คาร์บอน (สัญลักษณ์ทางเคมี - C) เป็นองค์ประกอบทางเคมีของกลุ่มที่ 4 ของกลุ่มย่อยหลักของคาบที่ 2 ของระบบธาตุเมนเดเลเยฟ หมายเลขซีเรียล 6 มวลอะตอมของส่วนผสมตามธรรมชาติของไอโซโทป 12.0107 กรัม/โมล
ที่อุณหภูมิปกติ คาร์บอนมีความเฉื่อยทางเคมี เมื่ออุณหภูมิสูงเพียงพอ คาร์บอนจะรวมตัวกับองค์ประกอบต่างๆ มากมายและแสดงคุณสมบัติรีดิวซ์ที่รุนแรง กิจกรรมทางเคมีของคาร์บอนในรูปแบบต่างๆ ลดลงตามลำดับต่อไปนี้: คาร์บอนอสัณฐาน, กราไฟท์, เพชร; ในอากาศจะติดไฟที่อุณหภูมิสูงกว่า 300-500 °C, 600-700 °C และ 850-1,000 °C ตามลำดับ
ไอโซโทป:
คาร์บอนธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปเสถียรสองไอโซโทป - 12C (98.892%) และ 13C (1.108%) และไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี 14C (β-emitter, T½ = 5730 ปี) กระจุกตัวอยู่ในชั้นบรรยากาศและส่วนบนของเปลือกโลก มันถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องในชั้นล่างของสตราโตสเฟียร์อันเป็นผลมาจากผลกระทบของนิวตรอนจากรังสีคอสมิกบนนิวเคลียสของไนโตรเจนตามปฏิกิริยา: 14N (n, p) 14C และตั้งแต่กลางทศวรรษ 1950 ในฐานะมนุษย์ -ผลิตจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และเป็นผลจากการทดสอบระเบิดไฮโดรเจน
การก่อตัวและการสลายของ 14C เป็นพื้นฐานของวิธีการหาอายุของคาร์บอนกัมมันตภาพรังสี ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในธรณีวิทยาและโบราณคดีควอเทอร์นารี
การแบ่งส่วน:
ออร์บิทัลของอิเล็กตรอนของอะตอมคาร์บอนอาจมีรูปทรงที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับระดับของการผสมข้ามพันธุ์ของออร์บิทัลของอิเล็กตรอน อะตอมคาร์บอนมีรูปทรงเรขาคณิตพื้นฐานสามประการ
จัตุรมุข เกิดจากการผสมอิเล็กตรอน s หนึ่งตัวกับพีอิเล็กตรอนสามตัว (sp3 hybridization) อะตอมของคาร์บอนตั้งอยู่ที่ศูนย์กลางของจัตุรมุข เชื่อมต่อกันด้วยพันธะ σ ที่เทียบเท่ากันสี่พันธะกับคาร์บอนหรืออะตอมอื่นๆ ที่จุดยอดของจัตุรมุข เพชรดัดแปลง allotropic คาร์บอนและ lonsdaleite สอดคล้องกับเรขาคณิตของอะตอมคาร์บอนนี้ คาร์บอนแสดงการผสมพันธุ์ เช่น มีเทนและไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ
ตรีโกณมิติ เกิดจากการผสมออร์บิทัลของพีอิเล็กตรอน 1 ตัวกับพีอิเล็กตรอน 2 ตัว (sp²-hybridization) อะตอมของคาร์บอนมีพันธะ σ เท่ากันสามพันธะ ซึ่งอยู่ในระนาบเดียวกันที่มุม 120° ซึ่งกันและกัน p-ออร์บิทัลที่ไม่เกี่ยวข้องกับการผสมพันธุ์ซึ่งตั้งฉากกับระนาบของพันธะ σ ถูกใช้เพื่อสร้างพันธะ π กับอะตอมอื่น รูปทรงคาร์บอนนี้เป็นลักษณะของกราไฟท์ ฟีนอล ฯลฯ
- เส้นทแยงมุมเกิดขึ้นจากการผสมหนึ่ง s- และหนึ่ง p-อิเล็กตรอน (sp-hybridization) ในกรณีนี้ เมฆอิเล็กตรอนสองก้อนจะยืดออกไปในทิศทางเดียวและดูเหมือนดัมเบลที่ไม่สมมาตร p อิเล็กตรอนอีกสองตัวสร้างพันธะ π คาร์บอนที่มีรูปทรงอะตอมเช่นนี้ทำให้เกิดการดัดแปลงแบบ allotropic แบบพิเศษ - คาร์ไบน์
สถานะออกซิเดชัน +4, −4, ไม่ค่อยมี +2 (CO, โลหะคาร์ไบด์), +3 (C2N2, ฮาโลไซยาเนต); ความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน 1.27 eV; พลังงานไอออไนเซชันระหว่างการเปลี่ยนลำดับจาก C0 เป็น C4+ คือ 11.2604, 24.383, 47.871 และ 64.19 eV ตามลำดับ
คุณสมบัติทางเคมีของคาร์บอน
ปฏิกิริยากับฟลูออรีน
คาร์บอนมีปฏิกิริยาต่ำ ส่วนฮาโลเจนจะทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนเท่านั้น:
ค + 2F2 = CF4
ปฏิกิริยากับออกซิเจน
เมื่อถูกความร้อนจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจน:
2C + O2 = 2CO,
C + O2 = คาร์บอนไดออกไซด์
เกิดออกไซด์ CO และ CO2
ปฏิกิริยากับอโลหะอื่นๆ
ทำปฏิกิริยากับซัลเฟอร์:
ไม่ทำปฏิกิริยากับไนโตรเจนและฟอสฟอรัส
ทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล ทำให้เกิดมีเทน:
ปฏิสัมพันธ์กับโลหะ
สามารถโต้ตอบกับโลหะเกิดเป็นคาร์ไบด์ได้:
Ca + 2C = CaC2
ปฏิสัมพันธ์กับน้ำ
เมื่อไอน้ำไหลผ่านถ่านหินร้อน จะเกิดคาร์บอนมอนอกไซด์ (II) และไฮโดรเจน:
C + H2O = CO + H2
คุณสมบัติการบูรณะ
คาร์บอนสามารถรีดิวซ์โลหะหลายชนิดจากออกไซด์ได้:
2ZnO + C = 2Zn + CO2
กรดซัลฟิวริกและกรดไนตริกเข้มข้น เมื่อถูกความร้อน จะออกซิไดซ์คาร์บอนเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ (IV):
C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O
