Węgiel jest szóstym elementem układu okresowego Mendelejewa. Jego masa atomowa wynosi 12.
Węgiel znajduje się w drugim okresie układu okresowego i czwartej grupie tego układu.
Numer okresu mówi nam, że sześć elektronów węgla znajduje się na dwóch poziomach energii.
Czwarta liczba grupowa mówi, że węgiel ma cztery elektrony na swoim zewnętrznym poziomie energii. Dwa z nich są sparowane S-elektrony, a pozostałe dwa nie są sparowane R-elektrony.
Strukturę zewnętrznej warstwy elektronowej atomu węgla można wyrazić następującymi schematami:
Każda komórka na tych diagramach oznacza oddzielny orbital elektronowy, strzałka oznacza elektron znajdujący się na orbicie. Dwie strzałki w jednej komórce oznaczają dwa elektrony znajdujące się na tym samym orbicie, ale o przeciwnych spinach.
Kiedy atom jest wzbudzony (kiedy przekazywana jest mu energia), jeden z nich tworzy parę S-zajęte elektrony R-orbitalny.
Wzbudzony atom węgla może brać udział w tworzeniu czterech wiązań kowalencyjnych. Dlatego w zdecydowanej większości swoich związków węgiel wykazuje wartościowość cztery.
Zatem najprostszy związek organiczny, metan węglowodorowy, ma skład CH 4. Jego strukturę można wyrazić za pomocą wzorów strukturalnych lub elektronicznych:
Wzór elektroniczny pokazuje, że atom węgla w cząsteczce metanu ma stabilną ośmioelektronową powłokę zewnętrzną, a atomy wodoru mają stabilną dwuelektronową powłokę.
Wszystkie cztery kowalencyjne wiązania węgla w metanie (i innych podobnych związkach) są równe i symetrycznie skierowane w przestrzeni. Atom węgla znajduje się niejako w środku czworościanu (regularnej piramidy czworokątnej), a cztery połączone z nim atomy (w przypadku metanu cztery atomy wodoru) znajdują się na wierzchołkach czworościanu.
Kąty między kierunkami dowolnej pary wiązań są takie same i wynoszą 109 stopni i 28 minut.
Wyjaśnia to fakt, że w atomie węgla, gdy tworzy wiązania kowalencyjne z czterema innymi atomami, z jednego S- i trzy P-orbitale w rezultacie sp 3-hybrydyzacja daje cztery hybrydy symetrycznie rozmieszczone w przestrzeni sp 3-orbitale wydłużone w kierunku wierzchołków czworościanu.
Cechy właściwości węgla.
Liczba elektronów na zewnętrznym poziomie energetycznym jest głównym czynnikiem determinującym właściwości chemiczne pierwiastka.
Po lewej stronie układu okresowego znajdują się pierwiastki z nisko wypełnionym zewnętrznym poziomem elektronowym. Elementy pierwszej grupy mają jeden elektron na poziomie zewnętrznym, elementy drugiej grupy mają dwa.
Elementami tych dwóch grup są metale. Łatwo ulegają utlenieniu, tj. tracą swoje zewnętrzne elektrony i stają się jonami dodatnimi.
Przeciwnie, po prawej stronie układu okresowego są niemetale (utleniacze). W porównaniu do metali mają jądro z większą liczbą protonów. Tak masywne jądro zapewnia znacznie silniejsze przyciąganie ze swojej chmury elektronów.
Takie pierwiastki z wielkim trudem tracą swoje elektrony, nie mają jednak nic przeciwko przyłączaniu dodatkowych elektronów z innych atomów, tj. utleniają je, a jednocześnie zamieniają się w jon ujemny.
Wraz ze wzrostem liczby grup w układzie okresowym, właściwości metaliczne pierwiastków słabną, a ich zdolność do utleniania innych pierwiastków wzrasta.
Węgiel zalicza się do czwartej grupy, tj. dokładnie pośrodku pomiędzy metalami, które łatwo oddają elektrony, a niemetalami, które łatwo te elektrony zdobywają.
Z tego powodu węgiel nie ma wyraźnej tendencji do oddawania lub zyskiwania elektronów.
Łańcuchy węglowe.
Wyjątkową właściwością węgla, decydującą o różnorodności związków organicznych, jest zdolność jego atomów do łączenia się ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, tworząc obwody węglowe o niemal nieograniczonej długości.
Oprócz węgla łańcuchy identycznych atomów tworzy jego analog z grupy IV - krzem. Jednakże takie łańcuchy zawierają nie więcej niż sześć atomów Si. Znane są długie łańcuchy atomów siarki, ale zawierające je związki są kruche.
Wartościowości atomów węgla, które nie są wykorzystywane do wzajemnego połączenia, wykorzystuje się do dodawania innych atomów lub grup (w węglowodorach - do dodawania wodoru).
Zatem węglowodory etan ( C 2 H 6) i propan ( C 3 H 8) zawierają łańcuchy odpowiednio dwóch i trzech atomów węgla. Ich strukturę wyrażają następujące wzory strukturalne i elektroniczne:
Znane są związki, które zawierają w swoich łańcuchach setki lub więcej atomów węgla.
Ze względu na czworościenną orientację wiązań węgla, jego atomy wchodzące w skład łańcucha nie są ułożone w linii prostej, ale zygzakowato. Ponadto, ze względu na możliwość rotacji atomów wokół osi wiązania, łańcuch w przestrzeni może przybierać różne kształty (konformacje):
Taka struktura łańcuchów umożliwia zbliżenie się do siebie końcowych lub innych niesąsiadujących atomów węgla. W wyniku powstania wiązań pomiędzy tymi atomami łańcuchy węglowe mogą zamykać się w pierścienie (cykle), na przykład:
Zatem o różnorodności związków organicznych decyduje również fakt, że przy tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce możliwe są związki z otwartym, otwartym łańcuchem atomów węgla, a także substancje, których cząsteczki zawierają cykle.
Proste i wielokrotne połączenia.
