Carbon (alama ya kemikali - C) ni kipengele cha kemikali cha kikundi cha 4 cha kikundi kikuu cha kipindi cha 2 cha mfumo wa upimaji wa Mendeleev, nambari ya serial 6, molekuli ya atomiki ya mchanganyiko wa asili wa isotopu 12.0107 g/mol.
Katika halijoto ya kawaida, kaboni haipitishi kemikali; kwa joto la juu vya kutosha huchanganyika na vitu vingi na huonyesha sifa dhabiti za kupunguza. Shughuli ya kemikali ya aina tofauti za kaboni hupungua kwa utaratibu ufuatao: kaboni ya amofasi, grafiti, almasi; katika hewa huwaka kwa joto la juu ya 300-500 ° C, 600-700 ° C na 850-1000 ° C.
Isotopu:
Kaboni asilia ina isotopu mbili thabiti - 12C (98.892%) na 13C (1.108%) na isotopu moja ya mionzi 14C (β-emitter, T½ = miaka 5730), iliyojilimbikizia angahewa na sehemu ya juu ya ukoko wa dunia. Inaundwa mara kwa mara katika tabaka za chini za stratosphere kama matokeo ya athari ya neutroni kutoka kwa mionzi ya cosmic kwenye nuclei ya nitrojeni kulingana na majibu: 14N (n, p) 14C, na pia, tangu katikati ya miaka ya 1950, kama mwanadamu. - Bidhaa iliyotengenezwa na mitambo ya nyuklia na kama matokeo ya majaribio ya mabomu ya hidrojeni.
Kuundwa na kuoza kwa 14C ni msingi wa mbinu ya dating ya radiocarbon, ambayo hutumiwa sana katika jiolojia ya Quaternary na archaeology.
Alotropi:
Mizunguko ya elektroni ya atomi ya kaboni inaweza kuwa na jiometri tofauti, kulingana na kiwango cha mseto wa obiti zake za elektroni. Kuna jiometri tatu za msingi za atomi ya kaboni.
Tetrahedral, iliyoundwa kwa kuchanganya p-elektroni s- na tatu (sp3 mseto). Atomu ya kaboni iko katikati ya tetrahedron, iliyounganishwa na vifungo vinne sawa na kaboni au atomi zingine kwenye vipeo vya tetrahedron. Marekebisho ya allotropiki ya kaboni almasi na lonsdaleite yanahusiana na jiometri hii ya atomi ya kaboni. Carbon inaonyesha mseto huo, kwa mfano, katika methane na hidrokaboni nyingine.
Trigonal, iliyoundwa kwa kuchanganya obiti za p-electron moja (sp²-hybridization). Atomu ya kaboni ina vifungo vitatu vya σ sawa vilivyo kwenye ndege moja kwa pembe ya 120 ° kwa kila mmoja. P-obiti isiyohusika katika mseto, iliyo pembeni mwa ndege ya vifungo vya σ, hutumiwa kuunda dhamana ya π na atomi zingine. Jiometri hii ya kaboni ni tabia ya grafiti, phenol, nk.
- digonal, iliyoundwa kwa kuchanganya s- na p-elektroni moja (sp-hybridization). Katika kesi hii, mawingu mawili ya elektroni yameinuliwa kando ya mwelekeo mmoja na inaonekana kama dumbbells za asymmetrical. Elektroni zingine mbili za p hufanya dhamana ya π. Carbon yenye jiometri kama hiyo ya atomiki huunda muundo maalum wa allotropic - carbyne.
Majimbo ya oxidation +4, -4, mara chache +2 (CO, carbides ya chuma), +3 (C2N2, halocyanates); mshikamano wa elektroni 1.27 eV; Nishati ya ionization wakati wa mpito wa mfululizo kutoka C0 hadi C4+ ni 11.2604, 24.383, 47.871 na 64.19 eV, kwa mtiririko huo.
Tabia za kemikali za kaboni
Mwingiliano na fluorine
Carbon ina reactivity ya chini; ya halojeni, humenyuka tu na florini:
C + 2F2 = CF4.
Mwingiliano na oksijeni
Inapokanzwa, humenyuka na oksijeni:
2C + O2 = 2CO,
C + O2 = CO2,
kutengeneza oksidi CO na CO2.
Mwingiliano na mengine yasiyo ya metali
Humenyuka pamoja na salfa:
haiingiliani na nitrojeni na fosforasi.
Humenyuka pamoja na hidrojeni mbele ya kichocheo cha nikeli, na kutengeneza methane:
Mwingiliano na metali
Inaweza kuingiliana na metali, kutengeneza carbides:
Ca + 2C = CaC2.
Mwingiliano na maji
Wakati mvuke wa maji unapitishwa kupitia makaa ya moto, monoksidi kaboni (II) na hidrojeni huundwa:
C + H2O = CO + H2.
Tabia za kurejesha
Carbon ina uwezo wa kupunguza metali nyingi kutoka kwa oksidi zao:
2ZnO + C = 2Zn + CO2.
Asidi za sulfuriki na nitriki zilizokolea, zinapopashwa joto, oksidi kaboni hadi monoksidi kaboni (IV):
C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O.
KABONI, C, kipengele cha kemikali cha kikundi cha IV cha mfumo wa upimaji, uzito wa atomiki 12.00, nambari ya atomiki 6. Hadi hivi karibuni, kaboni ilionekana kuwa haina isotopu; Hivi majuzi tu imewezekana, kwa kutumia njia nyeti sana, kugundua uwepo wa isotopu ya C 13. Carbon ni moja wapo ya vitu muhimu zaidi katika kuenea kwake, idadi na utofauti wa misombo yake, umuhimu wake wa kibaolojia (kama oganojeni), matumizi makubwa ya kiufundi ya kaboni yenyewe na misombo yake (kama malighafi na chanzo cha kaboni). nishati kwa mahitaji ya viwandani na ya nyumbani), na hatimaye, katika suala la jukumu lake katika maendeleo ya sayansi ya kemikali. Carbon katika hali ya bure inaonyesha hali iliyotamkwa ya allotropy, inayojulikana kwa zaidi ya karne moja na nusu, lakini bado haijasomwa kikamilifu, kwa sababu ya ugumu mkubwa wa kupata kaboni katika fomu safi ya kemikali, na kwa sababu sehemu nyingi za marekebisho ya allotropiki ya kaboni hutofautiana sana kulingana na vipengele vya morphological ya muundo wao, imedhamiriwa na njia na masharti ya uzalishaji.
Carbon huunda aina mbili za fuwele - almasi na grafiti na pia inajulikana katika hali ya amorphous kwa namna ya kinachojulikana. makaa ya mawe ya amofasi. Ubinafsi wa mwisho umebishaniwa kama matokeo ya utafiti wa hivi karibuni: makaa ya mawe yaligunduliwa na grafiti, ikizingatiwa zote mbili kama aina za kimofolojia za fomu moja - "kaboni nyeusi", na tofauti katika mali zao zilielezewa na muundo wa mwili na digrii. ya mtawanyiko wa dutu. Hata hivyo, hivi karibuni, ukweli umepatikana kuthibitisha kuwepo kwa makaa ya mawe kama fomu maalum ya allotropic (tazama hapa chini).
Vyanzo vya asili na hifadhi ya kaboni. Kwa upande wa kuenea kwa asili, kaboni inachukua nafasi ya 10 kati ya vipengele, vinavyofanya 0.013% ya angahewa, 0.0025% ya hidrosphere na karibu 0.35% ya jumla ya molekuli ya ukoko wa dunia. Zaidi ya kaboni iko katika mfumo wa misombo ya oksijeni: hewa ya anga ina ~ tani bilioni 800 za kaboni katika mfumo wa CO 2 dioksidi; katika maji ya bahari na bahari - hadi tani bilioni 50,000 za kaboni kwa namna ya CO 2, ioni za asidi ya kaboni na bicarbonates; katika miamba - carbonates zisizo na maji (kalsiamu, magnesiamu na metali nyingine), na sehemu ya CaCO 3 pekee ni akaunti ya ~ 160 · 10 tani bilioni 6 za kaboni. Hifadhi hizi kubwa, hata hivyo, haziwakilishi thamani yoyote ya nishati; thamani zaidi ni vifaa vinavyoweza kuwaka vya kaboni - makaa ya mawe, peat, kisha mafuta, gesi za hidrokaboni na lami nyingine za asili. Hifadhi ya vitu hivi kwenye ukoko wa dunia pia ni muhimu sana: jumla ya wingi wa kaboni katika makaa ya mawe hufikia ~ tani bilioni 6000, katika mafuta ~ tani bilioni 10, nk. Katika hali ya bure, kaboni ni nadra kabisa (almasi na sehemu). ya dutu ya grafiti). Makaa ya kisukuku yana karibu au hayana kaboni bure: yanajumuisha Ch. ar. ya uzito wa juu wa Masi (polycyclic) na misombo imara sana ya kaboni yenye vipengele vingine (H, O, N, S) bado imesoma kidogo sana. Misombo ya kaboni ya asili hai (biolojia ya ulimwengu), iliyoundwa katika seli za mimea na wanyama, inatofautishwa na anuwai ya kipekee ya mali na idadi ya muundo; vitu vya kawaida katika ulimwengu wa mimea - nyuzi na lignin - pia huchukua jukumu kama rasilimali za nishati. Carbon hudumisha usambazaji wa mara kwa mara katika asili shukrani kwa mzunguko unaoendelea, mzunguko ambao unajumuisha mchanganyiko wa vitu vya kikaboni katika seli za mimea na wanyama na ugawanyiko wa kinyume wa vitu hivi wakati wa mtengano wa oxidative (mwako, kuoza, kupumua), kuongoza. kwa malezi ya CO 2, ambayo hutumiwa tena mimea kwa usanisi. Mpango wa jumla wa mzunguko huu unaweza kuwa iliyotolewa katika fomu ifuatayo:
Uzalishaji wa kaboni. Michanganyiko ya kaboni ya asili ya mimea na wanyama haibadiliki kwa joto la juu na, inapokanzwa hadi angalau 150-400 ° C bila upatikanaji wa hewa, hutengana, ikitoa maji na misombo tete ya kaboni na kuacha mabaki magumu yasiyo na tete yenye matajiri katika kaboni na kwa kawaida. inayoitwa makaa ya mawe. Mchakato huu wa pyrolytic unaitwa charring, au kunereka kavu, na hutumiwa sana katika teknolojia. Pyrolysis ya juu ya joto ya makaa ya mafuta, mafuta na peat (kwa joto la 450-1150 ° C) husababisha kutolewa kwa kaboni katika fomu ya grafiti (coke, makaa ya retort). Ya juu ya joto la joto la vifaa vya kuanzia, karibu na makaa ya mawe au coke ni kutoa kaboni ya bure katika muundo na grafiti katika mali.