คาร์บอน, C, องค์ประกอบทางเคมีของกลุ่ม IV ของระบบธาตุ น้ำหนักอะตอม 12.00 เลขอะตอม 6 จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ คาร์บอนถือว่าไม่มีไอโซโทป เมื่อไม่นานมานี้ เป็นไปได้โดยใช้วิธีการที่ละเอียดอ่อนเป็นพิเศษในการตรวจจับการมีอยู่ของไอโซโทป C 13 คาร์บอนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในแง่ของความชุก จำนวนและความหลากหลายของสารประกอบ ความสำคัญทางชีวภาพ (ในฐานะที่เป็นออร์กาโนเจน) การใช้คาร์บอนในทางเทคนิคอย่างกว้างขวางและสารประกอบของมัน (เป็นวัตถุดิบและเป็นแหล่งที่มาของ พลังงานสำหรับความต้องการทางอุตสาหกรรมและในครัวเรือน) และสุดท้ายในแง่ของบทบาทในการพัฒนาวิทยาศาสตร์เคมี คาร์บอนในสถานะอิสระแสดงปรากฏการณ์การแบ่งส่วนอย่างเด่นชัด ซึ่งเป็นที่รู้จักมานานกว่าศตวรรษครึ่ง แต่ยังไม่ได้รับการศึกษาอย่างถี่ถ้วน ทั้งสองอย่างเนื่องมาจากความยากลำบากอย่างมากในการได้รับคาร์บอนในรูปแบบบริสุทธิ์ทางเคมี และเนื่องจากค่าคงที่ส่วนใหญ่ของ การปรับเปลี่ยนคาร์บอนแบบ allotropic จะแตกต่างกันไปอย่างมากขึ้นอยู่กับลักษณะทางสัณฐานวิทยาของโครงสร้าง ซึ่งกำหนดโดยวิธีและเงื่อนไขการผลิต
คาร์บอนก่อตัวเป็นผลึกสองรูปแบบ - เพชรและกราไฟต์ และยังเป็นที่รู้จักในสถานะอสัณฐานในรูปแบบของสิ่งที่เรียกว่า ถ่านหินอสัณฐาน ความแตกต่างของประการหลังถูกโต้แย้งอันเป็นผลมาจากการวิจัยเมื่อเร็ว ๆ นี้: ถ่านหินถูกระบุด้วยกราไฟท์โดยพิจารณาว่าเป็นพันธุ์ทางสัณฐานวิทยาที่มีรูปแบบเดียวกัน - "คาร์บอนดำ" และความแตกต่างในคุณสมบัติของพวกมันถูกอธิบายโดยโครงสร้างทางกายภาพและระดับ ของการกระจายตัวของสาร อย่างไรก็ตาม เมื่อไม่นานมานี้ ได้รับข้อเท็จจริงที่ยืนยันการมีอยู่ของถ่านหินในรูปแบบ allotropic พิเศษ (ดูด้านล่าง)
แหล่งธรรมชาติและปริมาณคาร์บอน- ในแง่ของความชุกในธรรมชาติ คาร์บอนอยู่ในอันดับที่ 10 ในบรรดาธาตุต่างๆ คิดเป็น 0.013% ของบรรยากาศ 0.0025% ของไฮโดรสเฟียร์ และประมาณ 0.35% ของมวลเปลือกโลกทั้งหมด คาร์บอนส่วนใหญ่อยู่ในรูปของสารประกอบออกซิเจน อากาศในบรรยากาศประกอบด้วยคาร์บอนประมาณ 800 พันล้านตันในรูปของ CO 2 ไดออกไซด์; ในน้ำในมหาสมุทรและทะเล - คาร์บอนมากถึง 50,000 พันล้านตันในรูปของ CO 2 ไอออนของกรดคาร์บอนิกและไบคาร์บอเนต ในหิน - คาร์บอเนตที่ไม่ละลายน้ำ (แคลเซียม แมกนีเซียม และโลหะอื่นๆ) และสัดส่วนของ CaCO 3 เพียงอย่างเดียวคิดเป็นประมาณ ~160·10 หรือ 6 พันล้านตันของคาร์บอน อย่างไรก็ตาม ปริมาณสำรองขนาดมหึมาเหล่านี้ไม่ได้แสดงถึงมูลค่าพลังงานใดๆ สิ่งที่มีค่ามากกว่านั้นคือวัสดุคาร์บอนที่ติดไฟได้ - ถ่านหินฟอสซิล, พีท, น้ำมัน, ก๊าซไฮโดรคาร์บอน และน้ำมันดินธรรมชาติอื่น ๆ ปริมาณสำรองของสารเหล่านี้ในเปลือกโลกก็มีความสำคัญเช่นกัน: มวลรวมของคาร์บอนในถ่านหินฟอสซิลสูงถึง ~ 6,000 พันล้านตันในน้ำมัน ~ 10 พันล้านตัน ฯลฯ ในสถานะอิสระ คาร์บอนค่อนข้างหายาก (เพชรและชิ้นส่วน ของสารกราไฟท์) ถ่านหินฟอสซิลมีคาร์บอนอิสระเกือบหรือไม่มีเลย อ๊าก สารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง (โพลีไซคลิก) และสารประกอบคาร์บอนที่มีความเสถียรสูงกับธาตุอื่นๆ (H, O, N, S) ยังมีการศึกษาน้อยมาก สารประกอบคาร์บอนในธรรมชาติที่มีชีวิต (ชีวมณฑลของโลก) ซึ่งสังเคราะห์ในเซลล์พืชและสัตว์นั้นมีความโดดเด่นด้วยคุณสมบัติและปริมาณองค์ประกอบที่หลากหลายเป็นพิเศษ สารที่พบมากที่สุดในโลกของพืช ได้แก่ ไฟเบอร์และลิกนิน ยังมีบทบาทเป็นแหล่งพลังงานอีกด้วย คาร์บอนรักษาการกระจายตัวอย่างต่อเนื่องในธรรมชาติด้วยวัฏจักรต่อเนื่อง วัฏจักรประกอบด้วยการสังเคราะห์สารอินทรีย์ที่ซับซ้อนในเซลล์พืชและสัตว์ และการแยกตัวแบบย้อนกลับของสารเหล่านี้ระหว่างการสลายตัวแบบออกซิเดชัน (การเผาไหม้ การสลาย การหายใจ) ซึ่งนำไปสู่ ไปจนถึงการก่อตัวของ CO 2 ซึ่งนำพืชกลับมาสังเคราะห์อีกครั้ง รูปแบบทั่วไปของวัฏจักรนี้อาจเป็นได้ นำเสนอในรูปแบบดังต่อไปนี้:
การผลิตคาร์บอน- สารประกอบคาร์บอนจากพืชและสัตว์จะไม่เสถียรที่อุณหภูมิสูง และเมื่อถูกความร้อนอย่างน้อย 150-400°C โดยไม่ต้องเข้าถึงอากาศ จะสลายตัว ปล่อยน้ำและสารประกอบคาร์บอนระเหยง่าย และทิ้งสารตกค้างที่เป็นของแข็งไม่ระเหยซึ่งอุดมไปด้วยคาร์บอนและโดยปกติ เรียกว่าถ่านหิน กระบวนการไพโรไลติกนี้เรียกว่าการเผาถ่านหรือการกลั่นแบบแห้ง และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยี ไพโรไลซิสที่อุณหภูมิสูงของถ่านหินฟอสซิล น้ำมัน และพีท (ที่อุณหภูมิ 450-1150°C) ทำให้เกิดการปลดปล่อยคาร์บอนในรูปกราไฟท์ (โค้ก ถ่านหินรีทอร์ต) ยิ่งอุณหภูมิการไหม้เกรียมของวัสดุตั้งต้นสูงเท่าไร ถ่านหินหรือโค้กที่ได้ก็จะยิ่งปลดปล่อยคาร์บอนในองค์ประกอบและมีคุณสมบัติเป็นกราไฟท์มากขึ้นเท่านั้น