Wiązania kowalencyjne między atomami węgla utworzone przez jedną parę uogólnionych elektronów nazywane są wiązaniami prostymi.
Wiązanie między atomami węgla może być realizowane nie przez jedną, ale przez dwie lub trzy wspólne pary elektronów. Otrzymujemy wówczas łańcuchy z wiązaniami wielokrotnymi – podwójnymi lub potrójnymi. Połączenia te można przedstawić w następujący sposób:
Najprostszymi związkami zawierającymi wiązania wielokrotne są węglowodory etylen(z podwójnym wiązaniem) i acetylen(z potrójnym wiązaniem):
Węglowodory z wiązaniami wielokrotnymi nazywane są nienasyconymi lub nienasyconymi. Etylen i acetylen są pierwszymi przedstawicielami dwóch serii homologicznych - węglowodorów etylenu i acetylenu.
(pierwszy elektron)
Węgiel(symbol chemiczny C) pierwiastek chemiczny 4. grupy głównej podgrupy 2. okresu układu okresowego Mendelejewa, numer seryjny 6, masa atomowa naturalnej mieszaniny izotopów 12,0107 g/mol.
Fabuła
Węgiel w postaci węgla drzewnego był już w starożytności używany do wytapiania metali. Alotropowe modyfikacje węgla – diamentu i grafitu – są znane od dawna. Elementarną naturę węgla ustalił A. Lavoisier pod koniec lat osiemdziesiątych XVIII wieku.
pochodzenie imienia
Nazwa międzynarodowa: carbō - węgiel.
Właściwości fizyczne
Węgiel występuje w różnych odmianach alotropowych o bardzo różnorodnych właściwościach fizycznych. Różnorodność modyfikacji wynika ze zdolności węgla do tworzenia różnego rodzaju wiązań chemicznych.
Izotopy węgla
Węgiel naturalny składa się z dwóch stabilnych izotopów - 12 C (98,892%) i 13 C (1,108%) oraz jednego radioaktywnego izotopu 14 C (β-emiter, T ½ = 5730 lat), skoncentrowanego w atmosferze i górnej części skorupy ziemskiej . Powstaje stale w dolnych warstwach stratosfery w wyniku oddziaływania neutronów z promieniowania kosmicznego na jądra azotu zgodnie z reakcją: 14 N (n, p) 14 C, a także od połowy lat 50. XX w. będący wytworem człowieka w elektrowniach jądrowych oraz w wyniku testowania bomb wodorowych.
Metoda datowania radiowęglowego, szeroko stosowana w geologii i archeologii czwartorzędu, opiera się na powstawaniu i rozpadzie 14 C.
Alotropowe modyfikacje węgla
Schematy budowy różnych modyfikacji węgla
A: diament, B: grafit, C: lonsdaleit
D: fuleren – Buckyball C 60, mi: fuleren C 540, F: fuleren C 70
G: węgiel amorficzny, H: Nanorurka węglowa
lonsdaleit
fulereny
nanorurki węglowe
węgiel amorficzny
Sadza węglowa
Orbitale elektronowe atomu węgla mogą mieć różną geometrię, w zależności od stopnia hybrydyzacji jego orbitali elektronowych. Istnieją trzy podstawowe geometrie atomu węgla.
Czterościenny - powstaje przez zmieszanie jednego s i trzech p-elektronów (hybrydyzacja sp 3). Atom węgla znajduje się w środku czworościanu i jest połączony czterema równoważnymi wiązaniami σ z węglem lub innymi atomami na wierzchołkach czworościanu. Alotropowe modyfikacje węgla, diament i lonsdaleit, odpowiadają tej geometrii atomu węgla. Węgiel wykazuje taką hybrydyzację na przykład w metanie i innych węglowodorach.
Trygonalny - powstaje przez zmieszanie jednego orbitali s i dwóch p-elektronów (hybrydyzacja sp²). Atom węgla ma trzy równoważne wiązania σ umieszczone w tej samej płaszczyźnie pod kątem 120° względem siebie. Orbital p nie biorący udziału w hybrydyzacji, położony prostopadle do płaszczyzny wiązań σ, służy do utworzenia wiązania π z innymi atomami. Ta geometria węgla jest charakterystyczna dla grafitu, fenolu itp.
Cyfrowy - powstaje przez zmieszanie jednego elektronu s i jednego p (hybrydyzacja sp). W tym przypadku dwie chmury elektronów są wydłużone w jednym kierunku i wyglądają jak asymetryczne hantle. Pozostałe dwa elektrony p tworzą wiązania π. Węgiel o tej geometrii atomowej tworzy specjalną modyfikację alotropową - karbyn.
Grafit i diament
Głównymi i dobrze zbadanymi krystalicznymi modyfikacjami węgla są diament i grafit. W normalnych warunkach tylko grafit jest stabilny termodynamicznie, podczas gdy diament i inne formy są metastabilne. Przy ciśnieniu atmosferycznym i temperaturach powyżej 1200 K Kalmaz zaczyna przekształcać się w grafit, powyżej 2100 K, przemiana następuje w ciągu kilku sekund. Przejście ΔН 0 — 1,898 kJ/mol. Pod normalnym ciśnieniem węgiel sublimuje w temperaturze 3780 K. Ciekły węgiel istnieje tylko pod pewnym ciśnieniem zewnętrznym. Punkty potrójne: grafit-ciecz-para T = 4130 K, p = 10,7 MPa. Bezpośrednie przejście grafitu w diament następuje w temperaturze 3000 K i ciśnieniu 11-12 GPa.
Przy ciśnieniach powyżej 60 GPa zakłada się utworzenie bardzo gęstej odmiany C III (gęstość 15–20% większa od gęstości diamentu), która ma przewodność metaliczną. Przy wysokich ciśnieniach i stosunkowo niskich temperaturach (około 1200 K) powstaje heksagonalna odmiana węgla z siecią krystaliczną typu wurcytu – lonsdaleit (a = 0,252 nm, c = 0,412 nm, grupa przestrzenna P6 3 /tts), gęstość 3,51 z wysoko zorientowanego grafitu g/cm3, czyli takiego samego jak diament. Lonsdaleit występuje także w meteorytach.