Makaa ya mawe ya amorphous, yaliyoundwa kwa joto chini ya 800 ° C, hawezi. tunaiona kama kaboni ya bure, kwa sababu ina kiasi kikubwa cha vipengele vingine vilivyofungwa kwa kemikali, Ch. ar. hidrojeni na oksijeni. Kati ya bidhaa za kiufundi, kaboni iliyoamilishwa na masizi ni karibu zaidi katika mali ya kaboni ya amofasi. Makaa ya mawe safi zaidi yanaweza kuwa kupatikana kwa kuchaji sukari safi au piperonal, matibabu maalum ya masizi ya gesi, nk Grafiti ya bandia, iliyopatikana kwa njia ya electrothermal, ni karibu kaboni safi katika muundo. Grafiti ya asili daima huchafuliwa na uchafu wa madini na pia ina kiasi fulani cha hidrojeni (H) na oksijeni (O); katika hali safi kiasi inaweza. kupatikana tu baada ya idadi ya matibabu maalum: uboreshaji wa mitambo, kuosha, matibabu na mawakala wa oxidizing na calcination kwa joto la juu mpaka vitu vyenye tete viondolewa kabisa. Katika teknolojia ya kaboni mtu kamwe hashughulikii na kaboni safi kabisa; Hii inatumika si tu kwa malighafi ya asili ya kaboni, lakini pia kwa bidhaa za uboreshaji wake, uboreshaji na mtengano wa joto (pyrolysis). Ifuatayo ni maudhui ya kaboni ya baadhi ya nyenzo za kaboni (katika%):
Tabia za kimwili za kaboni. Kaboni ya bure karibu haifukiwi kabisa, haina tete, na kwa halijoto ya kawaida haiwezi kuyeyushwa katika vimumunyisho vyovyote vinavyojulikana. Inayeyuka tu katika metali zilizoyeyuka, haswa kwa joto linalokaribia kiwango cha mchemko cha mwisho: katika chuma (hadi 5%), fedha (hadi 6%) | ruthenium (hadi 4%), cobalt, nickel, dhahabu na platinamu. Kwa kukosekana kwa oksijeni, kaboni ndio nyenzo inayostahimili joto zaidi; Hali ya kioevu ya kaboni safi haijulikani, na mabadiliko yake katika mvuke huanza tu kwa joto zaidi ya 3000 ° C. Kwa hiyo, uamuzi wa mali ya kaboni ulifanyika pekee kwa hali imara ya mkusanyiko. Ya marekebisho ya kaboni, almasi ina mali ya kimwili ya mara kwa mara; mali ya grafiti katika sampuli zake mbalimbali (hata safi) hutofautiana kwa kiasi kikubwa; Tabia za makaa ya mawe ya amorphous ni tofauti zaidi. Vipengele muhimu zaidi vya kimwili vya marekebisho mbalimbali ya kaboni vinalinganishwa katika jedwali.
Almasi ni dielectri ya kawaida, wakati grafiti na kaboni zina conductivity ya umeme ya metali. Kwa thamani kamili, conductivity yao inatofautiana juu ya aina mbalimbali sana, lakini kwa makaa ya mawe daima ni ya chini kuliko kwa grafiti; katika grafiti, conductivity ya metali halisi inakaribia. Uwezo wa joto wa marekebisho yote ya kaboni katika halijoto>1000°C huwa na thamani isiyobadilika ya 0.47. Kwa joto la chini ya -180 ° C, uwezo wa joto wa almasi huwa mdogo na kwa -27 ° C huwa sifuri.
Tabia za kemikali za kaboni. Inapokanzwa zaidi ya 1000 ° C, almasi na makaa ya mawe hubadilika polepole kuwa grafiti, ambayo kwa hivyo inapaswa kuzingatiwa kuwa kaboni thabiti zaidi (kwenye joto la juu). Mabadiliko ya makaa ya mawe ya amorphous katika grafiti inaonekana huanza karibu 800 ° C na kumalizika saa 1100 ° C (katika hatua hii ya mwisho, makaa ya mawe hupoteza shughuli zake za adsorption na uwezo wa kuamsha tena, na conductivity yake ya umeme huongezeka kwa kasi, kubaki karibu mara kwa mara katika siku zijazo). Kaboni ya bure ina sifa ya kutokuwa na joto kwa joto la kawaida na shughuli muhimu kwenye joto la juu. Makaa ya mawe ya amofasi ndiyo yanayofanya kazi zaidi kemikali, wakati almasi ndiyo sugu zaidi. Kwa mfano, florini humenyuka ikiwa na makaa ya mawe kwenye joto la 15°C, na grafiti tu kwa 500°C, na almasi katika 700°C. Inapokanzwa hewani, makaa ya mawe huanza kuwa oksidi chini ya 100°C, grafiti karibu 650°C, na almasi zaidi ya 800°C. Katika halijoto ya 300°C na zaidi, makaa ya mawe huchanganyika na salfa na kutengeneza disulfidi kaboni CS 2. Kwa joto zaidi ya 1800 ° C, kaboni (makaa ya mawe) huanza kuingiliana na nitrojeni, na kutengeneza (kwa kiasi kidogo) cyanogen C 2 N 2. Uingiliano wa kaboni na hidrojeni huanza saa 1200 ° C, na katika kiwango cha joto 1200-1500 ° C tu methane CH 4 huundwa; juu ya 1500 ° C - mchanganyiko wa methane, ethylene (C 2 H 4) na asetilini (C 2 H 2); kwa joto la utaratibu wa 3000 ° C karibu tu asetilini hupatikana. Kwa joto la arc ya umeme, kaboni huingia katika mchanganyiko wa moja kwa moja na metali, silicon na boroni, na kutengeneza carbudi zinazofanana. Njia za moja kwa moja au zisizo za moja kwa moja zinaweza. misombo ya kaboni na vipengele vyote vinavyojulikana vilipatikana, isipokuwa gesi za kundi la sifuri. Carbon ni kipengele kisicho na metali ambacho kinaonyesha baadhi ya ishara za amphotericity. Atomi ya kaboni ina kipenyo cha 1.50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) na ina elektroni 4 za valence katika nyanja ya nje, ambayo kwa usawa hutolewa au kuongezwa kwa 8; kwa hiyo, valency ya kawaida ya kaboni, oksijeni na hidrojeni, ni nne. Katika idadi kubwa ya misombo yake, kaboni ni tetravalent; Ni idadi ndogo tu ya misombo ya kaboni divalent (monoxide ya kaboni na asetali zake, isonitriles, asidi fulminate na chumvi zake) na kaboni trivalent (kinachojulikana "radical bure") hujulikana.
Kwa oksijeni, kaboni huunda oksidi mbili za kawaida: dioksidi kaboni ya tindikali CO 2 na monoksidi ya kaboni isiyo na upande. Kwa kuongeza, kuna idadi suboxides kaboni iliyo na zaidi ya atomi 1 C na haina umuhimu wa kiufundi; Kati ya hizi, inayojulikana zaidi ni suboxide ya utungaji C 3 O 2 (gesi yenye kiwango cha kuchemsha cha +7 ° C na kiwango cha kuyeyuka cha -111 ° C). Bidhaa ya kwanza ya mwako wa kaboni na misombo yake ni CO 2, iliyoundwa kulingana na equation:
C+O 2 = CO 2 +97600 cal.
Uundaji wa CO wakati wa mwako usio kamili wa mafuta ni matokeo ya mchakato wa kupunguza sekondari; Wakala wa kupunguza katika kesi hii ni kaboni yenyewe, ambayo kwa joto zaidi ya 450 ° C humenyuka na CO 2 kulingana na equation:
CO 2 +C = 2СО -38800 cal;
majibu haya yanaweza kutenduliwa; juu ya 950 ° C, ubadilishaji wa CO 2 kuwa CO unakuwa karibu kukamilika, ambao unafanywa katika tanuu zinazozalisha gesi. Nguvu ya kupunguza uwezo wa kaboni kwenye joto la juu pia hutumiwa katika uzalishaji wa gesi ya maji (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) na katika michakato ya metallurgiska kupata chuma cha bure kutoka kwa oksidi yake. Aina za allotropiki za kaboni huguswa tofauti na hatua ya baadhi ya mawakala wa vioksidishaji: kwa mfano, mchanganyiko wa KCIO 3 + HNO 3 hauna athari kwa almasi hata kidogo, makaa ya mawe ya amofasi hutiwa oksidi kabisa ndani ya CO 2, wakati grafiti hutoa misombo ya kunukia - asidi ya grafiti. kwa fomula ya majaribio (C 2 OH) x kuendelea asidi ya mellitiki C 6 (COOH) 6 . Mchanganyiko wa kaboni na hidrojeni - hidrokaboni - ni nyingi sana; kutoka kwao, misombo mingine mingi ya kikaboni hutolewa kwa vinasaba, ambayo, pamoja na kaboni, mara nyingi hujumuisha H, O, N, S na halojeni.
Tofauti ya kipekee ya misombo ya kikaboni, ambayo hadi milioni 2 inajulikana, inatokana na sifa fulani za kaboni kama kipengele. 1) Carbon ina sifa ya mshikamano dhabiti wa kemikali na vitu vingine vingi, vya metali na visivyo vya metali, kwa sababu ambayo huunda misombo thabiti na zote mbili. Inapounganishwa na vipengele vingine, kaboni ina tabia ndogo sana ya kuunda ioni. Misombo mingi ya kikaboni ni ya aina ya homeopolar na haijitenganishi chini ya hali ya kawaida; Kuvunja vifungo vya intramolecular ndani yao mara nyingi huhitaji matumizi ya kiasi kikubwa cha nishati. Wakati wa kuhukumu nguvu za viunganisho, mtu anapaswa, hata hivyo, kutofautisha; a) nguvu kamili ya dhamana, kipimo cha thermochemically, na b) uwezo wa dhamana kuvunja chini ya ushawishi wa reagents mbalimbali; sifa hizi mbili haziwiani kila wakati. 2) Atomi za kaboni zimeunganishwa kwa urahisi wa kipekee (zisizo za polar), kutengeneza minyororo ya kaboni, iliyofunguliwa au iliyofungwa. Urefu wa minyororo hiyo inaonekana sio chini ya vikwazo vyovyote; Kwa hivyo, molekuli thabiti zilizo na minyororo wazi ya atomi 64 za kaboni zinajulikana. Urefu na ugumu wa minyororo iliyo wazi haiathiri nguvu ya unganisho la viungo vyao na kila mmoja au na vitu vingine. Miongoni mwa minyororo iliyofungwa, pete 6- na 5 zinaundwa kwa urahisi zaidi, ingawa minyororo yenye pete iliyo na atomi 3 hadi 18 ya kaboni inajulikana. Uwezo wa atomi za kaboni kuunganishwa vizuri unaelezea mali maalum ya grafiti na utaratibu wa michakato ya kuchaji; pia inaweka wazi ukweli kwamba kaboni haijulikani kwa namna ya molekuli za diatomic C 2, ambayo inaweza kutarajiwa kwa mlinganisho na vipengele vingine vya mwanga visivyo vya metali (katika fomu ya mvuke, kaboni ina molekuli za monatomic). 3) Kutokana na hali isiyo ya polar ya vifungo, misombo mingi ya kaboni ina inertness ya kemikali si tu nje (upole wa majibu), lakini pia ndani (ugumu wa rearrangements intramolecular). Uwepo wa "upinzani mkubwa" unachanganya sana mabadiliko ya hiari ya fomu zisizo na utulivu kuwa imara, mara nyingi hupunguza kiwango cha mabadiliko hayo hadi sifuri. Matokeo ya hii ni uwezekano wa kutambua idadi kubwa ya fomu za isomeri ambazo ni karibu sawa na joto la kawaida.