ถ่านหินอสัณฐานที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่า 800°C ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ เราพิจารณาว่าเป็นคาร์บอนอิสระ เนื่องจากมีองค์ประกอบอื่นๆ ที่จับกันทางเคมีจำนวนมาก Ch. อ๊าก ไฮโดรเจนและออกซิเจน ในบรรดาผลิตภัณฑ์ด้านเทคนิค ถ่านกัมมันต์และเขม่ามีคุณสมบัติใกล้เคียงกับคาร์บอนอสัณฐานมากที่สุด ถ่านหินที่บริสุทธิ์ที่สุดอาจเป็น ได้จากการเผาน้ำตาลบริสุทธิ์หรือไพเพอร์รอน, การบำบัดพิเศษของเขม่าก๊าซ ฯลฯ กราไฟท์ประดิษฐ์ที่ได้จากวิธีความร้อนไฟฟ้านั้นมีคาร์บอนเกือบบริสุทธิ์ในองค์ประกอบ กราไฟท์ธรรมชาติมักปนเปื้อนแร่ธาตุเจือปนอยู่เสมอ และยังมีไฮโดรเจน (H) และออกซิเจน (O) ที่จับตัวกันอยู่จำนวนหนึ่งด้วย ในสภาพที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ก็อาจเป็นไปได้ ได้รับหลังจากการบำบัดพิเศษหลายครั้งเท่านั้น: การเพิ่มคุณค่าทางกล, การล้าง, การบำบัดด้วยสารออกซิไดซ์และการเผาที่อุณหภูมิสูงจนกว่าสารระเหยจะถูกกำจัดออกจนหมด ในเทคโนโลยีคาร์บอนไม่เคยเกี่ยวข้องกับคาร์บอนบริสุทธิ์โดยสิ้นเชิง สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ใช้กับวัตถุดิบคาร์บอนธรรมชาติเท่านั้น แต่ยังรวมถึงผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการเสริมสมรรถนะ การอัพเกรด และการสลายตัวด้วยความร้อน (ไพโรไลซิส) ด้านล่างนี้คือปริมาณคาร์บอนของวัสดุคาร์บอนบางชนิด (เป็น %):
คุณสมบัติทางกายภาพของคาร์บอน- คาร์บอนอิสระแทบจะละลายได้อย่างสมบูรณ์ ไม่ระเหย และที่อุณหภูมิปกติจะไม่ละลายในตัวทำละลายใดๆ ที่รู้จัก มันละลายในโลหะหลอมเหลวบางชนิดเท่านั้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิใกล้จุดเดือดของโลหะชนิดหลัง: ในเหล็ก (มากถึง 5%), เงิน (มากถึง 6%) | รูทีเนียม (มากถึง 4%), โคบอลต์, นิกเกิล, ทองและแพลตตินัม ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน คาร์บอนจึงเป็นวัสดุที่ทนความร้อนได้มากที่สุด ไม่ทราบสถานะของเหลวของคาร์บอนบริสุทธิ์ และการเปลี่ยนรูปเป็นไอเริ่มต้นที่อุณหภูมิสูงกว่า 3000°C เท่านั้น ดังนั้น การกำหนดคุณสมบัติของคาร์บอนจึงดำเนินการเฉพาะสำหรับสถานะของแข็งของการรวมกลุ่มเท่านั้น ในบรรดาการปรับเปลี่ยนคาร์บอน เพชรมีคุณสมบัติทางกายภาพที่คงที่มากที่สุด คุณสมบัติของกราไฟท์ในตัวอย่างต่างๆ (แม้จะบริสุทธิ์ที่สุด) นั้นแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ คุณสมบัติของถ่านหินอสัณฐานมีความแปรปรวนมากยิ่งขึ้น ตารางเปรียบเทียบค่าคงที่ทางกายภาพที่สำคัญที่สุดของการดัดแปลงคาร์บอนต่างๆ
เพชรเป็นอิเล็กทริกทั่วไป ในขณะที่กราไฟท์และคาร์บอนมีค่าการนำไฟฟ้าของโลหะ ในค่าสัมบูรณ์ ค่าการนำไฟฟ้าจะแตกต่างกันไปในช่วงที่กว้างมาก แต่สำหรับถ่านหินจะต่ำกว่ากราไฟต์เสมอ ในกราไฟท์ ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะจริงจะเข้าใกล้ ความจุความร้อนของการดัดแปลงคาร์บอนทั้งหมดที่อุณหภูมิ >1000°C มีแนวโน้มว่าจะมีค่าคงที่ 0.47 ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -180°C ความจุความร้อนของเพชรจะมีน้อยมาก และที่อุณหภูมิ -27°C จะกลายเป็นศูนย์
คุณสมบัติทางเคมีของคาร์บอน- เมื่อถูกความร้อนสูงกว่า 1,000°C ทั้งเพชรและถ่านหินจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นกราไฟต์ ซึ่งถือได้ว่าเป็นคาร์บอนรูปแบบ monotropic ที่เสถียรที่สุด (ที่อุณหภูมิสูง) การเปลี่ยนแปลงของถ่านหินอสัณฐานไปเป็นกราไฟท์เห็นได้ชัดว่าเริ่มต้นที่ประมาณ 800°C และสิ้นสุดที่ 1100°C ( ณ จุดสุดท้ายนี้ ถ่านหินสูญเสียกิจกรรมการดูดซับและความสามารถในการกระตุ้นปฏิกิริยาใหม่ และค่าการนำไฟฟ้าของถ่านหินก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยคงอยู่เกือบคงที่หลังจากนั้น) คาร์บอนอิสระมีลักษณะเฉพาะคือความเฉื่อยที่อุณหภูมิปกติและกิจกรรมที่สำคัญที่อุณหภูมิสูง ถ่านหินอสัณฐานมีปฏิกิริยาทางเคมีมากที่สุด ในขณะที่เพชรมีความทนทานมากที่สุด ตัวอย่างเช่น ฟลูออรีนทำปฏิกิริยากับถ่านหินที่อุณหภูมิ 15°C กับกราไฟท์เพียง 500°C และกับเพชรที่อุณหภูมิ 700°C เมื่อถูกความร้อนในอากาศ ถ่านหินที่มีรูพรุนจะเริ่มออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100°C กราไฟท์ที่อุณหภูมิประมาณ 650°C และเพชรที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 800°C ที่อุณหภูมิ 300°C ขึ้นไป ถ่านหินจะรวมตัวกับซัลเฟอร์เพื่อสร้างคาร์บอนไดซัลไฟด์ CS 2 ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,800°C คาร์บอน (ถ่านหิน) เริ่มทำปฏิกิริยากับไนโตรเจน ก่อตัว (ในปริมาณเล็กน้อย) ไซยาโนเจน C 2 N 2 ปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนกับไฮโดรเจนเริ่มต้นที่ 1200°C และในช่วงอุณหภูมิ 1200-1500°C มีเพียงมีเทน CH 4 เท่านั้นที่เกิดขึ้น สูงกว่า 1,500°C - ส่วนผสมของมีเทน, เอทิลีน (C 2 H 4) และอะเซทิลีน (C 2 H 2) ที่อุณหภูมิประมาณ 3,000°C จะได้อะเซทิลีนเกือบทั้งหมด ที่อุณหภูมิของส่วนโค้งไฟฟ้า คาร์บอนจะรวมตัวโดยตรงกับโลหะ ซิลิคอน และโบรอน