Diamenty ultradyspersyjne (nanodiamenty)
W 1980 W ZSRR odkryto, że w warunkach dynamicznego obciążenia materiałów zawierających węgiel mogą tworzyć się struktury diamentopodobne, zwane ultradrobnymi diamentami (UDD). Obecnie coraz częściej używa się terminu „nanodiamenty”. Wielkość cząstek w takich materiałach wynosi kilka nanometrów. Warunki powstawania UDD można zrealizować podczas detonacji materiałów wybuchowych o znacznym ujemnym bilansie tlenowym, na przykład mieszanin trotylu z heksogenem. Takie warunki mogą wystąpić także podczas uderzeń ciał niebieskich w powierzchnię Ziemi w obecności materiałów zawierających węgiel (materia organiczna, torf, węgiel itp.). Tak więc w strefie upadku meteorytu Tunguska w dnie lasu odkryto UDA.
Karabin
Krystaliczna modyfikacja węgla o układzie sześciokątnym o strukturze łańcuchowej cząsteczek nazywa się karbynem. Łańcuchy mają strukturę polienową (-C≡C-) lub polikumulenową (=C=C=). Znanych jest kilka form karbinu, różniących się liczbą atomów w komórce elementarnej, rozmiarem komórki i gęstością (2,68-3,30 g/cm3). Karbyn występuje w przyrodzie w postaci mineralnego chaoitu (białe żyłki i wtrącenia w graficie) i jest otrzymywany sztucznie w drodze oksydacyjnej dehydropolikondensacji acetylenu, działania promieniowania laserowego na grafit, z węglowodorów lub CCl 4 w plazmie niskotemperaturowej.
Carbyne to drobnokrystaliczny czarny proszek (gęstość 1,9-2 g/cm3) o właściwościach półprzewodnikowych. Otrzymywany w sztucznych warunkach z długich łańcuchów atomów węgiel, ułożone równolegle do siebie.
Carbyne jest liniowym polimerem węgla. W cząsteczce karbinu atomy węgla są połączone łańcuchami naprzemiennie wiązaniami potrójnymi i pojedynczymi (struktura polienowa) lub trwale wiązaniami podwójnymi (struktura polikumulenowa). Substancję tę po raz pierwszy uzyskali radzieccy chemicy V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin i Yu.P. Kudryavtsev. V Instytut Związków Organicznych Akademii Nauk ZSRR Karabinek ma właściwości półprzewodnikowe, a pod wpływem światła jego przewodność znacznie wzrasta. Pierwsze praktyczne zastosowanie opiera się na tej właściwości - w fotokomórkach.
Fulereny i nanorurki węglowe
Węgiel znany jest także w postaci cząstek klasterowych C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 i tym podobnych (fullereny), a także grafenów i nanorurek.
Węgiel amorficzny
Struktura węgla amorficznego opiera się na nieuporządkowanej strukturze monokrystalicznego (zawsze zawierającego zanieczyszczenia) grafitu. Są to koks, węgle brunatne i czarne, sadza, sadza, węgiel aktywny.
Będąc w naturze
Zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 0,1% masowego. Wolny węgiel występuje w przyrodzie w postaci diamentu i grafitu. Większość węgla występuje w postaci naturalnych węglanów (wapieni i dolomitów), paliw kopalnych - antracytu (94-97% C), węgla brunatnego (64-80% C), węgla bitumicznego (76-95% C), ropy naftowej łupki (56-78% C), ropa naftowa (82-87% C), palne gazy ziemne (do 99% metanu), torf (53-56% C), a także bitumy itp. W atmosferze i hydrosferze występuje w postaci dwutlenku węgla CO 2 , w powietrzu znajduje się 0,046% masowych CO 2, w wodach rzek, mórz i oceanów ~60 razy więcej. Węgiel wchodzi w skład roślin i zwierząt (~18%).
Organizm ludzki dostaje węgiel wraz z pożywieniem (zwykle około 300 g dziennie). Całkowita zawartość węgla w organizmie człowieka sięga około 21% (15 kg na 70 kg masy ciała). Węgiel stanowi 2/3 masy mięśniowej i 1/3 masy kostnej. Wydalany z organizmu głównie przez wydychane powietrze (dwutlenek węgla) i mocz (mocznik)
Cykl węglowy w przyrodzie obejmuje cykl biologiczny, uwalnianie CO 2 do atmosfery podczas spalania paliw kopalnych, z gazów wulkanicznych, gorących źródeł mineralnych, z powierzchniowych warstw wód oceanicznych itp. Cykl biologiczny polega na tym, że że węgiel w postaci CO 2 jest absorbowany z troposfery przez rośliny. Następnie z biosfery wraca ponownie do geosfery: wraz z roślinami węgiel przedostaje się do organizmów zwierząt i ludzi, a następnie, gdy materiały zwierzęce i roślinne gniją, do gleby i w postaci CO 2 do atmosfery.
W stanie pary oraz w postaci związków z azotem i wodorem węgiel występuje w atmosferze Słońca, planet oraz w meteorytach kamiennych i żelaznych.
Większość związków węgla, a przede wszystkim węglowodorów, ma wyraźny charakter związków kowalencyjnych. Siła prostych, podwójnych i potrójnych wiązań atomów C między sobą, zdolność do tworzenia stabilnych łańcuchów i cykli z atomów C decyduje o istnieniu ogromnej liczby związków zawierających węgiel badanych w chemii organicznej.
Właściwości chemiczne
W zwykłych temperaturach węgiel jest chemicznie obojętny, w odpowiednio wysokich temperaturach łączy się z wieloma pierwiastkami i wykazuje silne właściwości redukujące. Aktywność chemiczna różnych form węgla maleje w następującej kolejności: węgiel amorficzny, grafit, diament, w powietrzu zapalają się odpowiednio w temperaturach powyżej 300–500°C, 600–700°C i 850–1000°C.