Allotropy na muundo wa atomiki wa kaboni . Uchunguzi wa X-ray ulifanya iwezekane kuanzisha kwa uhakika muundo wa atomiki wa almasi na grafiti. Njia hiyo hiyo ya utafiti inatoa mwanga juu ya swali la kuwepo kwa marekebisho ya tatu ya allotropic ya kaboni, ambayo kimsingi ni swali kuhusu amorphousness au fuwele ya makaa ya mawe: ikiwa makaa ya mawe ni malezi ya amorphous, basi hawezi. Haitambuliwi na grafiti wala almasi, lakini lazima izingatiwe kama aina maalum ya kaboni, kama dutu rahisi ya mtu binafsi. Katika almasi, atomi za kaboni zimepangwa kwa namna ambayo kila atomi iko katikati ya tetrahedron, wima ambazo ni atomi 4 zilizo karibu; kila moja ya mwisho kwa upande wake ni katikati ya tetrahedron nyingine sawa; umbali kati ya atomi zilizo karibu ni 1.54 Ᾰ (makali ya mchemraba wa msingi wa kimiani ya fuwele ni 3.55 Ᾰ). Muundo huu ni kompakt zaidi; inafanana na ugumu wa juu, wiani na inertness ya kemikali ya almasi (usambazaji sare wa vikosi vya valence). Uunganisho wa pamoja wa atomi za kaboni kwenye kimiani ya almasi ni sawa na katika molekuli za misombo ya kikaboni ya mfululizo wa mafuta (mfano wa tetrahedral wa kaboni). Katika fuwele za grafiti, atomi za kaboni hupangwa kwa tabaka zenye mnene, zimewekwa 3.35-3.41 Ᾰ kutoka kwa kila mmoja; mwelekeo wa tabaka hizi sanjari na ndege cleavage na sliding ndege wakati deformations mitambo. Katika ndege ya kila safu, atomi huunda gridi ya taifa na seli za hexagonal (makampuni); upande wa hexagon vile ni 1.42-1.45 Ᾰ. Katika tabaka za karibu, hexagons hazilala moja chini ya nyingine: bahati mbaya yao ya wima inarudiwa tu baada ya tabaka 2 katika tatu. Vifungo vitatu vya kila atomi ya kaboni viko kwenye ndege moja, na kutengeneza pembe za 120 °; Kifungo cha 4 kinaelekezwa kwa njia tofauti katika mwelekeo mmoja au mwingine kutoka kwa ndege hadi atomi za tabaka za jirani. Umbali kati ya atomi kwenye safu ni thabiti kabisa, lakini umbali kati ya tabaka za mtu binafsi unaweza kuwa kubadilishwa na mvuto wa nje: kwa mfano, wakati wa kushinikizwa chini ya shinikizo hadi 5000 atm, inapungua hadi 2.9 Ᾰ, na wakati grafiti inakua katika kujilimbikizia HNO 3, inaongezeka hadi 8 Ᾰ. Katika ndege ya safu moja, atomi za kaboni huunganishwa homeopolarly (kama katika minyororo ya hidrokaboni), lakini vifungo kati ya atomi za tabaka za karibu ni badala ya metali katika asili; hii ni dhahiri kutokana na ukweli kwamba conductivity ya umeme ya fuwele za grafiti katika mwelekeo perpendicular kwa tabaka ni ~ mara 100 zaidi kuliko conductivity katika mwelekeo wa safu. Hiyo. grafiti ina mali ya chuma katika mwelekeo mmoja na mali ya yasiyo ya chuma katika nyingine. Mpangilio wa atomi za kaboni katika kila safu ya kimiani ya grafiti ni sawa kabisa na katika molekuli za misombo tata ya kunukia ya nyuklia. Usanidi huu unaelezea vyema anisotropy kali ya grafiti, mipasuko iliyokuzwa ya kipekee, mali ya kuzuia msuguano na uundaji wa misombo ya kunukia wakati wa oxidation yake. Marekebisho ya amofasi ya kaboni nyeusi yanaonekana kama fomu huru (O. Ruff). Kwa ajili yake, kinachowezekana zaidi ni muundo wa seli za povu, usio na utaratibu wowote; kuta za seli hizo huundwa na tabaka za atomi hai kaboni unene wa atomi 3 hivi. Katika mazoezi, dutu hai ya makaa ya mawe kawaida hulala chini ya ganda la atomi za kaboni isiyofanya kazi zilizowekwa kwa karibu, zikielekezwa kwa kijiografia, na hupenyezwa na mijumuisho ya fuwele ndogo sana za grafiti. Pengine hakuna hatua maalum ya mabadiliko ya makaa ya mawe → grafiti: kati ya marekebisho yote mawili kuna mpito unaoendelea, wakati ambapo molekuli iliyojaa kwa nasibu ya C-atomi za makaa ya amofasi hubadilishwa kuwa kimiani ya kioo ya kawaida ya grafiti. Kwa sababu ya mpangilio wao wa nasibu, atomi za kaboni katika makaa ya amofasi huonyesha mshikamano wa juu zaidi wa mabaki, ambao (kulingana na mawazo ya Langmuir kuhusu utambulisho wa nguvu za utangazaji na nguvu za valence) inalingana na utangazaji wa juu na shughuli za kichocheo hivyo tabia ya makaa ya mawe. Atomi za kaboni zinazoelekezwa kwenye kimiani ya kioo hutumia mshikamano wao wote (katika almasi) au sehemu kubwa yake (kwenye grafiti) kwenye kushikamana kwa pande zote; Hii inalingana na kupungua kwa shughuli za kemikali na shughuli za adsorption. Katika almasi, adsorption inawezekana tu juu ya uso wa kioo moja, wakati katika grafiti, valency mabaki inaweza kuonekana kwenye nyuso zote za kila kimiani gorofa (katika "nyufa" kati ya tabaka za atomi), ambayo inathibitishwa na ukweli kwamba grafiti. inaweza kuvimba katika kioevu (HNO 3) na utaratibu wa uoksidishaji wake katika asidi ya grafiti.
Umuhimu wa kiufundi wa kaboni. Kuhusu b. au m. ya kaboni ya bure iliyopatikana wakati wa michakato ya charring na coking, basi matumizi yake katika teknolojia ni msingi wote kemikali yake (inertness, kupunguza uwezo) na mali yake ya kimwili (upinzani joto, conductivity umeme, adsorption uwezo). Kwa hivyo, coke na mkaa, pamoja na matumizi yao ya moja kwa moja ya sehemu kama mafuta yasiyo na moto, hutumiwa kuzalisha mafuta ya gesi (gesi za jenereta); katika metallurgy ya metali za feri na zisizo na feri - kwa kupunguzwa kwa oksidi za chuma (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); katika teknolojia ya kemikali - kama wakala wa kupunguza katika utengenezaji wa sulfidi (Na, Ca, Ba) kutoka kwa sulfati, chumvi za kloridi isiyo na maji (Mg, Al), kutoka kwa oksidi za chuma, katika utengenezaji wa glasi mumunyifu na fosforasi - kama malighafi kwa uzalishaji wa carbudi ya kalsiamu, carborundum na carbides nyingine kaboni disulfide, nk; katika sekta ya ujenzi - kama nyenzo ya kuhami joto. Makaa ya mawe na coke hutumika kama vifaa vya elektroni za tanuu za umeme, bafu za elektroliti na seli za galvanic, kwa ajili ya utengenezaji wa makaa ya arc, rheostats, brashi za kubadilisha, crucibles kuyeyuka, nk, na pia kama pua katika vifaa vya kemikali vya aina ya mnara. Mbali na matumizi hayo hapo juu, mkaa hutumika kuzalisha monoksidi kaboni iliyokolea, chumvi ya sianidi, kwa ajili ya uwekaji saruji wa chuma, hutumika sana kama adsorbent, kama kichocheo cha baadhi ya athari za sintetiki, na hatimaye hujumuishwa katika unga mweusi na vilipuzi vingine. na nyimbo za pyrotechnic.
Uamuzi wa uchambuzi wa kaboni. Carbon imedhamiriwa kwa ubora kwa kuchaji sampuli ya dutu bila ufikiaji wa hewa (ambayo haifai kwa vitu vyote) au, ambayo ni ya kuaminika zaidi, na oxidation yake kamili, kwa mfano, kwa kuhesabu katika mchanganyiko na oksidi ya shaba, na. malezi ya CO 2 inathibitishwa na athari za kawaida. Ili kupima kaboni, sampuli ya dutu hii huchomwa katika anga ya oksijeni; CO 2 inayotokana inachukuliwa na ufumbuzi wa alkali na kuamua kwa uzito au kiasi kwa kutumia mbinu za kawaida za uchambuzi wa kiasi. Njia hii inafaa kwa ajili ya kuamua kaboni si tu katika misombo ya kikaboni na makaa ya kiufundi, lakini pia katika metali.
Kemia ya kikaboni ni kemia ya atomi ya kaboni. Idadi ya misombo ya kikaboni ni makumi ya mara zaidi ya isokaboni, ambayo inaweza kuelezewa tu sifa za atomi ya kaboni :
a) yuko ndani katikati ya mizani ya elektronegativity na kipindi cha pili, kwa hiyo ni faida kwake kutoa yake mwenyewe na kukubali elektroni za watu wengine na kupata malipo mazuri au mabaya;
b) muundo maalum wa shell ya elektroni - hakuna jozi za elektroni na obiti za bure (kuna atomi moja tu iliyo na muundo sawa - hidrojeni, ambayo labda ndiyo sababu kaboni na hidrojeni huunda misombo mingi - hidrokaboni).
Muundo wa elektroniki wa atomi ya kaboni
C – 1s 2 2s 2 2p 2 au 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0
Katika fomu ya picha:
Atomi ya kaboni katika hali ya msisimko ina fomula ifuatayo ya kielektroniki:
*C – 1s 2 2s 1 2p 3 au 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1
Katika mfumo wa seli:
Umbo la s- na p-orbitali
Obiti ya atomiki - eneo la nafasi ambapo elektroni ina uwezekano mkubwa wa kupatikana, na nambari za quantum zinazolingana.
Ni "ramani ya kontua" ya elektroni zenye sura tatu ambamo utendaji wa wimbi huamua uwezekano wa kupata elektroni katika sehemu hiyo maalum ya obiti.
Saizi za jamaa za obiti za atomiki huongezeka kadiri nguvu zao zinavyoongezeka ( nambari kuu ya quantum- n), na sura na mwelekeo wao katika nafasi imedhamiriwa na nambari za quantum l na m. Elektroni katika obiti zina sifa ya nambari ya spin quantum. Kila obiti inaweza kuwa na si zaidi ya elektroni 2 zilizo na mizunguko tofauti.
Wakati wa kutengeneza vifungo na atomi nyingine, atomi ya kaboni hubadilisha shell yake ya elektroni ili vifungo vikali vitengenezwe, na kwa hiyo, nishati nyingi iwezekanavyo hutolewa, na mfumo hupata utulivu mkubwa zaidi.
Kubadilisha shell ya elektroni ya atomi inahitaji nishati, ambayo inalipwa na kuundwa kwa vifungo vyenye nguvu.
Ubadilishaji wa ganda la elektroni (mseto) unaweza kuwa wa aina 3, kulingana na idadi ya atomi ambazo atomi ya kaboni huunda vifungo.
Aina za mseto:
sp 3 - atomi huunda vifungo na atomi 4 za jirani (mseto wa tetrahedral):
Fomula ya kielektroniki ya sp 3 - atomi ya mseto ya kaboni:
*С -1s 2 2(sp 3) 4 katika mfumo wa seli
Pembe ya dhamana kati ya obiti mseto ni ~109°.
Fomula ya stereokemikali ya atomi ya kaboni:
sp 2 - Mseto (hali ya valence)- atomi huunda vifungo na atomi 3 za jirani (mseto wa pembetatu):
Fomula ya kielektroniki ya sp 2 - atomi ya mseto ya kaboni:
*С -1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 kwa namna ya seli
Pembe ya dhamana kati ya obiti mseto ni ~120°.
Fomula ya stereokemikali ya sp 2 - atomi ya mseto ya kaboni:
sp- Mseto (hali ya valence) - atomi huunda vifungo na atomi 2 za jirani (mseto wa mseto):
Njia ya kielektroniki ya sp - atomi ya mseto ya kaboni:
*С -1s 2 2(sp) 2 2p 2 kwa namna ya seli
Pembe ya dhamana kati ya obiti mseto ni ~180°.