ทำให้เกิดเป็นคาร์ไบด์ที่สอดคล้องกัน ทางตรงหรือทางอ้อมก็ได้ ได้สารประกอบของคาร์บอนที่มีองค์ประกอบที่รู้จักทั้งหมด ยกเว้นก๊าซของกลุ่มศูนย์ คาร์บอนเป็นองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะซึ่งแสดงสัญญาณบางอย่างของแอมโฟเทอริซิตี้ อะตอมของคาร์บอนมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 ซม.) และมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัวในทรงกลมด้านนอก ซึ่งจะถูกเติมหรือบวกเข้ากับ 8 อย่างง่ายดายพอๆ กัน ดังนั้นวาเลนซีปกติของคาร์บอน ทั้งออกซิเจนและไฮโดรเจนคือ 4 ในสารประกอบส่วนใหญ่ คาร์บอนเป็นแบบเตตระวาเลนต์ มีเพียงสารประกอบจำนวนเล็กน้อยของคาร์บอนไดวาเลนต์ (คาร์บอนมอนอกไซด์และอะซีตัล, ไอโซไนไตรล์, กรดฟูลมิเนตและเกลือของมัน) และคาร์บอนไตรวาเลนต์ (ที่เรียกว่า "อนุมูลอิสระ") เท่านั้นที่เป็นที่รู้จัก
ด้วยออกซิเจน คาร์บอนจะก่อตัวเป็นออกไซด์ปกติสองชนิด: คาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นกรด CO 2 และคาร์บอนมอนอกไซด์ CO ที่เป็นกลาง นอกจากนี้ยังมีจำนวนหนึ่ง คาร์บอนซับออกไซด์มีอะตอม C มากกว่า 1 อะตอม และไม่มีนัยสำคัญทางเทคนิค สิ่งเหล่านี้ที่รู้จักกันดีที่สุดคือซับออกไซด์ขององค์ประกอบ C 3 O 2 (ก๊าซที่มีจุดเดือด +7 ° C และจุดหลอมเหลว -111 ° C) ผลิตภัณฑ์แรกของการเผาไหม้คาร์บอนและสารประกอบของมันคือ CO 2 ซึ่งเกิดขึ้นตามสมการ:
C + O 2 = CO 2 +97600 แคลอรี่
การก่อตัวของ CO ในระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่ไม่สมบูรณ์เป็นผลมาจากกระบวนการลดระดับรอง ตัวรีดิวซ์ในกรณีนี้คือตัวคาร์บอนเอง ซึ่งที่อุณหภูมิสูงกว่า 450°C จะทำปฏิกิริยากับ CO 2 ตามสมการ:
CO 2 +C = 2СО -38800 แคล;
ปฏิกิริยานี้สามารถย้อนกลับได้ อุณหภูมิสูงกว่า 950°C การแปลง CO 2 ให้เป็น CO ใกล้จะเสร็จสมบูรณ์ ซึ่งดำเนินการในเตาเผากำเนิดก๊าซ ความสามารถในการลดพลังงานของคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงยังใช้ในการผลิตก๊าซน้ำ (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) และในกระบวนการทางโลหะวิทยาเพื่อให้ได้โลหะอิสระจากออกไซด์ คาร์บอนในรูปแบบ Allotropic ตอบสนองต่อการกระทำของสารออกซิไดซ์บางชนิดแตกต่างกัน: ตัวอย่างเช่นส่วนผสมของ KCIO 3 + HNO 3 ไม่มีผลกระทบต่อเพชรเลย ถ่านหินอสัณฐานจะถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์เป็น CO 2 ในขณะที่กราไฟท์ผลิตสารประกอบอะโรมาติก - กรดกราไฟต์ ด้วยสูตรเอมพิริคัล (C 2 OH) x เป็นต้นไป กรดเมลลิติกค 6 (COOH) 6 . สารประกอบของคาร์บอนกับไฮโดรเจน - ไฮโดรคาร์บอน - มีจำนวนมากมายมหาศาล จากนั้นสารประกอบอินทรีย์อื่น ๆ ส่วนใหญ่ผลิตขึ้นทางพันธุกรรมซึ่งนอกเหนือจากคาร์บอนแล้วส่วนใหญ่มักประกอบด้วย H, O, N, S และฮาโลเจน
ความหลากหลายที่โดดเด่นของสารประกอบอินทรีย์ซึ่งรู้จักมากถึง 2 ล้านชนิด เนื่องมาจากคุณลักษณะบางประการของคาร์บอนในฐานะองค์ประกอบ 1) คาร์บอนมีลักษณะเฉพาะด้วยพันธะเคมีที่แข็งแกร่งกับธาตุอื่นๆ ส่วนใหญ่ ทั้งที่เป็นโลหะและอโลหะ ซึ่งทำให้คาร์บอนเกิดสารประกอบที่ค่อนข้างเสถียรกับทั้งสองธาตุ เมื่อรวมกับองค์ประกอบอื่นๆ คาร์บอนจะมีโอกาสเกิดไอออนน้อยมาก สารประกอบอินทรีย์ส่วนใหญ่เป็นชนิดโฮโมโพลาร์และไม่แยกตัวออกภายใต้สภาวะปกติ การทำลายพันธะภายในโมเลกุลมักต้องใช้พลังงานจำนวนมาก เมื่อพิจารณาถึงความแข็งแกร่งของการเชื่อมต่อ เราควรแยกแยะความแตกต่าง ก) ความแข็งแรงของพันธะสัมบูรณ์ วัดโดยเทอร์โมเคมี และ ข) ความสามารถของพันธะในการแตกตัวภายใต้อิทธิพลของรีเอเจนต์ต่างๆ ลักษณะทั้งสองนี้ไม่เหมือนกันเสมอไป 2) อะตอมของคาร์บอนพันธะกันอย่างง่ายดายเป็นพิเศษ (ไม่มีขั้ว) ก่อตัวเป็นโซ่คาร์บอน ไม่ว่าจะเปิดหรือปิด ความยาวของโซ่ดังกล่าวไม่ได้อยู่ภายใต้ข้อจำกัดใดๆ ดังนั้นจึงรู้จักโมเลกุลที่ค่อนข้างเสถียรซึ่งมีสายโซ่เปิดที่มีอะตอมของคาร์บอน 64 อะตอม ความยาวและความซับซ้อนของห่วงโซ่แบบเปิดไม่ส่งผลต่อความแข็งแกร่งของการเชื่อมต่อของลิงก์ระหว่างกันหรือกับองค์ประกอบอื่น ๆ ในบรรดาโซ่ปิดนั้น วงแหวนที่มีสมาชิก 6 และ 5 ชิ้นนั้นเกิดขึ้นได้ง่ายที่สุด แม้ว่าจะรู้จักโซ่ที่มีวงแหวนซึ่งมีอะตอมของคาร์บอนตั้งแต่ 3 ถึง 18 อะตอมก็ตาม ความสามารถของอะตอมคาร์บอนในการเชื่อมต่อกันได้ดีอธิบายคุณสมบัติพิเศษของกราไฟท์และกลไกของกระบวนการเผาถ่าน ยังทำให้ชัดเจนว่าคาร์บอนไม่เป็นที่รู้จักในรูปของโมเลกุลไดอะตอมมิก C 2 ซึ่งคาดว่าจะเกิดขึ้นจากการเปรียบเทียบกับองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะเบาอื่นๆ (คาร์บอนจะประกอบด้วยโมเลกุลเชิงเดี่ยวในรูปไอ) 3) เนื่องจากธรรมชาติของพันธะไม่มีขั้ว สารประกอบคาร์บอนจำนวนมากจึงมีความเฉื่อยทางเคมีไม่เพียงแต่ภายนอก (ปฏิกิริยาช้า) แต่ยังรวมถึงภายในด้วย (ความยากลำบากในการจัดเรียงภายในโมเลกุลใหม่) การปรากฏตัวของ "การต้านทานแบบพาสซีฟ" ขนาดใหญ่ทำให้การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองของรูปแบบที่ไม่เสถียรไปเป็นรูปแบบที่มั่นคงมีความซับซ้อนอย่างมาก ซึ่งมักจะลดอัตราของการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวให้เป็นศูนย์ ผลลัพธ์คือมีความเป็นไปได้ที่จะตระหนักถึงรูปแบบไอโซเมอร์จำนวนมากซึ่งมีความเสถียรเกือบเท่ากันที่อุณหภูมิปกติ