Stany utlenienia +4, -4, rzadko +2 (CO, węgliki metali), +3 (C2N2, halogenojanki); powinowactwo elektronowe 1,27 eV; Energia jonizacji podczas sekwencyjnego przejścia od C 0 do C 4+ wynosi odpowiednio 11,2604, 24,383, 47,871 i 64,19 eV.
Związki nieorganiczne
Węgiel reaguje z wieloma pierwiastkami, tworząc węgliki.
Produkty spalania to tlenek węgla CO i dwutlenek węgla CO2. Znany jest także niestabilny tlenek C 3 O 2 (temperatura topnienia -111°C, temperatura wrzenia 7°C) i kilka innych tlenków. Grafit i węgiel amorficzny zaczynają reagować odpowiednio z H2 w temperaturze 1200°C i z F2 w temperaturze 900°C.
CO 2 z wodą tworzy słaby kwas węglowy - H 2 CO 3, który tworzy sole - Węglany. Najbardziej rozpowszechnionymi węglanami na Ziemi są wapń (kreda, marmur, kalcyt, wapień i inne minerały) i magnez (dolomit).
Grafit z halogenami, metalami alkalicznymi i innymi substancjami tworzy związki inkluzyjne. Kiedy wyładowanie elektryczne przepływa pomiędzy elektrodami węglowymi w środowisku N2, w wysokich temperaturach tworzy się cyjan, a oddziaływanie węgla z mieszaniną H2 i N2 powoduje powstanie kwasu cyjanowodorowego. W przypadku siarki węgiel wytwarza dwusiarczek węgla, znane są również CS 2, CS i C 3 S 2. Węgiel tworzy węgliki z większością metali, borem i krzemem. W przemyśle istotna jest reakcja węgla z parą wodną: C + H 2 O = CO + H 2 (Zgazowanie paliw stałych). Po podgrzaniu węgiel redukuje tlenki metali do metali, co jest szeroko stosowane w metalurgii.
Związki organiczne
Ze względu na zdolność węgla do tworzenia łańcuchów polimerowych istnieje ogromna klasa związków na bazie węgla, które są znacznie większe niż związki nieorganiczne i które są badane w chemii organicznej. Wśród nich znajdują się najszersze grupy: węglowodory, białka, tłuszcze itp.
Związki węgla stanowią podstawę życia na lądzie, a ich właściwości w dużej mierze determinują zakres warunków, w jakich mogą istnieć te formy życia. Według liczby atomów w żywych komórkach udział węgla wynosi około 25%, a według ułamka masowego około 18%.
Aplikacja
Grafit jest używany w przemyśle ołówkowym. Stosowany jest również jako środek smarny w szczególnie wysokich lub niskich temperaturach.
Diament ze względu na swoją wyjątkową twardość jest niezbędnym materiałem ściernym. Nasadki szlifierskie wierteł są pokryte diamentem. Ponadto szlifowane diamenty są używane jako kamienie szlachetne w biżuterii. Ze względu na swoją rzadkość, wysokie walory dekoracyjne i splot okoliczności historycznych, diament jest niezmiennie najdroższym kamieniem szlachetnym. Wyjątkowo wysoka przewodność cieplna diamentu (do 2000 W/mK) czyni go obiecującym materiałem w technologii półprzewodników jako podłoża dla procesorów. Jednak stosunkowo wysoka cena (około 50 dolarów za gram) i trudność w obróbce diamentu ograniczają jego zastosowanie w tym obszarze.
W farmakologii i medycynie szeroko stosowane są różne związki węgla - pochodne kwasu węglowego i kwasów karboksylowych, różne heterocykle, polimery i inne związki. Zatem karbolen (węgiel aktywny) służy do wchłaniania i usuwania różnych toksyn z organizmu; grafit (w postaci maści) - do leczenia chorób skóry; izotopy węgla radioaktywnego – do badań naukowych (datowanie radiowęglowe).
Węgiel odgrywa ogromną rolę w życiu człowieka. Jego zastosowania są tak różnorodne, jak sam ten wielostronny element.
Węgiel jest podstawą wszystkich substancji organicznych. Każdy żywy organizm składa się głównie z węgla. Węgiel jest podstawą życia. Źródłem węgla dla organizmów żywych jest zazwyczaj CO 2 z atmosfery lub woda. Poprzez fotosyntezę wchodzi do biologicznych łańcuchów pokarmowych, w których żywe organizmy pożerają się nawzajem lub swoje szczątki, pozyskując w ten sposób węgiel do budowy własnych ciał. Cykl biologiczny węgla kończy się albo przez utlenienie i powrót do atmosfery, albo przez zakopanie w postaci węgla lub ropy.
Węgiel w postaci paliw kopalnych: węgla kamiennego i węglowodorów (ropy naftowej, gazu ziemnego) jest jednym z najważniejszych źródeł energii dla ludzkości.
Efekt toksyczny
Węgiel wchodzi w skład aerozoli atmosferycznych, w wyniku czego regionalny klimat może ulec zmianie i może zmniejszyć się liczba dni słonecznych. Węgiel przedostaje się do środowiska w postaci sadzy w spalinach pojazdów, podczas spalania węgla w elektrowniach cieplnych, podczas odkrywkowej eksploatacji węgla, podziemnego zgazowania, produkcji koncentratów węglowych itp. Stężenie węgla nad źródłami spalania wynosi 100-400 µg/m3, w dużych miastach 2, 4-15,9 µg/m3, na terenach wiejskich 0,5-0,8 µg/m3. Wraz z emisją aerozoli gazowych z elektrowni jądrowych (6-15).10 9 Bq/dzień 14 CO 2 przedostaje się do atmosfery.
Wysoka zawartość węgla w aerozolach atmosferycznych prowadzi do zwiększonej zachorowalności populacji, szczególnie na górne drogi oddechowe i płuca. Choroby zawodowe – głównie antrakoza i pyłowe zapalenie oskrzeli. W powietrzu obszaru roboczego MPC, mg/m3: diament 8,0, antracyt i koks 6,0, węgiel 10,0, sadza i pył węglowy 4,0; w powietrzu atmosferycznym maksymalna jednorazowa dawka wynosi 0,15, średnia dobowa 0,05 mg/m3.