Fomula ya stereokemikali:
S-orbital inahusika katika aina zote za mseto, kwa sababu ina nishati ndogo.
Urekebishaji wa wingu la elektroni huruhusu uundaji wa vifungo vikali vinavyowezekana na mwingiliano mdogo wa atomi kwenye molekuli inayosababisha. Ambapo obiti za mseto zinaweza zisifanane, lakini pembe za dhamana zinaweza kuwa tofauti, kwa mfano CH 2 Cl 2 na CCl 4
2. Vifungo vya Covalent katika misombo ya kaboni
Vifungo vya Covalent, mali, mbinu na sababu za malezi - mtaala wa shule.
Acha nikukumbushe tu:
1. Mawasiliano ya Elimu kati ya atomi inaweza kuzingatiwa kama matokeo ya mwingiliano wa obiti zao za atomiki, na kadiri inavyofaa zaidi (kipimo kikubwa cha mwingiliano), ndivyo dhamana inavyokuwa na nguvu.
Kulingana na data iliyohesabiwa, ufanisi wa mwingiliano wa obiti za atomiki S rel huongezeka kama ifuatavyo:
Kwa hivyo, kutumia obiti mseto, kama vile sp 3 orbitali za kaboni, kuunda vifungo vyenye atomi nne za hidrojeni husababisha vifungo vyenye nguvu.
2. Vifungo vya covalent katika misombo ya kaboni huundwa kwa njia mbili:
A)Ikiwa obiti mbili za atomiki zinaingiliana kando ya shoka zao kuu, dhamana inayotokana inaitwa. - dhamana ya σ.
Jiometri. Kwa hivyo, vifungo vinapoundwa na atomi za hidrojeni katika methane, mseto nne sp 3 ~ obiti za atomi ya kaboni hupishana na s-obiti za atomi nne za hidrojeni, na kutengeneza vifungo vinne vya nguvu vinavyofanana vilivyo kwenye pembe ya 109 ° 28" kwa kila moja. nyingine (pembe ya tetrahedral ya kawaida) Muundo sawa wa ulinganifu wa tetrahedral pia hutokea, kwa mfano, wakati wa kuundwa kwa CCl 4; ikiwa atomi zinazounda vifungo na kaboni hazina usawa, kwa mfano katika kesi ya CH 2 C1 2, muundo wa anga utakuwa. hutofautiana kwa kiasi fulani na ulinganifu kabisa, ingawa kimsingi inasalia kuwa tetrahedral.
σ urefu wa dhamana kati ya atomi za kaboni inategemea mseto wa atomi na hupungua wakati wa mpito kutoka sp 3 - mseto hadi sp. Hii inafafanuliwa na ukweli kwamba s orbital iko karibu na kiini kuliko p orbital, kwa hiyo, sehemu yake kubwa katika orbital ya mseto, ni fupi, na kwa hiyo ni mfupi zaidi ya kifungo kilichoundwa.
B) Ikiwa mbili za atomiki uk orbitals ziko sambamba kwa kila mmoja hufanya mwingiliano wa upande juu na chini ya ndege ambapo atomi ziko, basi dhamana inayosababishwa inaitwa. - π (pi) -mawasiliano
Mwingiliano wa baadaye obiti za atomiki hazina ufanisi zaidi kuliko kuingiliana kwenye mhimili mkuu, kwa hivyo π - miunganisho haina nguvu kuliko σ - miunganisho. Hii inaonyeshwa, hasa, kwa ukweli kwamba nishati ya dhamana ya kaboni-kaboni mara mbili ni chini ya mara mbili ya nishati ya dhamana moja. Kwa hivyo, nishati ya dhamana ya C-C katika ethane ni 347 kJ/mol, wakati nishati ya dhamana ya C = C katika ethene ni 598 kJ/mol tu, na si ~ 700 kJ/mol.
Kiwango cha mwingiliano wa kando wa obiti mbili za atomiki za 2p , na kwa hiyo nguvu π - vifungo ni vya juu zaidi ikiwa kuna atomi mbili za kaboni na nne zimeunganishwa kwao atomi ziko madhubuti katika ndege moja, yaani kama wao coplanar , kwani katika kesi hii tu obiti za atomiki 2p zinalingana kabisa na kwa hivyo zinaweza kuingiliana kwa kiwango cha juu. Mkengeuko wowote kutoka kwa hali ya coplanar kwa sababu ya kuzunguka σ - dhamana inayounganisha atomi mbili za kaboni itasababisha kupungua kwa kiwango cha mwingiliano na, ipasavyo, kupungua kwa nguvu. π -bond, ambayo hivyo husaidia kudumisha usawa wa molekuli.
Mzunguko karibu na dhamana ya kaboni-kaboni mara mbili haiwezekani.
Usambazaji π -elektroni juu na chini ya ndege ya molekuli ina maana kuwepo maeneo ya malipo hasi, tayari kuingiliana na vitendanishi vyovyote visivyo na elektroni.
Atomi za oksijeni, nitrojeni, n.k. pia zina hali tofauti za valence (mseto), na jozi zao za elektroni zinaweza kuwa katika mseto na p-orbitali.
Carbon katika jedwali la mara kwa mara la vipengele iko katika kipindi cha pili katika kundi la IVA. Usanidi wa kielektroniki wa atomi ya kaboni ls 2 2s 2 2p 2 . Inaposisimka, hali ya kielektroniki hupatikana kwa urahisi ambapo kuna elektroni nne ambazo hazijaoanishwa katika obiti nne za nje za atomiki:
Hii inaelezea kwa nini kaboni katika misombo kawaida ni tetravalent. Usawa wa idadi ya elektroni za valence kwenye atomi ya kaboni kwa idadi ya obiti za valence, na vile vile uwiano wa kipekee wa malipo ya kiini na radius ya atomi, huipa uwezo wa kushikamana kwa urahisi na kuacha elektroni. , kulingana na mali ya mpenzi (Kifungu cha 9.3.1). Kama matokeo, kaboni ina sifa ya majimbo anuwai ya oksidi kutoka -4 hadi +4 na urahisi wa mseto wa obiti zake za atomiki kulingana na aina. sp 3, sp 2 Na sp 1 wakati wa kuunda vifungo vya kemikali (sehemu ya 2.1.3):
Yote hii inatoa kaboni fursa ya kuunda vifungo moja, mbili na tatu sio tu kwa kila mmoja, bali pia na atomi za vipengele vingine vya organogenic. Molekuli zilizoundwa katika kesi hii zinaweza kuwa na muundo wa mstari, matawi au mzunguko.
Kwa sababu ya uhamaji wa elektroni za kawaida -MO zinazoundwa na ushiriki wa atomi za kaboni, huhamishwa kuelekea atomi ya kipengele cha elektroni zaidi (athari ya kufata), ambayo husababisha polarity ya sio dhamana hii tu, bali pia molekuli kama atomi. mzima. Hata hivyo, kaboni, kutokana na thamani ya wastani ya electronegativity (0E0 = 2.5), huunda vifungo vya polar dhaifu na atomi za vipengele vingine vya organogenic (Jedwali 12.1). Iwapo kuna mifumo ya vifungo vilivyounganishwa katika molekuli (Sehemu ya 2.1.3), uondoaji wa elektroni za simu (MO) na jozi za elektroni pekee hutokea kwa usawazishaji wa wiani wa elektroni na urefu wa dhamana katika mifumo hii.
Kutoka kwa mtazamo wa reactivity ya misombo, polarizability ya vifungo ina jukumu muhimu (Sehemu ya 2.1.3). Uwezekano mkubwa zaidi wa dhamana, juu ya utendakazi wake wa juu. Utegemezi wa polarizability ya vifungo vyenye kaboni kwenye asili yao inaonekana katika mfululizo ufuatao:
Takwimu zote zinazozingatiwa juu ya mali ya vifungo vyenye kaboni zinaonyesha kuwa kaboni katika fomu za misombo, kwa upande mmoja, vifungo vya ushirikiano vyenye nguvu kwa kila mmoja na kwa viungo vingine, na kwa upande mwingine, jozi za elektroni za kawaida za vifungo hivi ni. labile kabisa. Matokeo yake, ongezeko la reactivity ya vifungo hivi na uimarishaji vinaweza kutokea. Ni sifa hizi za misombo iliyo na kaboni ambayo hufanya kaboni kuwa oganojeni nambari moja.
Asidi-msingi mali ya misombo ya kaboni. Monoxide ya kaboni (4) ni oksidi ya asidi, na hidroksidi yake sambamba - asidi ya kaboni H2CO3 - ni asidi dhaifu. Molekuli ya kaboni monoksidi(4) si ya polar, na kwa hiyo haina mumunyifu katika maji (0.03 mol/l kwa 298 K). Katika kesi hii, kwanza, hydrate CO2 H2O huundwa katika suluhisho, ambayo CO2 iko kwenye cavity ya mshirika wa molekuli za maji, na kisha hydrate hii polepole na inageuka kuwa H2CO3. Mengi ya monoksidi kaboni (4) inayoyeyushwa katika maji iko katika umbo la hidrati.
Katika mwili, katika seli nyekundu za damu, chini ya hatua ya enzyme carboanhydrase, usawa kati ya CO2 hidrati H2O na H2CO3 huanzishwa haraka sana. Hii inatuwezesha kupuuza uwepo wa CO2 kwa namna ya hydrate katika erythrocyte, lakini si katika plasma ya damu, ambapo hakuna anhydrase ya kaboni. H2CO3 inayotokana hutengana chini ya hali ya kisaikolojia na kuwa anion ya hidrocarbonate, na katika mazingira ya alkali zaidi kwa anion ya carbonate:
Asidi ya kaboni inapatikana tu katika suluhisho. Inaunda safu mbili za chumvi - hydrocarbonates (NaHCO3, Ca (HC0 3)2) na carbonates (Na2CO3, CaCO3). Hydrocarbonates ni mumunyifu zaidi katika maji kuliko carbonates. Katika suluhisho la maji, chumvi za asidi ya kaboni, haswa kaboni, hutiwa hidrolisisi kwa urahisi kwenye anion, na kuunda mazingira ya alkali:
Dawa kama vile soda ya kuoka NaHC03; chaki CaCO3, magnesia nyeupe 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O, hidrolisisi kuunda mazingira ya alkali, hutumiwa kama antacids ( neutralizers asidi) ili kupunguza asidi kuongezeka ya juisi ya tumbo:
Mchanganyiko wa asidi ya kaboni na ioni ya bicarbonate (H2CO3, HCO3(-)) huunda mfumo wa buffer ya bicarbonate (sehemu ya 8.5) - mfumo mzuri wa buffer wa plasma ya damu, ambayo inahakikisha pH ya damu mara kwa mara katika pH = 7.40 ± 0.05.
Uwepo wa hidrokaboni za kalsiamu na magnesiamu katika maji ya asili husababisha ugumu wao wa muda. Maji kama hayo yanapochemshwa, ugumu wake huondolewa. Hii hutokea kwa sababu ya hidrolisisi ya anion HCO3(-), mtengano wa joto wa asidi ya kaboniki na kunyesha kwa kani za kalsiamu na magnesiamu katika mfumo wa misombo isiyoyeyuka CaC03 na Mg(OH)2:
Uundaji wa Mg(OH)2 husababishwa na hidrolisisi kamili ya cation ya magnesiamu, ambayo hutokea chini ya hali hizi kutokana na umumunyifu wa chini wa Mg(0H)2 ikilinganishwa na MgC03.