การแบ่งส่วนและโครงสร้างอะตอมของคาร์บอน - การวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์ทำให้สามารถสร้างโครงสร้างอะตอมของเพชรและกราไฟต์ได้อย่างน่าเชื่อถือ วิธีการวิจัยแบบเดียวกันนี้ให้ความกระจ่างเกี่ยวกับคำถามของการมีอยู่ของการดัดแปลงคาร์บอนแบบ allotropic ครั้งที่สาม ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นคำถามเกี่ยวกับความอสัณฐานหรือความเป็นผลึกของถ่านหิน ถ้าถ่านหินเป็นรูปแบบอสัณฐาน มันก็จะไม่สามารถทำได้ ไม่ได้ระบุด้วยกราไฟต์หรือเพชร แต่ต้องถือเป็นคาร์บอนรูปแบบพิเศษ ซึ่งเป็นสารเดี่ยวๆ ในเพชร อะตอมของคาร์บอนถูกจัดเรียงในลักษณะที่แต่ละอะตอมอยู่ตรงกลางของจัตุรมุข ซึ่งมีจุดยอดเป็นอะตอม 4 อะตอมที่อยู่ติดกัน แต่ละอันจะเป็นศูนย์กลางของจัตุรมุขที่คล้ายกันอีกอันหนึ่ง ระยะห่างระหว่างอะตอมที่อยู่ติดกันคือ 1.54 Ᾰ (ขอบของลูกบาศก์ระดับประถมศึกษาของโครงตาข่ายคริสตัลคือ 3.55 Ᾰ) โครงสร้างนี้มีขนาดกะทัดรัดที่สุด มันสอดคล้องกับความแข็ง ความหนาแน่น และความเฉื่อยทางเคมีของเพชรสูง (การกระจายแรงวาเลนซ์สม่ำเสมอ) การเชื่อมต่อระหว่างอะตอมของคาร์บอนในโครงตาข่ายเพชรนั้นเหมือนกับในโมเลกุลของสารประกอบอินทรีย์ส่วนใหญ่ในกลุ่มไขมัน (แบบจำลองคาร์บอนจัตุรมุข) ในผลึกกราไฟต์ อะตอมของคาร์บอนถูกจัดเรียงเป็นชั้นหนาแน่น โดยเว้นระยะห่าง 3.35-3.41 Ᾰ จากกัน ทิศทางของชั้นเหล่านี้เกิดขึ้นพร้อมกับระนาบรอยแยกและระนาบเลื่อนในระหว่างการเปลี่ยนรูปทางกล ในระนาบของแต่ละชั้น อะตอมจะก่อตัวเป็นตารางที่มีเซลล์หกเหลี่ยม (บริษัท) ด้านของรูปหกเหลี่ยมดังกล่าวคือ 1.42-1.45 Ᾰ ในชั้นที่อยู่ติดกัน รูปหกเหลี่ยมจะไม่วางซ้อนกัน: ความบังเอิญในแนวตั้งจะเกิดขึ้นซ้ำหลังจาก 2 ชั้นในชั้นที่สามเท่านั้น พันธะสามพันธะของแต่ละอะตอมของคาร์บอนอยู่ในระนาบเดียวกัน โดยมีมุม 120°; พันธะที่ 4 ถูกชี้นำสลับกันในทิศทางเดียวหรืออีกทิศทางหนึ่งจากระนาบไปยังอะตอมของชั้นข้างเคียง ระยะห่างระหว่างอะตอมในชั้นจะคงที่อย่างเคร่งครัด แต่ระยะห่างระหว่างแต่ละชั้นสามารถเป็นได้ เปลี่ยนแปลงโดยอิทธิพลภายนอก: ตัวอย่างเช่น เมื่อกดภายใต้แรงกดดันสูงถึง 5,000 atm มันจะลดลงเหลือ 2.9 Ᾰ และเมื่อกราไฟท์พองตัวใน HNO 3 ที่เข้มข้น มันจะเพิ่มขึ้นเป็น 8 Ᾰ ในระนาบของชั้นหนึ่ง อะตอมของคาร์บอนจะถูกพันธะแบบโฮโอโพโพลาร์ (เช่นในโซ่ไฮโดรคาร์บอน) แต่พันธะระหว่างอะตอมของชั้นที่อยู่ติดกันนั้นค่อนข้างเป็นโลหะในธรรมชาติ เห็นได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าค่าการนำไฟฟ้าของผลึกกราไฟท์ในทิศทางตั้งฉากกับชั้นนั้นสูงกว่าค่าการนำไฟฟ้าในทิศทางของชั้นประมาณ 100 เท่า ที่. กราไฟท์มีคุณสมบัติของโลหะในทิศทางเดียวและคุณสมบัติของอโลหะในทิศทางอื่น การจัดเรียงอะตอมของคาร์บอนในแต่ละชั้นของโครงกราไฟต์จะเหมือนกับการจัดเรียงอะตอมของคาร์บอนในสารประกอบอะโรมาติกนิวเคลียร์เชิงซ้อนทุกประการ โครงสร้างนี้อธิบายได้ดีถึงแอนไอโซโทรปีของกราไฟต์ ความแตกแยกที่ได้รับการพัฒนาเป็นพิเศษ คุณสมบัติการต้านการเสียดสี และการก่อตัวของสารประกอบอะโรมาติกระหว่างการออกซิเดชัน เห็นได้ชัดว่าการดัดแปลงอสัณฐานของคาร์บอนสีดำมีอยู่ในรูปแบบอิสระ (O. Ruff) สำหรับสิ่งนี้ สิ่งที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดคือโครงสร้างเซลล์คล้ายโฟมซึ่งไร้ความสม่ำเสมอใดๆ ผนังของเซลล์ดังกล่าวเกิดจากชั้นของอะตอมที่ทำงานอยู่คาร์บอน มีความหนาประมาณ 3 อะตอม ในทางปฏิบัติ สารออกฤทธิ์ของถ่านหินมักจะอยู่ใต้เปลือกของอะตอมคาร์บอนที่ไม่ใช้งานซึ่งมีระยะห่างกันอย่างใกล้ชิด โดยมีลักษณะเป็นภาพกราฟิก และถูกแทรกซึมโดยการรวมเอาผลึกกราไฟท์ที่มีขนาดเล็กมากเข้าไป อาจไม่มีจุดเปลี่ยนเฉพาะของถ่านหิน → กราไฟต์: ระหว่างการปรับเปลี่ยนทั้งสองครั้งจะเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ในระหว่างนั้นมวลอะตอม C ของถ่านหินอสัณฐานที่รวมตัวกันแบบสุ่มจะถูกเปลี่ยนเป็นโครงตาข่ายคริสตัลของกราไฟท์ปกติ เนื่องจากการจัดเรียงแบบสุ่ม อะตอมของคาร์บอนในถ่านหินอสัณฐานจึงมีสัมพรรคภาพตกค้างสูงสุด ซึ่ง (ตามแนวคิดของ Langmuir เกี่ยวกับอัตลักษณ์ของแรงดูดซับกับแรงเวเลนซ์) สอดคล้องกับการดูดซับสูงและกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของถ่านหิน อะตอมของคาร์บอนที่อยู่ในโครงตาข่ายคริสตัลจะใช้ความสัมพันธ์ทั้งหมด (ในเพชร) หรือส่วนใหญ่ (ในกราไฟท์) กับการยึดเกาะซึ่งกันและกัน ซึ่งสอดคล้องกับกิจกรรมทางเคมีและกิจกรรมการดูดซับที่ลดลง ในเพชร การดูดซับทำได้เฉพาะบนพื้นผิวของผลึกเดี่ยวเท่านั้น ในขณะที่กราไฟต์ เวเลนซ์ตกค้างสามารถปรากฏบนพื้นผิวทั้งสองของโครงตาข่ายแบนแต่ละอัน (ใน "รอยแตก" ระหว่างชั้นของอะตอม) ซึ่งได้รับการยืนยันจากข้อเท็จจริงที่ว่ากราไฟท์ สามารถพองตัวในของเหลวได้ (HNO 3) และกลไกการออกซิเดชันของกรดกราไฟติก
