusmahtuvust, näitasid, et teemant-vedeliku tasakaalujoone kalle on positiivne, st teemant on oma vedelikust raskem. (sulamis sees vajub ega hõlju nagu jää vees) .
Ultradisperssed teemandid (nanodiamonds)
1980. aastatel avastati NSV Liidus, et süsinikku sisaldavate materjalide dünaamilise koormuse tingimustes võivad tekkida teemantilaadsed struktuurid, mida nimetatakse ülipeenteks teemantideks (UDD). Praegu kasutatakse üha enam terminit "nanodiamonds". Selliste materjalide osakeste suurus on mõni nanomeeter. UDD moodustumise tingimusi saab realiseerida olulise negatiivse hapnikubilansiga lõhkeainete, näiteks TNT ja heksogeeni segude, lõhkemisel. Sellised tingimused võivad realiseeruda ka taevakehade löömisel Maa pinnale süsinikku sisaldavate materjalide (orgaaniline aine, turvas, kivisüsi jne) juuresolekul. Nii avastati Tunguska meteoriidi langemistsoonis metsaalusest UDA-d.
Karbiin
Molekulide ahelstruktuuriga kuusnurkse süsteemi süsiniku kristalset modifikatsiooni nimetatakse karbiiniks. Kettidel on kas polüeenstruktuur (−C≡C−) või polükumuleenstruktuur (=C=C=). Tuntakse mitmeid karbiini vorme, mis erinevad ühikurakus olevate aatomite arvu, rakkude suuruse ja tiheduse (2,68–3,30 g/cm³) poolest. Karbüün esineb looduses mineraalse kaoiidi kujul (valged veenid ja lisandid grafiidis) ja saadakse kunstlikult atsetüleeni oksüdatiivse dehüdropolükondensatsiooni teel, laserkiirguse toimel grafiidile, süsivesinikest või CCl 4-st madala temperatuuriga plasmas.
Carbyne on peenkristalliline must pulber (tihedus 1,9–2 g/cm³) ja sellel on pooljuhtomadused. Saadakse tehistingimustes üksteisega paralleelselt asetsevate pikkadest süsinikuaatomite ahelatest.
Carbyne on süsiniku lineaarne polümeer. Karbüüni molekulis on süsinikuaatomid ühendatud ahelatena vaheldumisi kas kolmik- ja üksiksidemetega (polüeeni struktuur) või püsivalt kaksiksidemetega (polükumuleenstruktuur). Selle aine said esmakordselt Nõukogude keemikud V. V. Koršak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatotškin ja Ju. P. Kudrjavtsev 1960. aastate alguses NSVL Teaduste Akadeemias. Carbyne'il on pooljuhtivad omadused ja selle juhtivus suureneb valguse käes oluliselt. Esimene praktiline rakendus põhineb sellel omadusel - fotogalvaanilistes elementides.
Fullereenid ja süsiniknanotorud
Süsinik on tuntud ka klastriosakeste C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 jms kujul (fullereenid), samuti grafeenid, nanotorud ja komplekssed struktuurid – astraleenid.
Amorfne süsinik (struktuur)
Amorfse süsiniku struktuur põhineb ühekristallilise (alati lisandeid sisaldava) grafiidi korrastamatul struktuuril. Need on koks, pruun- ja kivisüsi, tahm, tahm, aktiivsüsi.
Grafeen
Grafeen on süsiniku kahemõõtmeline allotroopne modifikatsioon, mille moodustab ühe aatomi paksune süsinikuaatomite kiht, mis on ühendatud sp² sidemete kaudu kuusnurkseks kahemõõtmeliseks kristallvõreks.
Looduses olemine
Hinnanguliselt koosneb Maa tervikuna 730 ppm süsinikust, millest 2000 ppm tuumas ja 120 ppm vahevöös ja maakoores. Kuna Maa mass on 5,972⋅10 24 kg, tähendab see 4360 miljoni gigatonni süsiniku olemasolu.
Enamikul süsinikuühenditel ja ennekõike süsivesinikel on selgelt väljendunud kovalentsete ühendite iseloom. C-aatomite omavaheliste lihtsate, kaksik- ja kolmiksidemete tugevus, võime moodustada C-aatomitest stabiilseid ahelaid ja tsükleid määravad tohutu hulga orgaanilises keemias uuritud süsinikku sisaldavate ühendite olemasolu. Looduses leidub šungiiti, mis sisaldab nii tahket süsinikku (≈25%) kui ka märkimisväärses koguses ränioksiidi (≈35%). Keemilised omadusedTavatemperatuuril on süsinik keemiliselt inertne, piisavalt kõrgel temperatuuril ühineb see paljude elementidega ja avaldab tugevaid redutseerivaid omadusi. Erinevate süsinikuvormide keemiline aktiivsus väheneb järgmises järjekorras: amorfne süsinik, grafiit, teemant, õhus süttivad nad temperatuuridel vastavalt üle 300-501 °C, 600-700 °C ja 800-1000 °C. Oksüdatsiooniaste on vahemikus –4 kuni +4. Elektronide afiinsus 1,27 eV; Ionisatsioonienergia järjestikusel üleminekul C 0-lt C 4+ on vastavalt 11,2604, 24,383, 47,871 ja 64,19 eV. Anorgaanilised ühendidSüsinik reageerib paljude elementidega. Mittemetallidega ühenditel on oma nimed - metaan, tetrafluorometaan. Süsiniku põlemissaadused on CO ja CO 2 (vastavalt süsinikoksiid ja süsinikdioksiid). Tuntud on ka ebastabiilne suboksiidsüsinik C 3 O 2 (sulamistemperatuur –111 °C, keemistemperatuur 7 °C) ja mõned teised oksiidid (näiteks C 12 O 9, C 5 O 2, C 12 O 12). Grafiit ja amorfne süsinik hakkavad reageerima vesinikuga temperatuuril 1200 °C, fluoriga 900 °C juures. Grafiit halogeenide, leelismetallide ja muude ainetega moodustab inklusioonühendeid. Kui lämmastikuatmosfääris juhitakse süsinikelektroodide vahel elektrilahendus, moodustub tsüanogeen. Kõrgetel temperatuuridel tekib süsiniku vastasmõju H 2 ja N 2 seguga |