Katika mazoezi ya matibabu na kibaiolojia, pamoja na asidi ya kaboni, mtu anapaswa kukabiliana na asidi nyingine zenye kaboni. Hii kimsingi ni aina kubwa ya asidi tofauti za kikaboni, pamoja na asidi ya hydrocyanic HCN. Kwa upande wa mali ya asidi, nguvu ya asidi hizi ni tofauti:
Tofauti hizi ni kutokana na ushawishi wa pamoja wa atomi katika molekuli, asili ya dhamana ya kutenganisha, na utulivu wa anion, yaani, uwezo wake wa kufuta malipo.
Asidi ya Hydrocyanic, au sianidi ya hidrojeni, HCN - kioevu isiyo na rangi, yenye tete (T kip = 26 °C) na harufu ya mlozi chungu, unaochanganywa na maji kwa uwiano wowote. Katika suluhisho la maji hufanya kama asidi dhaifu sana, ambayo chumvi zake huitwa cyanides. Sianidi za madini ya alkali na alkali huyeyushwa katika maji, lakini huyeyuka kwenye anion, ndiyo sababu miyeyusho yake ya maji ina harufu kama asidi ya hydrocyanic (harufu ya mlozi chungu) na ina pH> 12:
Kwa kufichuliwa kwa muda mrefu kwa CO2 iliyomo hewani, sianidi hutengana na kutoa asidi hidrosianiki:
Kutokana na mmenyuko huu, cyanide ya potasiamu (cyanide ya potasiamu) na ufumbuzi wake hupoteza sumu yao wakati wa kuhifadhi muda mrefu. Cyanide anion ni mojawapo ya sumu za isokaboni zenye nguvu zaidi, kwa kuwa ni ligand hai na huunda kwa urahisi misombo changamano thabiti yenye vimeng'enya vyenye Fe 3+ na Cu2(+) kama ayoni changamano (Sect. 10.4).
Tabia za Redox. Kwa kuwa kaboni katika misombo inaweza kuonyesha hali yoyote ya oxidation kutoka -4 hadi +4, wakati wa mmenyuko kaboni ya bure inaweza kutoa na kupata elektroni, ikifanya kama wakala wa kupunguza au wakala wa oksidi, kwa mtiririko huo, kulingana na mali ya reagent ya pili:
Wakati mawakala wa vioksidishaji vikali huingiliana na vitu vya kikaboni, oxidation isiyo kamili au kamili ya atomi za kaboni za misombo hii inaweza kutokea.
Chini ya hali ya oxidation ya anaerobic na ukosefu au kutokuwepo kwa oksijeni, atomi za kaboni za kiwanja cha kikaboni, kulingana na maudhui ya atomi za oksijeni katika misombo hii na hali ya nje, inaweza kugeuka kuwa C0 2, CO, C na hata CH 4, na nyingine. oganojeni hubadilika kuwa H2O, NH3 na H2S.
Katika mwili, oxidation kamili ya misombo ya kikaboni na oksijeni mbele ya enzymes ya oxidase (oxidation ya aerobic) inaelezewa na equation:
Kutoka kwa milinganyo iliyotolewa ya athari za oxidation ni wazi kwamba katika misombo ya kikaboni tu atomi za kaboni hubadilisha hali ya oxidation, wakati atomi za organogens nyingine huhifadhi hali yao ya oxidation.
Wakati wa athari za hidrojeni, yaani, kuongezwa kwa hidrojeni (wakala wa kupunguza) kwa dhamana nyingi, atomi za kaboni zinazounda hupunguza hali yao ya oxidation (hufanya kama mawakala wa vioksidishaji):
Miitikio ya kikaboni badala ya kuibuka kwa dhamana mpya ya kati ya kaboni, kwa mfano katika mmenyuko wa Wurtz, pia ni miitikio ya redoksi ambapo atomi za kaboni hufanya kama vioksidishaji na atomi za chuma hufanya kama mawakala wa kupunguza:
Jambo kama hilo linazingatiwa katika athari za malezi ya misombo ya organometallic:
Wakati huo huo, katika athari za alkylation na kuibuka kwa dhamana mpya ya kati ya kaboni, jukumu la kioksidishaji na kipunguzaji linachezwa na atomi za kaboni za substrate na reagent, mtawaliwa:
Kama matokeo ya athari ya kuongezwa kwa reajenti ya polar kwenye substrate kupitia dhamana ya kati ya kaboni nyingi, moja ya atomi za kaboni hupunguza hali ya oxidation, kuonyesha mali ya wakala wa oksidi, na nyingine huongeza kiwango cha oxidation, ikifanya kama wakala wa kupunguza:
Katika matukio haya, mmenyuko wa intramolecular oxidation-kupunguza atomi za kaboni ya substrate hufanyika, yaani, mchakato uharibifu, chini ya ushawishi wa reagent ambayo haionyeshi mali ya redox.
Athari za kawaida za mabadiliko ya ndani ya molekuli ya misombo ya kikaboni kwa sababu ya atomi zao za kaboni ni athari ya decarboxylation ya amino asidi au asidi ya keto, pamoja na upangaji upya na athari za isomerization ya misombo ya kikaboni, ambayo ilijadiliwa katika sehemu. 9.3. Mifano iliyotolewa ya miitikio ya kikaboni, pamoja na miitikio kutoka Sect. 9.3 zinaonyesha kwa uthabiti kwamba atomi za kaboni katika misombo ya kikaboni zinaweza kuwa mawakala wa vioksidishaji na vinakisishaji.
Atomi ya kaboni katika kiwanja- wakala wa oksidi, ikiwa kama matokeo ya mmenyuko idadi ya vifungo vyake na atomi za vitu vidogo vya elektroni (hidrojeni, metali) huongezeka, kwa sababu kwa kuvutia elektroni za kawaida za vifungo hivi kwa yenyewe, atomi ya kaboni inayohusika inapunguza oxidation yake. jimbo.
Atomi ya kaboni katika kiwanja- wakala wa kupunguza, ikiwa kama matokeo ya mmenyuko idadi ya vifungo vyake na atomi za vitu vya elektroni huongezeka.(C, O, N, S), kwa sababu kwa kusukuma mbali elektroni zilizoshirikiwa za vifungo hivi, atomi ya kaboni inayohusika huongeza hali yake ya oxidation.
Kwa hivyo, athari nyingi katika kemia ya kikaboni, kwa sababu ya uwili wa redox ya atomi za kaboni, ni redox. Hata hivyo, tofauti na miitikio sawa katika kemia isokaboni, ugawaji upya wa elektroni kati ya wakala wa vioksidishaji na wakala wa kupunguza katika misombo ya kikaboni unaweza tu kuambatana na uhamishaji wa jozi ya kawaida ya elektroni ya dhamana ya kemikali kwa atomi inayofanya kazi kama wakala wa vioksidishaji. Katika kesi hii, uunganisho huu unaweza kuhifadhiwa, lakini katika hali ya polarization yenye nguvu inaweza kuvunjika.
Tabia ngumu za misombo ya kaboni. Atomu ya kaboni katika misombo haina jozi za elektroni pekee, na kwa hiyo ni misombo ya kaboni iliyo na vifungo vingi na ushiriki wake inaweza kufanya kama ligandi. Hasa zinazofanya kazi katika michakato changamano ya malezi ni elektroni za dhamana ya polar tatu ya monoksidi kaboni (2) na anion ya asidi hidrosiani.
Katika molekuli ya monoksidi kaboni (2), atomi za kaboni na oksijeni huunda dhamana moja na moja kwa sababu ya mwingiliano wa pande zote mbili za obiti zao za 2p-atomiki kulingana na utaratibu wa kubadilishana. Kifungo cha tatu, yaani, kifungo kingine, kinaundwa kulingana na utaratibu wa wafadhili wa kukubali. Kipokeaji ni obiti ya atomiki ya 2p ya bure ya atomi ya kaboni, na mtoaji ni atomi ya oksijeni, ambayo hutoa jozi moja ya elektroni kutoka kwa obiti ya 2p:
Uwiano wa dhamana ulioongezeka huipatia molekuli hii uthabiti wa hali ya juu na ajizi chini ya hali ya kawaida katika suala la msingi wa asidi (CO ni oksidi isiyotengeneza chumvi) na sifa za redoksi (CO ni wakala wa kupunguza T > 1000 K). Wakati huo huo, huifanya kuwa ligand inayofanya kazi katika athari za ugumu na atomi na cations ya d-metali, haswa na chuma, ambayo huunda chuma pentacarbonyl, kioevu chenye sumu.
Uwezo wa kuunda misombo ngumu na cations ya d-metali ndio sababu ya sumu ya monoksidi kaboni (H) kwa mifumo hai (Sehemu. 10.4) kwa sababu ya kutokea kwa athari zinazoweza kubadilishwa na hemoglobin na oksihimoglobini iliyo na cation ya Fe 2+, na malezi ya carboxyhemoglobin:
Usawa huu hubadilishwa kuelekea kuundwa kwa carboxyhemoglobin ННbСО, ambayo utulivu ni mara 210 zaidi kuliko ile ya oxyhemoglobin ННbО2. Hii inasababisha mkusanyiko wa carboxyhemoglobin katika damu na, kwa hiyo, kupungua kwa uwezo wake wa kubeba oksijeni.
Anion ya asidi ya hydrocyanic CN- pia ina elektroni zinazoweza polariza kwa urahisi, ndiyo sababu inaunda kwa ufanisi complexes na d-metali, ikiwa ni pamoja na metali za maisha ambazo ni sehemu ya enzymes. Kwa hiyo, sianidi ni misombo yenye sumu kali (Sehemu ya 10.4).
Mzunguko wa kaboni katika asili. Mzunguko wa kaboni katika asili unategemea hasa athari za oxidation na kupunguzwa kwa kaboni (Mchoro 12.3).
Mimea huchukua (1) monoksidi kaboni (4) kutoka angahewa na hidrosphere. Sehemu ya wingi wa mmea hutumiwa (2) na wanadamu na wanyama. Kupumua kwa wanyama na kuoza kwa mabaki yao (3), pamoja na kupumua kwa mimea, kuoza kwa mimea iliyokufa na kuungua kwa kuni (4) kurejesha CO2 kwenye angahewa na haidrosphere. Mchakato wa madini ya mabaki ya mimea (5) na wanyama (6) na malezi ya peat, makaa ya mawe, mafuta, gesi husababisha mpito wa kaboni kuwa rasilimali asili. Miitikio ya msingi wa asidi (7) hufanya kazi katika mwelekeo huo huo, hutokea kati ya CO2 na miamba mbalimbali na kuunda kabonati (kati, tindikali na msingi):
Sehemu hii isiyo ya kawaida ya mzunguko husababisha upotezaji wa CO2 katika angahewa na haidrosphere. Shughuli ya binadamu katika mwako na usindikaji wa makaa ya mawe, mafuta, gesi (8), kuni (4), kinyume chake, huimarisha mazingira na monoksidi kaboni (4). Kwa muda mrefu kulikuwa na imani kwamba shukrani kwa photosynthesis, mkusanyiko wa CO2 katika anga unabaki mara kwa mara. Hata hivyo, kwa sasa, ongezeko la maudhui ya CO2 katika anga kutokana na shughuli za binadamu haijalipwa na kupungua kwake kwa asili. Utoaji wa jumla wa CO2 kwenye angahewa unakua kwa kasi kwa 4-5% kwa mwaka. Kwa mujibu wa hesabu, mwaka wa 2000 maudhui ya CO2 katika anga yatafikia takriban 0.04% badala ya 0.03% (1990).