ความสำคัญทางเทคนิคของคาร์บอน- สำหรับข. หรือ m. ของคาร์บอนอิสระที่ได้รับระหว่างกระบวนการย่างและถ่านโค้ก จากนั้นการนำไปใช้ในเทคโนโลยีจะขึ้นอยู่กับทั้งทางเคมี (ความเฉื่อย ความสามารถในการลด) และคุณสมบัติทางกายภาพ (ความต้านทานความร้อน การนำไฟฟ้า ความสามารถในการดูดซับ) ดังนั้น โค้กและถ่าน นอกเหนือจากการใช้ประโยชน์โดยตรงบางส่วนเป็นเชื้อเพลิงไร้ตำหนิแล้ว ยังถูกใช้เพื่อผลิตเชื้อเพลิงที่เป็นก๊าซ (ก๊าซเครื่องกำเนิดไฟฟ้า) ในโลหะวิทยาของโลหะเหล็กและอโลหะ - สำหรับการลดออกไซด์ของโลหะ (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi) ในเทคโนโลยีเคมี - เป็นตัวรีดิวซ์ในการผลิตซัลไฟด์ (Na, Ca, Ba) จากซัลเฟต, เกลือปราศจากคลอไรด์ (Mg, Al) จากโลหะออกไซด์ในการผลิตแก้วที่ละลายน้ำได้และฟอสฟอรัส - เป็นวัตถุดิบสำหรับ การผลิตแคลเซียมคาร์ไบด์ คาร์บอรันดัม และคาร์บอนไดซัลไฟด์คาร์ไบด์อื่นๆ ฯลฯ ในอุตสาหกรรมการก่อสร้าง - เป็นวัสดุฉนวนความร้อน ถ่านหินรีทอร์ตและโค้กทำหน้าที่เป็นวัสดุสำหรับอิเล็กโทรดของเตาไฟฟ้า อ่างอิเล็กโทรไลต์ และเซลล์กัลวานิก สำหรับการผลิตถ่านหินอาร์ค รีโอสแตต แปรงสับเปลี่ยนสับเปลี่ยน ถ้วยใส่ตัวอย่างหลอมเหลว ฯลฯ และยังใช้เป็นหัวฉีดในอุปกรณ์เคมีชนิดทาวเวอร์อีกด้วย นอกเหนือจากการใช้งานข้างต้นแล้ว ถ่านยังใช้สำหรับการผลิตคาร์บอนมอนอกไซด์เข้มข้น เกลือไซยาไนด์สำหรับการประสานเหล็ก มีการใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นตัวดูดซับ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาสังเคราะห์บางอย่าง และสุดท้ายก็รวมอยู่ในผงสีดำและ ส่วนประกอบของวัตถุระเบิดและพลุไฟอื่นๆ
การวิเคราะห์หาปริมาณคาร์บอน- คาร์บอนถูกกำหนดในเชิงคุณภาพโดยการเผาตัวอย่างของสารโดยไม่ให้เข้าถึงอากาศ (ซึ่งไม่เหมาะกับสารทุกชนิด) หรือซึ่งมีความน่าเชื่อถือมากกว่ามาก โดยการออกซิเดชันแบบหมดสิ้นของมัน เช่น โดยการเผาในส่วนผสมที่มีคอปเปอร์ออกไซด์ และ การก่อตัวของ CO 2 ได้รับการพิสูจน์โดยปฏิกิริยาธรรมดา ในการหาปริมาณคาร์บอน ตัวอย่างของสารจะถูกเผาในบรรยากาศออกซิเจน CO 2 ที่ได้จะถูกดักจับด้วยสารละลายอัลคาไลและถูกกำหนดโดยน้ำหนักหรือปริมาตรโดยใช้วิธีการวิเคราะห์เชิงปริมาณแบบเดิมๆ วิธีนี้เหมาะสำหรับการวัดคาร์บอนไม่เพียงแต่ในสารประกอบอินทรีย์และถ่านหินทางเทคนิคเท่านั้น แต่ยังรวมถึงในโลหะด้วย
เคมีอินทรีย์เป็นเคมีของอะตอมคาร์บอน จำนวนของสารประกอบอินทรีย์นั้นมากกว่าสารประกอบอนินทรีย์หลายสิบเท่าซึ่งสามารถอธิบายได้เท่านั้น คุณสมบัติของอะตอมคาร์บอน :
ก) เขาอยู่ใน ตรงกลางของระดับอิเลคโตรเนกาติวีตี้ และช่วงที่ 2 จึงไม่มีประโยชน์ที่เขาจะสละอิเล็กตรอนของตัวเองและรับอิเล็กตรอนของผู้อื่นและได้รับประจุบวกหรือลบ
ข) โครงสร้างพิเศษของเปลือกอิเล็กตรอน – ไม่มีคู่อิเล็กตรอนและออร์บิทัลอิสระ (มีอะตอมเพียงอะตอมเดียวที่มีโครงสร้างคล้ายกัน - ไฮโดรเจนซึ่งอาจเป็นสาเหตุว่าทำไมคาร์บอนและไฮโดรเจนจึงเกิดสารประกอบจำนวนมาก - ไฮโดรคาร์บอน)
โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมคาร์บอน
C – 1s 2 2s 2 2p 2 หรือ 1s 2 2s 2 2p x 1 2p และ 1 2p z 0
ในรูปแบบกราฟิก:
อะตอมของคาร์บอนที่อยู่ในสถานะตื่นเต้นมีสูตรทางอิเล็กทรอนิกส์ดังต่อไปนี้:
*C – 1s 2 2s 1 2p 3 หรือ 1s 2 2s 1 2p x 1 2p และ 1 2p z 1
ในรูปแบบเซลล์:
รูปร่างของ s- และ p-orbitals
วงโคจรของอะตอม - พื้นที่ของอวกาศซึ่งมีแนวโน้มที่จะพบอิเล็กตรอนมากที่สุด โดยมีตัวเลขควอนตัมที่สอดคล้องกัน
มันเป็น "แผนที่รูปร่าง" ของอิเล็กตรอนสามมิติ ซึ่งฟังก์ชันคลื่นจะกำหนดความน่าจะเป็นสัมพัทธ์ในการค้นหาอิเล็กตรอนที่จุดนั้นในวงโคจร
ขนาดสัมพัทธ์ของออร์บิทัลของอะตอมจะเพิ่มขึ้นเมื่อพลังงานเพิ่มขึ้น ( เลขควอนตัมหลัก- n) และรูปร่างและการวางแนวในอวกาศถูกกำหนดโดยเลขควอนตัม l และ m อิเล็กตรอนในออร์บิทัลมีลักษณะเฉพาะด้วยเลขควอนตัมหมุน แต่ละวงโคจรสามารถมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 2 ตัวที่มีการหมุนตรงข้ามกัน