Toksyczne działanie 14 C, zawartego w cząsteczkach białek (zwłaszcza w DNA i RNA), jest zdeterminowane efektem radiacyjnym cząstek beta i jąder odrzutu azotu (14 C (β) → 14 N) oraz efektem transmutacji – a zmiana składu chemicznego cząsteczki w wyniku przemiany atomu C na atom N. Dopuszczalne stężenie 14 C w powietrzu obszaru pracy DK A 1,3 Bq/l, w powietrzu atmosferycznym DK B 4,4 Bq/ l, w wodzie 3,0,10 4 Bq/l, maksymalny dopuszczalny pobór przez drogi oddechowe 3,2,10 8 Bq/rok.
Dodatkowe informacje
— Związki węgla
— Datowanie radiowęglowe
— Kwas ortokarboksylowy
Alotropowe formy węgla:
Diament
Grafen
Grafit
Karabin
Lonsdaleit
Nanorurki węglowe
Fulereny
Formy amorficzne:
Sadza
Sadza
Węgiel
Izotopy węgla:
Niestabilny (mniej niż 24 godziny): 8C: węgiel-8, 9C: węgiel-9, 10C: węgiel-10, 11C: węgiel-11
Stabilny: 12C: węgiel-12, 13C: węgiel-13
10–10 000 lat: 14C: węgiel-14
Niestabilny (krócej niż dzień): 15C: węgiel-15, 16C: węgiel-16, 17C: węgiel-17, 18C: węgiel-18, 19C: węgiel-19, 20C: węgiel-20, 21C: węgiel-21, 22C: Węgiel-22
Tabela nuklidów
Węgiel, węgiel, C (6)
Węgiel (angielski Carbon, francuski Carbone, niemiecki Kohlenstoff) w postaci węgla, sadzy i sadzy jest znany ludzkości od niepamiętnych czasów; około 100 tysięcy lat temu, kiedy nasi przodkowie opanowali ogień, na co dzień zajmowali się węglem i sadzą. Prawdopodobnie bardzo wcześnie ludzie zapoznali się z alotropowymi modyfikacjami węgla - diamentu i grafitu, a także węgla kopalnego. Nic dziwnego, że spalanie substancji zawierających węgiel było jednym z pierwszych procesów chemicznych, który zainteresował człowieka. Ponieważ paląca się substancja zniknęła po pochłonięciu przez ogień, spalanie uznano za proces rozkładu substancji i dlatego węgiel (lub węgiel) nie był uważany za pierwiastek. Żywiołem był ogień, zjawisko towarzyszące spalaniu; W starożytnych naukach o żywiołach ogień zwykle pojawia się jako jeden z żywiołów. Na przełomie XVII – XVIII w. Powstała teoria flogistonu wysunięta przez Bechera i Stahla. Teoria ta uwzględniała obecność w każdym ciele palnym specjalnej substancji elementarnej - nieważkiego płynu - flogistonu, który odparowuje w procesie spalania.
Kiedy spala się dużą ilość węgla, pozostaje tylko niewielka ilość popiołu; flogistycy uważali, że węgiel jest prawie czystym flogistonem. To właśnie wyjaśnia w szczególności „flogistyczne” działanie węgla – jego zdolność do odtwarzania metali z „wapna” i rud. Późniejsi flogistycy, Reaumur, Bergman i inni, już zaczęli rozumieć, że węgiel jest substancją elementarną. Jednak „czysty węgiel” jako taki został po raz pierwszy rozpoznany przez Lavoisiera, który badał proces spalania węgla i innych substancji w powietrzu i tlenie. W książce „Method of Chemical Nomenclature” Guitona de Morveau, Lavoisiera, Bertholleta i Fourcroix (1787) zamiast francuskiego „czystego węgla” (charbone pur) pojawiła się nazwa „węgiel” (carbone). Pod tą samą nazwą węgiel pojawia się w „Tabeli ciał prostych” w „Elementary Textbook of Chemistry” Lavoisiera. W 1791 r. angielski chemik Tennant jako pierwszy uzyskał wolny węgiel; przepuścił pary fosforu nad kalcynowaną kredą, w wyniku czego utworzył się fosforan wapnia i węgiel. Od dawna wiadomo, że diament przy mocnym nagrzaniu spala się bez pozostawiania śladów. Już w 1751 roku król Francji Franciszek I zgodził się podarować diamenty i rubiny do eksperymentów ze spalaniem, po czym eksperymenty te stały się nawet modne. Okazało się, że pali się tylko diament, a rubin (tlenek glinu z domieszką chromu) wytrzymuje długotrwałe nagrzewanie w ognisku soczewki zapłonowej bez uszkodzeń. Lavoisier przeprowadził nowy eksperyment ze spalaniem diamentów za pomocą dużej maszyny zapalającej i doszedł do wniosku, że diament to węgiel krystaliczny. Drugi alotrop węgla - grafitu w okresie alchemicznym uznawany był za zmodyfikowany połysk ołowiu i nazywano go plumbago; Dopiero w 1740 roku Pott odkrył brak jakichkolwiek zanieczyszczeń ołowiem w graficie. Scheele badał grafit (1779) i będąc flogistą, uznał go za szczególny rodzaj ciał siarkowych, specjalny węgiel mineralny zawierający związany „kwas powietrzny” (CO2) i dużą ilość flogistonu.
Dwadzieścia lat później Guiton de Morveau zamienił diament w grafit, a następnie w kwas węglowy poprzez ostrożne ogrzewanie.