Baada ya kuzingatia mali na sifa za misombo iliyo na kaboni, jukumu la kuongoza la kaboni linapaswa kusisitizwa tena
Mchele. 12.3. Mzunguko wa kaboni ndani asili
Organogen No. 1: kwanza, atomi za kaboni huunda mifupa ya molekuli za misombo ya kikaboni; pili, atomi za kaboni huchukua jukumu muhimu katika michakato ya redox, kwani kati ya atomi za oganojeni zote, ni kaboni ambayo ina sifa ya uwili wa redox. Kwa habari zaidi kuhusu sifa za misombo ya kikaboni, angalia moduli ya IV "Misingi ya Kemia ya Kibiolojia".
Tabia za jumla na jukumu la kibaolojia la vipengele vya p vya kikundi IVA. Analogi za kielektroniki za kaboni ni vipengele vya kundi la IVA: silicon Si, germanium Ge, bati Sn na risasi Pb (tazama Jedwali 1.2). Radi ya atomi za vipengele hivi kawaida huongezeka kwa kuongezeka kwa idadi ya atomiki, na nishati yao ya uionization na elektronegativity hupungua (Sehemu ya 1.3). Kwa hiyo, vipengele viwili vya kwanza vya kikundi: kaboni na silicon ni ya kawaida yasiyo ya metali, na germanium, bati, na risasi ni metali, kwa kuwa zinajulikana zaidi na upotevu wa elektroni. Katika mfululizo wa Ge - Sn - Pb, mali ya metali huongezeka.
Kutoka kwa mtazamo wa mali ya redox, vipengele C, Si, Ge, Sn na Pb chini ya hali ya kawaida ni imara kabisa kwa heshima ya hewa na maji (metali Sn na Pb - kutokana na kuundwa kwa filamu ya oksidi kwenye uso. ) Wakati huo huo, misombo ya risasi (4) ni vioksidishaji vikali:
Sifa changamano ni sifa kuu zaidi za risasi, kwani kasheni zake za Pb 2+ ni mawakala wa uchanganyaji wenye nguvu ikilinganishwa na miiko ya vipengele vingine vya p ya kikundi IVA. Miunganisho ya risasi huunda tata zenye nguvu na bioligands.
Vipengele vya kikundi cha IVA hutofautiana sana katika yaliyomo kwenye mwili na katika jukumu lao la kibaolojia. Carbon ina jukumu la msingi katika maisha ya mwili, ambapo maudhui yake ni kuhusu 20%. Maudhui ya vipengele vingine vya kikundi IVA katika mwili ni ndani ya 10 -6 -10 -3%. Wakati huo huo, ikiwa silicon na germanium bila shaka zina jukumu muhimu katika maisha ya mwili, basi bati na hasa risasi ni sumu. Kwa hivyo, kwa kuongezeka kwa molekuli ya atomiki ya vipengele vya kikundi IVA, sumu ya misombo yao huongezeka.
Vumbi linalojumuisha chembe za makaa ya mawe au dioksidi ya silicon SiO2, wakati inakabiliwa na mapafu kwa utaratibu, husababisha magonjwa - pneumoconiosis. Katika kesi ya vumbi vya makaa ya mawe, hii ni anthracosis, ugonjwa wa kazi ya wachimbaji. Wakati vumbi lililo na Si02 linapumuliwa, silikosisi hutokea. Utaratibu wa maendeleo ya pneumoconiosis bado haujaanzishwa. Inachukuliwa kuwa kwa mawasiliano ya muda mrefu ya nafaka za mchanga wa silicate na maji ya kibaolojia, asidi ya polysilicic Si02 yH2O huundwa katika hali kama ya gel, utuaji wa ambayo katika seli husababisha kifo chao.
Athari ya sumu ya risasi imejulikana kwa wanadamu kwa muda mrefu sana. Matumizi ya risasi kutengeneza vyombo na mabomba ya maji yalisababisha sumu kubwa ya watu. Hivi sasa, risasi inaendelea kuwa mojawapo ya uchafuzi mkuu wa mazingira, kwani kutolewa kwa misombo ya risasi katika angahewa ni sawa na zaidi ya tani 400,000 kila mwaka. Risasi hujilimbikiza hasa kwenye mifupa katika mfumo wa fosfati isiyoweza kuyeyuka Pb3(PO4)2, na mifupa inapotolewa madini, huwa na athari ya sumu ya mara kwa mara kwenye mwili. Kwa hivyo, risasi imeainishwa kama sumu iliyokusanywa. Sumu ya misombo ya risasi inahusishwa kimsingi na sifa zake za ugumu na mshikamano wa juu kwa bioligand, haswa zile zilizo na vikundi vya sulfhydryl (-SH):
Uundaji wa misombo ngumu ya ioni za risasi na protini, phospholipids na nyukleotidi husababisha kubadilika kwao. Ayoni za risasi mara nyingi huzuia EM 2+ metalloenzymes, na kuhamisha cations za chuma kutoka kwao:
Risasi na misombo yake ni sumu ambayo hufanya kazi hasa kwenye mfumo wa neva, mishipa ya damu na damu. Wakati huo huo, misombo ya risasi huathiri awali ya protini, usawa wa nishati ya seli na vifaa vyao vya maumbile.
Katika dawa, antiseptics zifuatazo za nje hutumiwa kama kutuliza nafsi: acetate ya risasi Pb(CH3COO)2 ZH2O (losheni ya risasi) na risasi (2) oksidi PbO (plasta ya risasi). Ioni za risasi za misombo hii huguswa na protini (albumin) katika saitoplazimu ya seli na tishu za vijidudu, na kutengeneza albinati kama gel. Uundaji wa gel huua microbes na, kwa kuongeza, inafanya kuwa vigumu kwao kupenya ndani ya seli za tishu, ambayo hupunguza majibu ya ndani ya uchochezi.
Taasisi ya elimu ya manispaa "shule ya sekondari ya Nikiforovskaya No. 1"
Carbon na misombo yake kuu ya isokaboni
Insha
Ilikamilishwa na: mwanafunzi wa daraja la 9B
Sidorov Alexander
Mwalimu: Sakharova L.N.
Dmitrievka 2009
Utangulizi
Sura ya I. Yote kuhusu kaboni
1.1. Carbon katika asili
1.2. Marekebisho ya allotropiki ya kaboni
1.3. Tabia za kemikali za kaboni
1.4. Utumiaji wa kaboni
Sura ya II. Misombo ya kaboni isokaboni
Hitimisho
Fasihi
Utangulizi
Carbon (lat. Carboneum) C ni kipengele cha kemikali cha kundi la IV la mfumo wa mara kwa mara wa Mendeleev: nambari ya atomiki 6, molekuli ya atomiki 12.011 (1). Hebu fikiria muundo wa atomi ya kaboni. Ngazi ya nishati ya nje ya atomi ya kaboni ina elektroni nne. Wacha tuionyeshe kwa picha:
Carbon imejulikana tangu nyakati za kale, na jina la mgunduzi wa kipengele hiki haijulikani.
Mwishoni mwa karne ya 17. Wanasayansi wa Florentine Averani na Tardgioni walijaribu kuunganisha almasi kadhaa ndogo kwenye moja kubwa na kuzipasha moto kwa glasi inayowaka kwa kutumia mwanga wa jua. Almasi zilitoweka, zikiwaka hewani. Mnamo 1772, mwanakemia wa Kifaransa A. Lavoisier alionyesha kwamba wakati almasi inawaka, CO 2 huundwa. Mnamo 1797 tu mwanasayansi wa Kiingereza S. Tennant alithibitisha utambulisho wa asili ya grafiti na makaa ya mawe. Baada ya kuchoma kiasi sawa cha makaa ya mawe na almasi, kiasi cha monoxide ya kaboni (IV) kiligeuka kuwa sawa.
Aina mbalimbali za misombo ya kaboni, iliyoelezwa na uwezo wa atomi zake kuchanganya na kila mmoja na atomi za vipengele vingine kwa njia mbalimbali, huamua nafasi maalum ya kaboni kati ya vipengele vingine.
Sura I . Yote kuhusu kaboni
1.1. Carbon katika asili
Carbon hupatikana katika asili, wote katika hali ya bure na kwa namna ya misombo.
Kaboni ya bure hutokea kwa namna ya almasi, grafiti na carbyne.
Almasi ni nadra sana. Almasi kubwa zaidi inayojulikana, Cullinan, ilipatikana mwaka wa 1905 nchini Afrika Kusini, uzito wa 621.2 g na kipimo cha cm 10x6.5x5. Mfuko wa Almasi huko Moscow una nyumba moja ya almasi kubwa na nzuri zaidi duniani - "Orlov" (37.92 g). .
Diamond alipata jina lake kutoka kwa Kigiriki. "adamas" - isiyoweza kushindwa, isiyoweza kuharibika. Amana muhimu zaidi za almasi ziko Afrika Kusini, Brazili, na Yakutia.
Amana kubwa za grafiti ziko Ujerumani, Sri Lanka, Siberia, na Altai.
Madini kuu yaliyo na kaboni ni: magnesite MgCO 3, calcite (chokaa spar, chokaa, marumaru, chaki) CaCO 3, dolomite CaMg(CO 3) 2, nk.
Mafuta yote ya mafuta - mafuta, gesi, peat, makaa ya mawe na makaa ya mawe ya kahawia, shale - hujengwa kwa msingi wa kaboni. Baadhi ya makaa ya kisukuku, yenye hadi 99% C, yanakaribiana katika utungaji na kaboni.
Carbon inachukua 0.1% ya ukoko wa dunia.
Kwa namna ya monoksidi kaboni (IV) CO 2, kaboni huingia kwenye anga. Kiasi kikubwa cha CO 2 kinafutwa katika hydrosphere.
1.2. Marekebisho ya allotropiki ya kaboni
Kaboni ya msingi huunda marekebisho matatu ya allotropiki: almasi, grafiti, carbine.
1. Almasi ni dutu ya fuwele isiyo na rangi na uwazi ambayo huzuia miale ya mwanga kwa nguvu sana. Atomi za kaboni katika almasi ziko katika hali ya mseto wa sp 3. Katika hali ya msisimko, elektroni za valence katika atomi za kaboni zimeunganishwa na elektroni nne ambazo hazijaunganishwa huundwa. Wakati vifungo vya kemikali vinapoundwa, mawingu ya elektroni hupata sura sawa ya vidogo na iko katika nafasi ili shoka zao zielekezwe kwenye wima ya tetrahedron. Wakati sehemu za juu za mawingu haya zinapoingiliana na mawingu ya atomi nyingine za kaboni, vifungo shirikishi hutokea kwa pembe ya 109°28", na sifa ya kimiani ya fuwele ya atomiki ya almasi huundwa.
Kila atomi ya kaboni katika almasi imezungukwa na nyingine nne, ziko kutoka humo kwa mwelekeo kutoka katikati ya tetrahedroni hadi kwenye wima. Umbali kati ya atomi katika tetrahedra ni 0.154 nm. Nguvu ya miunganisho yote ni sawa. Kwa hivyo, atomi katika almasi "zimejaa" sana. Saa 20 ° C, wiani wa almasi ni 3.515 g/cm 3. Hii inaelezea ugumu wake wa kipekee. Diamond ni kondakta mbovu wa umeme.
Mnamo 1961, Umoja wa Kisovyeti ulianza uzalishaji wa viwandani wa almasi ya syntetisk kutoka kwa grafiti.
Katika awali ya viwanda ya almasi, shinikizo la maelfu ya MPa na joto kutoka 1500 hadi 3000 ° C hutumiwa. Mchakato huo unafanywa mbele ya vichocheo, ambavyo vinaweza kuwa baadhi ya metali, kwa mfano Ni. Wingi wa almasi huundwa ni fuwele ndogo na vumbi la almasi.