เมื่อสร้างพันธะกับอะตอมอื่น อะตอมของคาร์บอนจะเปลี่ยนเปลือกอิเล็กตรอนเพื่อให้เกิดพันธะที่แข็งแกร่งที่สุด และด้วยเหตุนี้ พลังงานจึงถูกปล่อยออกมาให้มากที่สุด และระบบจะได้รับความเสถียรสูงสุด
การเปลี่ยนเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมต้องใช้พลังงาน ซึ่งจะถูกชดเชยด้วยการสร้างพันธะที่แข็งแรงขึ้น
การเปลี่ยนแปลงของเปลือกอิเล็กตรอน (ไฮบริดไดเซชัน) ส่วนใหญ่มี 3 ประเภท ขึ้นอยู่กับจำนวนอะตอมที่อะตอมของคาร์บอนสร้างพันธะ
ประเภทของการผสมพันธุ์:
เอสพี 3 - อะตอมสร้างพันธะกับอะตอมข้างเคียง 4 อะตอม (การผสมข้ามพันธุ์แบบเตตราฮีดรัล):
สูตรอิเล็กทรอนิกส์ของ sp 3 – อะตอมคาร์บอนไฮบริด:
*С –1s 2 2(sp 3) 4 ในรูปแบบเซลล์
มุมพันธะระหว่างออร์บิทัลลูกผสมคือ ~109°
สูตรสเตอริโอเคมีของอะตอมคาร์บอน:
เอสพี 2 – การผสมพันธุ์ (สถานะวาเลนซ์)- อะตอมสร้างพันธะกับอะตอมข้างเคียง 3 อะตอม (การผสมแบบตรีโกณมิติ):
สูตรอิเล็กทรอนิกส์ของ sp 2 – อะตอมคาร์บอนลูกผสม:
*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 ในรูปแบบเซลล์
มุมพันธะระหว่างออร์บิทัลลูกผสมคือ ~120°
สูตรสเตอริโอเคมีของ sp 2 - อะตอมคาร์บอนลูกผสม:
เอสพี- การผสมพันธุ์ (สถานะวาเลนซ์) – อะตอมสร้างพันธะกับอะตอมข้างเคียง 2 อะตอม (การผสมพันธุ์เชิงเส้น):
สูตรอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมคาร์บอน sp – ไฮบริด:
*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 ในรูปแบบเซลล์
มุมพันธะระหว่างออร์บิทัลลูกผสมคือ ~180°
สูตรสเตอริโอเคมี:
s-orbital เกี่ยวข้องกับการผสมพันธุ์ทุกประเภทเพราะว่า มันมีพลังงานน้อยที่สุด
การปรับโครงสร้างของเมฆอิเล็กตรอนทำให้เกิดพันธะที่แข็งแกร่งที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และมีปฏิสัมพันธ์น้อยที่สุดของอะตอมในโมเลกุลที่เกิดขึ้น โดยที่ ออร์บิทัลลูกผสมอาจไม่เหมือนกัน แต่มุมพันธะอาจแตกต่างกัน เช่น CH 2 Cl 2 และ CCl 4
2. พันธะโควาเลนต์ในสารประกอบคาร์บอน
พันธะโควาเลนต์ สมบัติ วิธีการ และเหตุผลของการก่อตัว - หลักสูตรของโรงเรียน
ฉันขอเตือนคุณว่า:
1. การสื่อสารการศึกษา ระหว่างอะตอมถือได้ว่าเป็นผลมาจากการทับซ้อนกันของออร์บิทัลของอะตอม และยิ่งมีประสิทธิภาพมากเท่าไร (ยิ่งอินทิกรัลที่ทับซ้อนกันมีขนาดใหญ่) พันธะก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น
จากข้อมูลที่คำนวณ ประสิทธิภาพการทับซ้อนกันสัมพัทธ์ของวงโคจรของอะตอม Srel เพิ่มขึ้นดังนี้:
ดังนั้น การใช้ออร์บิทัลลูกผสม เช่น ออร์บิทัลคาร์บอน sp 3 เพื่อสร้างพันธะที่มีไฮโดรเจน 4 อะตอมจะส่งผลให้เกิดพันธะที่แข็งแรงขึ้น
2. พันธะโควาเลนต์ในสารประกอบคาร์บอนเกิดขึ้นได้สองวิธี:
ก)ถ้าวงโคจรของอะตอมสองวงทับซ้อนกันตามแนวแกนหลัก ผลที่เกิดพันธะจะถูกเรียก - σ พันธบัตร.
เรขาคณิต.ดังนั้น เมื่อพันธะเกิดขึ้นจากอะตอมไฮโดรเจนในมีเทน ลูกผสม sp 3 ~ วงโคจรของอะตอมคาร์บอนสี่อะตอมจะทับซ้อนกับวงโคจร S ของอะตอมไฮโดรเจนสี่อะตอม ทำให้เกิดพันธะ σ ที่แข็งแกร่งที่เหมือนกันสี่พันธะ ซึ่งอยู่ที่มุม 109°28" กับพันธะแต่ละพันธะ อื่น ๆ (มุมจัตุรมุขมาตรฐาน) โครงสร้างจัตุรมุขแบบสมมาตรที่เข้มงวดคล้ายกันก็เกิดขึ้นเช่นกัน เช่น ในระหว่างการก่อตัวของ CCl 4 หากอะตอมที่สร้างพันธะกับคาร์บอนไม่เหมือนกัน เช่น ในกรณีของ CH 2 C1 2 เชิงพื้นที่ โครงสร้างจะแตกต่างเล็กน้อยจากสมมาตรโดยสิ้นเชิง แม้ว่าโดยพื้นฐานแล้วมันยังคงเป็นจัตุรมุขก็ตาม
σ ความยาวพันธะระหว่างอะตอมของคาร์บอนขึ้นอยู่กับการผสมข้ามพันธุ์ของอะตอมและลดลงระหว่างการเปลี่ยนจาก sp 3 - การผสมพันธุ์เป็น sp สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่า s orbital อยู่ใกล้นิวเคลียสมากกว่า p orbital ดังนั้น ยิ่งส่วนแบ่งในออร์บิทัลลูกผสมมากเท่าไรก็ยิ่งสั้นลงเท่านั้น ดังนั้น พันธะที่เกิดขึ้นก็จะสั้นลงด้วย
B) ถ้าสองอะตอม พี - วงโคจรที่ขนานกันทำให้เกิดการเหลื่อมกันทางด้านข้างทั้งด้านบนและด้านล่างของระนาบที่อะตอมตั้งอยู่ จากนั้นจึงเรียกว่าพันธะที่เกิด - π (พาย) -การสื่อสาร
การทับซ้อนกันด้านข้างออร์บิทัลของอะตอมจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าการทับซ้อนกันตามแกนหลัก ดังนั้น π - การเชื่อมต่อมีความแข็งแรงน้อยกว่า σ - การเชื่อมต่อ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งนี้แสดงให้เห็นในความจริงที่ว่าพลังงานของพันธะคาร์บอน-คาร์บอนคู่นั้นน้อยกว่าพลังงานของพันธะเดี่ยวถึงสองเท่า ดังนั้น พลังงานพันธะ C-C ในอีเทนคือ 347 kJ/mol ในขณะที่พลังงานพันธะ C = C ในเอเทนมีค่าเพียง 598 kJ/mol และไม่ใช่ ~ 700 kJ/mol