Międzynarodowa nazwa Carboneum pochodzi od języka łacińskiego. węgiel (węgiel). To słowo ma bardzo starożytne pochodzenie. Porównuje się go do kremu – palić; zwisanie korzeni, cal, rosyjski gar, gal, gol, w sanskrycie sta oznacza gotować, gotować. Słowo „carbo” kojarzone jest także z nazwami węgla w innych językach europejskich (węgiel, węgiel drzewny itp.). Niemiecki Kohlenstoff pochodzi z Kohle – węgiel (staroniemiecki kolo, szwedzki kylla – na ciepło). Staroruskie ugorati lub ugarati (palić, przypalać) ma korzeń gar, czyli góry, z możliwym przejściem na gol; węgiel w języku staroruskim jugal, czyli węgiel tego samego pochodzenia. Słowo diament (Diamante) pochodzi ze starożytnej greki – niezniszczalny, nieustępliwy, twardy, a grafit z greki – piszę.
Na początku XIX wieku. stare słowo węgiel w rosyjskiej literaturze chemicznej zastępowano czasami słowem „węglan” (Scherer, 1807; Severgin, 1815); Od 1824 roku Sołowiew wprowadził nazwę węgiel.
Węgiel (C)– typowy niemetal; w układzie okresowym znajduje się w drugim okresie grupy IV, głównej podgrupy. Numer seryjny 6, Ar = 12,011 amu, ładunek jądrowy +6.Właściwości fizyczne: węgiel tworzy wiele modyfikacji alotropowych: diament- jedna z najtwardszych substancji grafit, węgiel, sadza.
Atom węgla ma 6 elektronów: 1s 2 2s 2 2p 2 . Ostatnie dwa elektrony znajdują się na oddzielnych orbitali p i są niesparowane. W zasadzie para ta mogłaby zajmować ten sam orbital, ale w tym przypadku odpychanie międzyelektronowe znacznie wzrasta. Z tego powodu jeden z nich przyjmuje 2p x, a drugi albo 2p y , lub orbitale 2p z.
Różnica energii podpoziomów s i p warstwy zewnętrznej jest niewielka, więc atom dość łatwo przechodzi w stan wzbudzony, w którym jeden z dwóch elektronów z orbitalu 2s przechodzi do wolnego 2 pocierać. Stan wartościowości pojawia się w konfiguracji 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . To właśnie ten stan atomu węgla jest charakterystyczny dla sieci diamentu – czworościenny układ przestrzenny orbitali hybrydowych, identyczna długość i energia wiązań.
Zjawisko to znane jest jako tzw sp 3 -hybrydyzacja, a powstające funkcje są sp 3 -hybrydowe . Utworzenie czterech wiązań sp 3 zapewnia atomowi węgla stan bardziej stabilny niż trzy r-r- i jedno połączenie s-s. Oprócz hybrydyzacji sp 3, hybrydyzację sp 2 i sp obserwuje się także na atomie węgla . W pierwszym przypadku następuje wzajemne nakładanie się S- i dwie orbitale p. Tworzą się trzy równoważne orbitale hybrydowe sp 2, położone w tej samej płaszczyźnie pod kątem 120° względem siebie. Trzeci orbital p pozostaje niezmieniony i skierowany prostopadle do płaszczyzny sp2.
Podczas hybrydyzacji sp orbitale s i p nakładają się. Pomiędzy dwoma równoważnymi orbitalami hybrydowymi, które powstają, powstaje kąt 180°, podczas gdy dwa orbitale p każdego atomu pozostają niezmienione.
Alotropia węgla. Diament i grafit
W krysztale grafitu atomy węgla są rozmieszczone w równoległych płaszczyznach, zajmując wierzchołki regularnych sześciokątów. Każdy atom węgla jest połączony z trzema sąsiednimi wiązaniami hybrydowymi sp 2. Połączenie płaszczyzn równoległych odbywa się pod wpływem sił van der Waalsa. Wolne orbitale p każdego atomu są skierowane prostopadle do płaszczyzn wiązań kowalencyjnych. Ich nakładanie się wyjaśnia dodatkowe wiązanie π pomiędzy atomami węgla. Zatem od Stan wartościowości, w którym znajdują się atomy węgla w substancji, określa właściwości tej substancji.
Właściwości chemiczne węgla
Najbardziej charakterystyczne stopnie utlenienia to: +4, +2.
W niskich temperaturach węgiel jest obojętny, ale po podgrzaniu jego aktywność wzrasta.
Węgiel jako środek redukujący:
- z tlenem
C 0 + O 2 – t° = CO 2 dwutlenek węgla
przy braku tlenu - niepełne spalanie:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O tlenek węgla
- z fluorem
C + 2F 2 = CF 4
- z parą wodną
C 0 + H 2 O – 1200° = C +2 O + H 2 gaz wodny
- z tlenkami metali. W ten sposób wytapia się metal z rudy.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2
- z kwasami - utleniaczami:
C 0 + 2H 2 SO 4 (stęż.) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (stęż.) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O
- tworzy dwusiarczek węgla z siarką:
C + 2S 2 = CS 2.
Węgiel jako środek utleniający:
- tworzy węgliki z niektórymi metalami
4Al + 3C 0 = Al 4 C 3
Ca + 2C 0 = CaC 2 -4
- z wodorem - metanem (a także ogromną liczbą związków organicznych)
C0 + 2H2 = CH4
— z krzemem tworzy karborund (w temperaturze 2000 °C w piecu elektrycznym):
Znalezienie węgla w przyrodzie
Wolny węgiel występuje w postaci diamentu i grafitu. W postaci związków węgiel występuje w minerałach: kredzie, marmurze, wapieniu – CaCO 3, dolomicie – MgCO 3 *CaCO 3; węglowodory - Mg(HCO 3) 2 i Ca(HCO 3) 2, CO 2 jest częścią powietrza; Węgiel jest głównym składnikiem naturalnych związków organicznych - gazu, ropy, węgla, torfu i jest częścią substancji organicznych, białek, tłuszczów, węglowodanów, aminokwasów tworzących organizmy żywe.
Nieorganiczne związki węgla
Ani jony C 4+, ani C 4- nie powstają w żadnych konwencjonalnych procesach chemicznych: związki węgla zawierają wiązania kowalencyjne o różnej polarności.