Inapokanzwa bila ufikiaji wa hewa zaidi ya 1000 ° C, almasi hugeuka kuwa grafiti. Katika 1750 ° C, mabadiliko ya almasi katika grafiti hutokea haraka.
Muundo wa almasi
2. Graphite ni dutu ya fuwele ya kijivu-nyeusi yenye mng'ao wa metali, greasy kwa kugusa, na duni katika ugumu hata kwa karatasi.
Atomi za kaboni katika fuwele za grafiti ziko katika hali ya mseto wa sp 2: kila moja yao huunda vifungo vitatu vya σ covalent na atomi za jirani. Pembe kati ya maelekezo ya dhamana ni 120 °. Matokeo yake ni gridi ya taifa inayoundwa na hexagons za kawaida. Umbali kati ya viini vya karibu vya atomi za kaboni ndani ya safu ni 0.142 nm. Elektroni ya nne katika safu ya nje ya kila atomi ya kaboni katika grafiti inachukua p orbital ambayo haishiriki katika mseto.
Mawingu ya elektroni yasiyo ya mseto ya atomi za kaboni yanaelekezwa kwa usawa kwa ndege ya safu na, yakipishana, huunda vifungo vya σ vilivyotenganishwa. Tabaka za karibu katika kioo cha grafiti ziko umbali wa 0.335 nm kutoka kwa kila mmoja na zimeunganishwa dhaifu kwa kila mmoja, hasa na vikosi vya van der Waals. Kwa hiyo, grafiti ina nguvu ndogo ya mitambo na hugawanyika kwa urahisi katika flakes, ambayo wenyewe ni nguvu sana. Muunganisho kati ya tabaka za atomi za kaboni kwenye grafiti ni asili ya metali. Hii inaelezea ukweli kwamba grafiti hufanya umeme vizuri, lakini sio pamoja na metali.
Muundo wa grafiti
Mali ya kimwili katika grafiti hutofautiana sana katika mwelekeo - perpendicular na sambamba na tabaka za atomi za kaboni.
Inapokanzwa bila ufikiaji wa hewa, grafiti haifanyi mabadiliko yoyote hadi 3700°C. Katika hali ya joto maalum, ni sublimes bila kuyeyuka.
Grafiti ya bandia huzalishwa kutoka kwa darasa bora la makaa ya mawe saa 3000 ° C katika tanuu za umeme bila upatikanaji wa hewa.
Graphite ina uthabiti wa halijoto juu ya anuwai ya halijoto na shinikizo, kwa hivyo inakubalika kama hali ya kawaida ya kaboni. Uzito wa grafiti ni 2.265 g/cm3.
3. Carbin ni unga mweusi laini-fuwele. Katika muundo wake wa kioo, atomi za kaboni huunganishwa kwa kubadilisha vifungo vya moja na tatu katika minyororo ya mstari:
−С≡С−С≡С−С≡С−
Dutu hii ilipatikana kwanza na V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev mwanzoni mwa miaka ya 60 ya karne ya XX.
Baadaye ilionyeshwa kuwa carbyne inaweza kuwepo kwa aina tofauti na ina minyororo ya polyasetilini na polycumulene ambamo atomi za kaboni huunganishwa kwa vifungo viwili:
C=C=C=C=C=C=
Baadaye, carbyne ilipatikana katika asili - katika suala la meteorite.
Carbyne ina sifa ya semiconducting; inapofunuliwa na mwanga, conductivity yake huongezeka sana. Kutokana na kuwepo kwa aina tofauti za vifungo na njia tofauti za kuwekewa minyororo ya atomi za kaboni kwenye kimiani ya kioo, mali ya kimwili ya carbyne inaweza kutofautiana ndani ya mipaka pana. Inapokanzwa bila upatikanaji wa hewa zaidi ya 2000 ° C, carbine ni imara; kwa joto karibu 2300 ° C, mpito wake kwa grafiti huzingatiwa.
Kaboni asilia ina isotopu mbili (98.892%) na (1.108%). Kwa kuongezea, mchanganyiko mdogo wa isotopu ya mionzi, ambayo hutolewa kwa njia ya bandia, ilipatikana angani.
Hapo awali, iliaminika kuwa mkaa, soti na coke ni sawa katika muundo na kaboni safi na hutofautiana katika mali kutoka kwa almasi na grafiti, inayowakilisha marekebisho ya allotropic ya kaboni ("amofasi kaboni"). Hata hivyo, ilibainika kuwa vitu hivi vinajumuisha chembe ndogo za fuwele ambamo atomi za kaboni huunganishwa kwa njia sawa na katika grafiti.
4. Makaa ya mawe - grafiti iliyokatwa vizuri. Inaundwa wakati wa mtengano wa joto wa misombo yenye kaboni bila upatikanaji wa hewa. Makaa ya mawe hutofautiana kwa kiasi kikubwa katika mali kulingana na dutu ambayo hupatikana na njia ya uzalishaji. Daima huwa na uchafu unaoathiri mali zao. Aina muhimu zaidi za makaa ya mawe ni coke, mkaa na masizi.
Coke huzalishwa kwa kupokanzwa makaa ya mawe bila upatikanaji wa hewa.
Mkaa huundwa wakati kuni inapokanzwa bila upatikanaji wa hewa.
Masizi ni unga mzuri sana wa fuwele wa grafiti. Imeundwa na mwako wa hidrokaboni (gesi asilia, asetilini, tapentaini, nk) na ufikiaji mdogo wa hewa.
Kaboni zilizoamilishwa ni viambajengo vinyweleo vya viwandani vinavyojumuisha zaidi kaboni. Adsorption ni ufyonzwaji wa gesi na vitu vilivyoyeyushwa na uso wa vitu vikali. Kaboni zilizoamilishwa hupatikana kutoka kwa mafuta magumu (peat, kahawia na makaa magumu, anthracite), kuni na bidhaa zake zilizochakatwa (mkaa, vumbi la mbao, taka za karatasi), taka za tasnia ya ngozi, na vifaa vya wanyama, kama vile mifupa. Makaa ya mawe, yenye nguvu ya juu ya mitambo, yanazalishwa kutoka kwa shells za nazi na karanga nyingine, na kutoka kwa mbegu za matunda. Muundo wa makaa ya mawe unawakilishwa na pores ya ukubwa wote, hata hivyo, uwezo wa adsorption na kiwango cha adsorption imedhamiriwa na maudhui ya micropores kwa kitengo cha molekuli au kiasi cha granules. Wakati wa kutengeneza kaboni hai, nyenzo za kuanzia kwanza zinakabiliwa na matibabu ya joto bila ufikiaji wa hewa, kama matokeo ambayo unyevu na resini za sehemu huondolewa kutoka kwake. Katika kesi hiyo, muundo mkubwa wa makaa ya mawe huundwa. Ili kupata muundo wa microporous, uanzishaji unafanywa ama kwa oxidation na gesi au mvuke, au kwa matibabu na reagents za kemikali.
1.3. Tabia za kemikali za kaboni
Kwa joto la kawaida, almasi, grafiti, na makaa ya mawe ni ajizi ya kemikali, lakini kwa joto la juu shughuli zao huongezeka. Kama ifuatavyo kutoka kwa muundo wa aina kuu za kaboni, makaa ya mawe humenyuka kwa urahisi zaidi kuliko grafiti na, haswa, almasi. Graphite sio tu tendaji zaidi kuliko almasi, lakini wakati wa kukabiliana na vitu fulani, inaweza kuunda bidhaa ambazo almasi haifanyi.
1. Kama wakala wa kuongeza vioksidishaji, kaboni humenyuka pamoja na metali fulani kwenye joto la juu kuunda CARBIDI:
ZS + 4Al = Al 4 C 3 (carbudi ya alumini).
2. Kwa hidrojeni, makaa ya mawe na grafiti huunda hidrokaboni. Mwakilishi rahisi zaidi - methane CH 4 - inaweza kupatikana mbele ya kichocheo cha Ni kwenye joto la juu (600-1000 ° C):
C + 2H 2 CH 4.
3. Wakati wa kuingiliana na oksijeni, kaboni huonyesha mali ya kupunguza. Kwa mwako kamili wa kaboni ya muundo wowote wa allotropiki, monoksidi ya kaboni (IV) huundwa:
C + O 2 = CO 2.
Mwako usio kamili hutoa monoksidi kaboni (II) CO:
C + O 2 = 2CO.
Athari zote mbili ni za joto.
4. Sifa za kupunguza makaa ya mawe hutamkwa hasa wakati wa kuingiliana na oksidi za chuma (zinki, shaba, risasi, nk), kwa mfano:
C + 2CuO = CO 2 + 2Cu,
C + 2ZnO = CO 2 + 2Zn.
Mchakato muhimu zaidi wa madini - kuyeyusha metali kutoka kwa madini - ni msingi wa athari hizi.
Katika hali nyingine, kwa mfano, wakati wa kuingiliana na oksidi ya kalsiamu, carbides huundwa:
CaO + 3S = CaC 2 + CO.
5. Makaa ya mawe hutiwa oksidi na asidi ya sulfuriki iliyokolea moto na nitriki:
C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O,
3S + 4HNO 3 = 3SO 2 + 4NO + 2H 2 O.
Aina yoyote ya kaboni ni sugu kwa alkali!
1.4. Utumiaji wa kaboni
Almasi hutumiwa kwa usindikaji wa vifaa mbalimbali vya ngumu, kwa kukata, kusaga, kuchimba visima na kuchonga kioo, na kwa kuchimba miamba. Almasi, baada ya kung'olewa na kukatwa, hubadilishwa kuwa almasi inayotumiwa kama vito.
Graphite ni nyenzo muhimu zaidi kwa tasnia ya kisasa. Graphite hutumiwa kufanya molds foundry, crucibles kuyeyuka na bidhaa nyingine refractory. Kwa sababu ya upinzani wake wa juu wa kemikali, grafiti hutumiwa kwa utengenezaji wa bomba na vifaa vilivyowekwa na sahani za grafiti ndani. Kiasi kikubwa cha grafiti hutumiwa katika sekta ya umeme, kwa mfano katika utengenezaji wa electrodes. Graphite hutumiwa kutengeneza penseli na rangi kadhaa, na kama mafuta. Grafiti safi sana hutumiwa katika vinu vya nyuklia hadi neutroni za wastani.
Polima ya kaboni ya mstari, carbyne, inavutia usikivu wa wanasayansi kama nyenzo ya kuahidi kwa utengenezaji wa semiconductors ambazo zinaweza kufanya kazi kwa joto la juu na nyuzi zenye nguvu zaidi.
Mkaa hutumiwa katika sekta ya metallurgiska na katika uhunzi.
Coke hutumiwa kama wakala wa kupunguza katika kuyeyusha metali kutoka ore.
Nyeusi ya kaboni hutumiwa kama kichungi cha mpira ili kuongeza nguvu, ndiyo sababu matairi ya gari ni nyeusi. Masizi pia hutumiwa kama sehemu ya uchapishaji wa wino, wino, na rangi ya viatu.
Kaboni zilizoamilishwa hutumiwa kutakasa, kutoa na kutenganisha vitu mbalimbali. Kaboni zilizoamilishwa hutumiwa kama vichungi katika vinyago vya gesi na kama sorbent katika dawa.
Sura II . Misombo ya kaboni isokaboni
Kaboni huunda oksidi mbili - monoksidi kaboni (II) CO na monoksidi kaboni (IV) CO 2.