Tlenek węgla WSPÓŁ
Tlenek węgla; bezbarwny, bezwonny, słabo rozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych, toksyczny, temperatura wrzenia = -192°C; t mł. = -205°C.
Paragon
1) W przemyśle (w generatorach gazu):
C + O2 = CO2
2) W laboratorium - rozkład termiczny kwasu mrówkowego lub szczawiowego w obecności H 2 SO 4 (stęż.):
HCOOH = H2O + CO
H 2 do 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O
Właściwości chemiczne
W normalnych warunkach CO jest obojętny; po podgrzaniu - środek redukujący; tlenek nie tworzący soli.
1) z tlenem
2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2
2) z tlenkami metali
C +2 O + CuO = Cu + C +4 O 2
3) chlorem (w świetle)
CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (fosgen)
4) reaguje ze stopionymi alkaliami (pod ciśnieniem)
CO + NaOH = HCOONa (mrówczan sodu)
5) tworzy karbonyle z metalami przejściowymi
Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4
Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5
Tlenek węgla (IV) CO2
Dwutlenek węgla, bezbarwny, bezwonny, rozpuszczalność w wodzie - 0,9 V CO 2 rozpuszcza się w 1 V H 2 O (w normalnych warunkach); cięższe niż powietrze; t°pl. = -78,5°C (stały CO 2 nazywany jest „suchym lodem”); nie wspomaga spalania.
Paragon
- Termiczny rozkład soli kwasu węglowego (węglanów). Wypalanie wapienia:
CaCO 3 – t° = CaO + CO 2
- Działanie mocnych kwasów na węglany i wodorowęglany:
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2
NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2
ChemicznynieruchomościWSPÓŁ2
Tlenek kwasowy: Reaguje z zasadowymi tlenkami i zasadami, tworząc sole kwasu węglowego
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3
2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O
NaOH + CO2 = NaHCO3
W podwyższonych temperaturach może wykazywać właściwości utleniające
C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0
Reakcja jakościowa
Zmętnienie wody wapiennej:
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (biały osad) + H 2 O
Znika, gdy CO 2 przepuszcza się przez wodę wapienną przez długi czas, ponieważ nierozpuszczalny węglan wapnia zamienia się w rozpuszczalny wodorowęglan:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2
Kwas węglowy i jegosól
H 2CO3 - Słaby kwas, występuje tylko w roztworze wodnym:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3
Dwuzasadowy:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Sole kwasowe - wodorowęglany, wodorowęglany
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Sole średnie - węglany
Wszystkie właściwości kwasów są charakterystyczne.
Węglany i wodorowęglany mogą się wzajemnie przekształcać:
2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2 NaHCO 3
Węglany metali (z wyjątkiem metali alkalicznych) pod wpływem ogrzewania ulegają dekarboksylacji, tworząc tlenek:
CuCO 3 – t° = CuO + CO 2
Reakcja jakościowa- „wrzenie” pod wpływem mocnego kwasu:
Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2
CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2
Węgliki
Węglik wapnia:
CaO + 3 C = CaC 2 + CO
CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2.
Acetylen wydziela się podczas reakcji węglików cynku, kadmu, lantanu i ceru z wodą:
2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.
Be 2 C i Al 4 C 3 rozkładają się z wodą, tworząc metan:
Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4.
W technologii wykorzystuje się węgliki tytanu TiC, wolfram W 2 C (stopy twarde), krzem SiC (karborund – jako materiał ścierny i materiał na grzejniki).
Cyjanek
otrzymywany przez ogrzewanie sody w atmosferze amoniaku i tlenku węgla:
Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2
Kwas cyjanowodorowy HCN jest ważnym produktem przemysłu chemicznego i jest szeroko stosowany w syntezie organicznej. Jego światowa produkcja sięga 200 tysięcy ton rocznie. Struktura elektronowa anionu cyjankowego jest podobna do tlenku węgla (II); takie cząstki nazywane są izoelektronicznymi:
C = O: [:C = N:] -
Cyjanki (0,1-0,2% roztwór wodny) stosuje się w wydobyciu złota:
2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.
Tworzą się podczas gotowania roztworów cyjanku z siarką lub topiącymi się ciałami stałymi tiocyjaniany:
KCN + S = KSCN.
Po podgrzaniu cyjanków metali o niskiej aktywności otrzymuje się cyjanek: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. Roztwory cyjanku utleniają się do cyjaniany:
2KCN + O2 = 2KOCN.
Kwas cyjanowy występuje w dwóch postaciach:
H-N=C=O; H-O-C = N:
W 1828 roku Friedrich Wöhler (1800-1882) otrzymał mocznik z cyjanianu amonu: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 przez odparowanie roztworu wodnego.
Wydarzenie to jest zwykle uważane za zwycięstwo chemii syntetycznej nad „teorią witalistyczną”.
Istnieje izomer kwasu cyjanowego - wybuchowy kwas
H-O-N=C.
Jego sole (piorminat rtęci Hg(ONC) 2) stosuje się w zapalnikach udarowych.
Synteza mocznik(mocznik):
CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. W temperaturze 130 0 C i 100 atm.
Mocznik jest amidem kwasu węglowego; istnieje też jego „analog azotowy” – guanidyna.
Węglany
Najważniejszymi nieorganicznymi związkami węgla są sole kwasu węglowego (węglany). H 2 CO 3 jest słabym kwasem (K 1 = 1,3 10 -4; K 2 = 5 10 -11). Wspomagacze buforowe węglanowe bilans dwutlenku węgla w atmosferze. Oceany na świecie mają ogromną pojemność buforową, ponieważ są systemem otwartym. Główną reakcją buforową jest równowaga podczas dysocjacji kwasu węglowego:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - .
Kiedy kwasowość spada, następuje dodatkowa absorpcja dwutlenku węgla z atmosfery wraz z utworzeniem kwasu:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .
Wraz ze wzrostem kwasowości skały węglanowe (muszle, kreda i osady wapienne w oceanie) rozpuszczają się; kompensuje to utratę jonów węglowodorowych:
H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —
CaCO 3 (stały) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-
Węglany stałe zamieniają się w rozpuszczalne wodorowęglany. To właśnie ten proces chemicznego rozpuszczania nadmiaru dwutlenku węgla przeciwdziała „efektowi cieplarnianemu” – globalnemu ociepleniu w wyniku absorpcji promieniowania cieplnego z Ziemi przez dwutlenek węgla. Około jedna trzecia światowej produkcji sody (węglanu sodu Na 2 CO 3) wykorzystywana jest do produkcji szkła.
Węgiel znany jest od czasów starożytnych. W 1778 r. K. Scheele podgrzewając grafit saletrą odkrył, że w tym przypadku, podobnie jak przy ogrzewaniu węgla saletrą, wydziela się dwutlenek węgla. Skład chemiczny diamentu ustalono w wyniku doświadczeń A. Lavoisiera (1772) badających spalanie diamentu w powietrzu oraz badań S. Tennanta (1797), który udowodnił, że z równych ilości diamentu i węgla powstają jednakowe ilości dwutlenku węgla podczas utleniania. Węgiel jako pierwiastek chemiczny został rozpoznany dopiero w 1789 roku przez A. Lavoisiera. Na początku XIX wieku. stare słowo węgiel w rosyjskiej literaturze chemicznej zastępowano czasami słowem „węglan” (Scherer, 1807; Severgin, 1815); Od 1824 roku Sołowiew wprowadził nazwę węgiel. Carbon otrzymał swoją łacińską nazwę carbonum od carbo – węgla.
Paragon:
Niecałkowite spalanie metanu: CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O (sadza);
Sucha destylacja drewna, węgla (węgiel drzewny, koks).
Właściwości fizyczne:
Znanych jest kilka krystalicznych modyfikacji węgla: grafit, diament, karbyn, grafen.
Grafit- szaroczarna, nieprzezroczysta, tłusta w dotyku, łuszcząca się, bardzo miękka masa o metalicznym połysku. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem (0,1 Mn/m2 lub 1 kgf/cm2) grafit jest stabilny termodynamicznie. Pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze około 3700°C grafit sublimuje. Węgiel ciekły można otrzymać przy ciśnieniach powyżej 10,5 Mn/m2 (1051 kgf/cm2) i temperaturach powyżej 3700°C. Struktura drobnokrystalicznego grafitu leży u podstaw struktury węgla „amorficznego”, który nie stanowi samodzielnej modyfikacji (koks, sadza, węgiel drzewny). Ogrzanie niektórych odmian węgla „amorficznego” powyżej 1500-1600°C bez dostępu powietrza powoduje ich przemianę w grafit. Właściwości fizyczne węgla „amorficznego” w dużej mierze zależą od rozproszenia cząstek i obecności zanieczyszczeń. Gęstość, pojemność cieplna, przewodność cieplna i przewodność elektryczna węgla „amorficznego” są zawsze wyższe niż grafitu.
Diament- bardzo twarda, krystaliczna substancja. Kryształy mają siatkę sześcienną skupioną na ścianie: a = 3,560. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem diament jest metastabilny. Wyraźną przemianę diamentu w grafit obserwuje się w temperaturach powyżej 1400°C w próżni lub w atmosferze obojętnej.
Karabin uzyskane sztucznie. Jest drobnokrystalicznym czarnym proszkiem (gęstość 1,9 - 2 g/cm3). Zbudowane z długich łańcuchów atomów C ułożonych równolegle do siebie.
Grafen- jednocząsteczkowa warstwa (warstwa o grubości jednej cząsteczki) atomów węgla ściśle upakowanych w dwuwymiarową siatkę w kształcie plastra miodu. Grafen został po raz pierwszy uzyskany i zbadany przez Aleksandra Geima i Konstantina Nowosełowa, który za to odkrycie otrzymał w 2010 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Właściwości chemiczne:
Węgiel jest nieaktywny, na zimno reaguje tylko z F2 (tworząc CF4). Po podgrzaniu reaguje z wieloma niemetalami i substancjami złożonymi, wykazując właściwości redukujące:
CO 2 + C = CO powyżej 900°C
2H 2 O + C = CO 2 + H 2 powyżej 1000°C lub H 2 O + C = CO + H 2 powyżej 1200°C
CuO + C = Cu + CO
HNO 3 + 3C = 3 CO 2 + 4 NO + 2 H 2 O
Słabe właściwości utleniające objawiają się reakcjami z metalami, wodorem
Ca + C = CaC 2 węglik wapnia
Si + C = CSi karborund
CaO + C = CaC2 + CO
Najważniejsze połączenia:
Tlenki CO, CO2
Kwas węglowy H 2 CO 3, węglany wapnia (kreda, marmur, kalcyt, wapień),
Węgliki SaS 2
Materia organiczna np. węglowodory, białka, tłuszcze
Aplikacja:
Grafit jest stosowany w przemyśle ołówkowym, a także jako środek smarny w szczególnie wysokich lub niskich temperaturach. Diament jest używany jako materiał ścierny i kamień szlachetny w biżuterii. Nasadki szlifierskie wierteł są pokryte diamentem. W farmakologii i medycynie stosuje się związki węgla - pochodne kwasu węglowego i kwasów karboksylowych, różne heterocykle, polimery itp. Zatem karbolen (węgiel aktywny) służy do wchłaniania i usuwania różnych toksyn z organizmu; grafit (w postaci maści) - do leczenia chorób skóry; izotopy węgla radioaktywnego - do badań naukowych (datowanie radiowęglowe). Węgiel w postaci paliw kopalnych: węgla kamiennego i węglowodorów (ropy naftowej, gazu ziemnego) jest jednym z najważniejszych źródeł energii dla ludzkości.
Karpenko D.
Uniwersytet Państwowy HF w Tiumeniu 561gr.
Źródła:
Węgiel // Wikipedia. Data aktualizacji: 18.01.2019. Adres URL: https://ru.wikipedia.org/?oldid=97565890 (data dostępu: 02.04.2019).