Monoksidi kaboni (II) CO ni gesi isiyo na rangi, isiyo na harufu, mumunyifu kidogo katika maji. Inaitwa kaboni monoksidi kwa sababu ni sumu sana. Kuingia ndani ya damu wakati wa kupumua, inachanganya haraka na hemoglobin, na kutengeneza kiwanja kikali cha carboxyhemoglobin, na hivyo kunyima hemoglobin ya uwezo wa kubeba oksijeni.
Ikiwa hewa iliyo na 0.1% ya CO inavutwa, mtu anaweza kupoteza fahamu ghafla na kufa. Monoxide ya kaboni huundwa wakati wa mwako usio kamili wa mafuta, ndiyo sababu kufungwa mapema kwa chimneys ni hatari sana.
Monoxide ya kaboni (II), kama unavyojua tayari, imeainishwa kama oksidi isiyo ya kutengeneza chumvi, kwani, ikiwa ni oksidi isiyo ya chuma, inapaswa kuguswa na alkali na oksidi za msingi kuunda chumvi na maji, lakini hii haizingatiwi. .
2CO + O 2 = 2CO 2.
Monoxide ya kaboni (II) ina uwezo wa kuondoa oksijeni kutoka kwa oksidi za chuma, i.e. Punguza metali kutoka kwa oksidi zao.
Fe 2 O 3 + ZSO = 2Fe + ZSO 2.
Ni mali hii ya oksidi ya kaboni (II) ambayo hutumiwa katika madini wakati wa kuyeyusha chuma cha kutupwa.
Monoxide ya kaboni (IV) CO 2 - inayojulikana kama dioksidi kaboni - ni gesi isiyo na rangi, isiyo na harufu. Ni takriban mara moja na nusu nzito kuliko hewa. Katika hali ya kawaida, kiasi 1 cha dioksidi kaboni hupasuka kwa kiasi 1 cha maji.
Kwa shinikizo la takriban 60 atm, dioksidi kaboni hugeuka kuwa kioevu kisicho na rangi. Wakati dioksidi kaboni ya kioevu inapovukiza, sehemu yake inabadilika kuwa misa dhabiti-kama theluji, ambayo inasisitizwa kwenye tasnia - hii ndio "barafu kavu" unayojua, ambayo hutumiwa kuhifadhi chakula. Tayari unajua kuwa kaboni dioksidi dhabiti ina kimiani ya Masi na ina uwezo wa kusablimisha.
Dioksidi kaboni CO 2 ni oksidi ya kawaida ya asidi: inaingiliana na alkali (kwa mfano, husababisha mawingu katika maji ya chokaa), na oksidi za msingi na maji.
Haichomi na haiunga mkono mwako na kwa hiyo hutumiwa kuzima moto. Hata hivyo, magnesiamu inaendelea kuwaka katika dioksidi kaboni, na kutengeneza oksidi na kutoa kaboni kwa namna ya soti.
CO 2 + 2Mg = 2MgO + C.
Dioksidi kaboni huzalishwa kwa kujibu chumvi za asidi ya kaboni - carbonates na ufumbuzi wa hidrokloriki, nitriki na hata asidi asetiki. Katika maabara, dioksidi kaboni huzalishwa na hatua ya asidi hidrokloriki kwenye chaki au marumaru.
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 0 + C0 2.
Katika tasnia, dioksidi kaboni hutolewa kwa kuchoma chokaa:
CaCO 3 = CaO + C0 2.
Mbali na maombi yaliyotajwa tayari, dioksidi kaboni pia hutumiwa kutengeneza vinywaji vya fizzy na kuzalisha soda.
Wakati monoxide ya kaboni (IV) inafutwa katika maji, asidi ya kaboni H 2 CO 3 huundwa, ambayo ni imara sana na hutengana kwa urahisi katika vipengele vyake vya awali - dioksidi kaboni na maji.
Kama asidi ya dibasic, asidi ya kaboni huunda safu mbili za chumvi: kati - kaboni, kwa mfano CaCO 3, na asidi - hidrokaboni, kwa mfano Ca(HCO 3) 2. Kati ya kabonati, chumvi za potasiamu, sodiamu na amonia tu huyeyuka katika maji. Chumvi za asidi kwa ujumla huyeyuka katika maji.
Wakati kuna ziada ya kaboni dioksidi mbele ya maji, carbonates inaweza kugeuka kuwa bicarbonates. Kwa hivyo, ikiwa kaboni dioksidi inapitishwa kupitia maji ya chokaa, itakuwa ya kwanza kuwa na mawingu kwa sababu ya mvua ya kaboni ya kalsiamu isiyo na maji, lakini kwa kupita zaidi kwa dioksidi kaboni, uwingu hutoweka kama matokeo ya malezi ya bicarbonate ya kalsiamu mumunyifu:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2.
Ni uwepo wa chumvi hii ambayo inaelezea ugumu wa muda wa maji. Kwa nini ya muda? Kwa sababu inapokanzwa, bicarbonate ya kalsiamu mumunyifu inarudi kuwa kaboni isiyoyeyuka:
Ca(HCO 3) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 0 + C0 2.
Mwitikio huu husababisha uundaji wa kiwango kwenye kuta za boilers, bomba la kupokanzwa mvuke na kettle za nyumbani, na kwa asili, kama matokeo ya majibu haya, stalactites za ajabu zinazoning'inia chini huundwa kwenye mapango, ambayo stalagmites hukua kutoka chini.
Chumvi zingine za kalsiamu na magnesiamu, haswa kloridi na salfati, hupa maji ugumu wa kudumu. Ugumu wa mara kwa mara wa maji hauwezi kuondolewa kwa kuchemsha. Unapaswa kutumia carbonate nyingine - soda.
Na 2 CO 3, ambayo hubadilisha ioni hizi za Ca 2+ kuwa mashapo, kwa mfano:
CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaCl.
Soda ya kuoka pia inaweza kutumika kuondoa ugumu wa maji kwa muda.
Kabonati na bicarbonates zinaweza kugunduliwa kwa kutumia ufumbuzi wa asidi: inapofunuliwa na asidi, tabia ya "kuchemsha" huzingatiwa kutokana na kutolewa kwa dioksidi kaboni.
Mmenyuko huu ni mmenyuko wa ubora kwa chumvi za asidi ya kaboni.
Hitimisho
Uhai wote duniani unatokana na kaboni. Kila molekuli ya kiumbe hai hujengwa kwa msingi wa mifupa ya kaboni. Atomi za kaboni huhama mara kwa mara kutoka sehemu moja ya biosphere (ganda nyembamba la Dunia ambapo kuna uhai) hadi nyingine. Kwa kutumia mfano wa mzunguko wa kaboni katika asili, tunaweza kufuatilia mienendo ya maisha kwenye sayari yetu.
Hifadhi kuu za kaboni Duniani ziko katika mfumo wa kaboni dioksidi iliyo kwenye angahewa na kufutwa katika Bahari ya Dunia, ambayo ni, dioksidi kaboni (CO 2). Hebu kwanza tuchunguze molekuli za kaboni dioksidi katika angahewa. Mimea huchukua molekuli hizi, basi, kupitia mchakato wa photosynthesis, atomi ya kaboni inabadilishwa kuwa aina mbalimbali za misombo ya kikaboni na hivyo kuingizwa katika muundo wa mimea. Kuna chaguzi kadhaa hapa chini:
1. Carbon inaweza kubaki kwenye mimea hadi mimea kufa. Kisha molekuli zao zitatumiwa kama chakula cha viozaji (viumbe vinavyokula viumbe hai vilivyokufa na wakati huo huo vinagawanyika katika misombo rahisi ya isokaboni), kama vile kuvu na mchwa. Hatimaye kaboni itarudi kwenye angahewa kama CO2;
2. Mimea inaweza kuliwa na wanyama walao majani. Katika kesi hii, kaboni itarudi kwenye anga (katika mchakato wa kupumua kwa wanyama na wakati wa kuoza baada ya kifo), au wanyama wanaokula mimea wataliwa na wanyama wanaokula nyama (katika hali ambayo kaboni itarudi tena kwenye angahewa. njia sawa);
3. mimea inaweza kufa na kuishia chini ya ardhi. Kisha hatimaye zitageuka kuwa nishati ya mafuta kama vile makaa ya mawe.
Katika kesi ya kufuta molekuli ya asili ya CO 2 katika maji ya bahari, chaguzi kadhaa pia zinawezekana:
Dioksidi ya kaboni inaweza tu kurudi kwenye anga (aina hii ya kubadilishana gesi kati ya Bahari ya Dunia na anga hutokea daima);
Carbon inaweza kuingia kwenye tishu za mimea ya baharini au wanyama. Kisha itajikusanya hatua kwa hatua kwa namna ya mashapo chini ya bahari ya dunia na hatimaye kugeuka kuwa chokaa au kutoka kwenye sediments itapita tena kwenye maji ya bahari.
Ikiwa kaboni imeingizwa kwenye sediments au mafuta ya mafuta, huondolewa kutoka anga. Wakati wote wa uwepo wa Dunia, kaboni iliyoondolewa kwa njia hii ilibadilishwa na dioksidi kaboni iliyotolewa angani wakati wa milipuko ya volkeno na michakato mingine ya jotoardhi. Katika hali ya kisasa, mambo haya ya asili pia huongezewa na uzalishaji kutoka kwa mwako wa binadamu wa mafuta ya mafuta. Kutokana na ushawishi wa CO 2 juu ya athari ya chafu, utafiti wa mzunguko wa kaboni umekuwa kazi muhimu kwa wanasayansi wanaohusika katika utafiti wa anga.
Sehemu ya utafutaji huu ni kubainisha kiasi cha CO 2 kinachopatikana katika tishu za mimea (kwa mfano, katika msitu uliopandwa hivi karibuni) - wanasayansi huita hii shimo la kaboni. Huku serikali zikijaribu kufikia makubaliano ya kimataifa ya kupunguza utoaji wa hewa 2, suala la kusawazisha njia za kaboni na utoaji wa hewa chafu katika nchi moja moja limekuwa mzozo mkubwa kwa nchi zilizoendelea kiviwanda. Hata hivyo, wanasayansi wana shaka kwamba mkusanyiko wa kaboni dioksidi katika angahewa unaweza kusimamishwa na upandaji msitu pekee.
Kaboni huzunguka mara kwa mara katika biolojia ya dunia kwenye njia zilizounganishwa zilizofungwa. Hivi sasa, matokeo ya kuchoma mafuta ya mafuta huongezwa kwa michakato ya asili.
Fasihi:
1. Akhmetov N.S. Kemia daraja la 9: kitabu cha maandishi. kwa elimu ya jumla kitabu cha kiada taasisi. - toleo la 2. - M.: Elimu, 1999. - 175 p.: mgonjwa.
2. Gabrielyan O.S. Kemia daraja la 9: kitabu cha maandishi. kwa elimu ya jumla kitabu cha kiada taasisi. - toleo la 4. - M.: Bustard, 2001. - 224 p.: mgonjwa.
3. Gabrielyan O.S. Kemia darasa la 8-9: mbinu. posho. - toleo la 4. - M.: Bustard, 2001. - 128 p.
4. Eroshin D.P., Shishkin E.A. Njia za kutatua shida katika kemia: kitabu cha maandishi. posho. - M.: Elimu, 1989. - 176 p.: mgonjwa.
5. Kremenchugskaya M. Kemia: Kitabu cha kumbukumbu cha mtoto wa shule. -M.: Philol. Society "NENO": LLC "AST Publishing House", 2001. - 478 p.
6. Kristman V.A. Kusoma kitabu juu ya kemia isokaboni. - M.: Elimu, 1986. - 273 p.