ระดับของการทับซ้อนกันด้านข้างของออร์บิทัล 2p ของอะตอม 2 อัน และด้วยเหตุนี้จึงมีความแข็งแกร่ง π - พันธะจะสูงสุดถ้ามีคาร์บอน 2 อะตอมและมีพันธะ 4 อะตอมกับพวกมัน อะตอมตั้งอยู่ในระนาบเดียวอย่างเคร่งครัดนั่นคือถ้าพวกเขา เครื่องบินร่วม เนื่องจากในกรณีนี้เท่านั้น ออร์บิทัลของอะตอม 2p จะขนานกันทุกประการ ดังนั้นจึงสามารถทับซ้อนกันได้สูงสุด การเบี่ยงเบนจากสถานะโคพลานาร์เนื่องจากการหมุนรอบ σ - พันธะที่เชื่อมต่ออะตอมของคาร์บอนสองอะตอมจะทำให้ระดับการทับซ้อนกันลดลงและส่งผลให้ความแข็งแรงลดลงตามไปด้วย π -พันธะซึ่งช่วยรักษาความเรียบของโมเลกุล
การหมุนรอบพันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอนเป็นไปไม่ได้
การกระจาย π -อิเล็กตรอนที่อยู่ด้านบนและด้านล่างระนาบของโมเลกุลหมายถึงการดำรงอยู่ บริเวณที่มีประจุลบพร้อมที่จะโต้ตอบกับรีเอเจนต์ที่ขาดอิเล็กตรอน
อะตอมของออกซิเจน ไนโตรเจน ฯลฯ มีสถานะวาเลนซ์ที่แตกต่างกัน (การผสมพันธุ์) และคู่อิเล็กตรอนของพวกมันสามารถอยู่ในทั้งไฮบริดและ p-ออร์บิทัล
คาร์บอนในตารางธาตุอยู่ในคาบที่ 2 ในกลุ่ม IVA การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมคาร์บอน 2 2s 2 2p 2 .เมื่อมีความตื่นเต้น สถานะอิเล็กทรอนิกส์จะเกิดขึ้นได้อย่างง่ายดายโดยมีอิเล็กตรอนสี่ตัวที่ไม่ได้รับการจับคู่อยู่ในออร์บิทัลอะตอมด้านนอกทั้งสี่:
สิ่งนี้อธิบายได้ว่าเหตุใดคาร์บอนในสารประกอบจึงมักเป็นแบบเตตระวาเลนต์ ความเท่าเทียมกันของจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนในอะตอมคาร์บอนต่อจำนวนเวเลนซ์ออร์บิทัลตลอดจนอัตราส่วนเฉพาะของประจุของนิวเคลียสและรัศมีของอะตอมทำให้สามารถยึดเกาะและปล่อยอิเล็กตรอนได้อย่างง่ายดายเท่าเทียมกัน ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของหุ้นส่วน (ข้อ 9.3.1) เป็นผลให้คาร์บอนมีลักษณะเฉพาะด้วยสถานะออกซิเดชันต่างๆตั้งแต่ -4 ถึง +4 และความง่ายในการผสมพันธุ์ของออร์บิทัลอะตอมตามประเภท เอสพี 3, เอสพี 2และ เอสพี 1ระหว่างการก่อตัวของพันธะเคมี (หัวข้อ 2.1.3):
ทั้งหมดนี้ทำให้คาร์บอนมีโอกาสที่จะสร้างพันธะเดี่ยว สอง และสาม ไม่เพียงแต่เชื่อมต่อกันเท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงอะตอมขององค์ประกอบอินทรีย์อื่นๆ ด้วย โมเลกุลที่เกิดขึ้นในกรณีนี้สามารถมีโครงสร้างเชิงเส้น กิ่งก้าน และวงจร
เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทั่วไป -MOs ที่เกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของอะตอมคาร์บอน พวกมันจึงถูกเลื่อนไปยังอะตอมขององค์ประกอบที่มีอิเล็กโตรเนกาติตีมากกว่า (ผลอุปนัย) ซึ่งนำไปสู่ขั้วของไม่เพียงแต่พันธะนี้เท่านั้น แต่ยังรวมถึงโมเลกุลด้วย ทั้งหมด. อย่างไรก็ตาม คาร์บอนเนื่องจากค่าอิเล็กโตรเนกาติวีตี้เฉลี่ย (0E0 = 2.5) ก่อให้เกิดพันธะขั้วอ่อนกับอะตอมขององค์ประกอบออร์แกนิกอื่น ๆ (ตารางที่ 12.1) หากมีระบบของพันธะคอนจูเกตในโมเลกุล (ข้อ 2.1.3) การแยกตำแหน่งของอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ (MO) และคู่อิเล็กตรอนเดี่ยวจะเกิดขึ้นพร้อมกับการทำให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนและความยาวพันธะในระบบเหล่านี้เท่ากัน
จากมุมมองของปฏิกิริยาของสารประกอบ ความสามารถในการโพลาไรซ์ของพันธะมีบทบาทสำคัญ (ส่วนที่ 2.1.3) ยิ่งความสามารถในการโพลาไรซ์ของพันธะมากเท่าใด ปฏิกิริยาก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น การพึ่งพาความสามารถในการโพลาไรซ์ของพันธะที่ประกอบด้วยคาร์บอนกับธรรมชาติสะท้อนให้เห็นในชุดต่อไปนี้:
ข้อมูลที่พิจารณาทั้งหมดเกี่ยวกับคุณสมบัติของพันธะที่ประกอบด้วยคาร์บอนบ่งชี้ว่าคาร์บอนในสารประกอบก่อตัวเป็นพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งพอสมควรต่อกันและกับออร์กาโนเจนอื่น ๆ และในทางกลับกันคู่อิเล็กตรอนร่วมของพันธะเหล่านี้คือ ค่อนข้างจะอ่อนแอ เป็นผลให้เกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นและความเสถียรสามารถเกิดขึ้นได้ คุณลักษณะเหล่านี้ของสารประกอบที่มีคาร์บอนทำให้คาร์บอนเป็นออร์กาเจนอันดับหนึ่ง
คุณสมบัติกรด-เบสของสารประกอบคาร์บอนคาร์บอนมอนอกไซด์ (4) เป็นกรดออกไซด์และไฮดรอกไซด์ที่สอดคล้องกัน - กรดคาร์บอนิก H2CO3 - เป็นกรดอ่อน โมเลกุลของคาร์บอนมอนอกไซด์(4) ไม่มีขั้ว จึงละลายในน้ำได้ไม่ดี (0.03 โมล/ลิตร ที่ 298 เคลวิน) ในกรณีนี้ ขั้นแรก ไฮเดรต CO2 H2O จะเกิดขึ้นในสารละลาย โดยที่ CO2 จะอยู่ในโพรงของโมเลกุลของน้ำ จากนั้นไฮเดรตนี้จะค่อยๆ เปลี่ยนเป็น H2CO3 อย่างช้าๆ และย้อนกลับได้ คาร์บอนมอนอกไซด์ (4) ส่วนใหญ่ละลายในน้ำอยู่ในรูปของไฮเดรต
ในร่างกาย ในเซลล์เม็ดเลือดแดง ภายใต้การกระทำของเอนไซม์คาร์โบแอนไฮเดรส ความสมดุลระหว่าง CO2 ไฮเดรต H2O และ H2CO3 จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้ช่วยให้เราละเลยการมีอยู่ของ CO2 ในรูปของไฮเดรตในเม็ดเลือดแดง แต่ไม่ใช่ในพลาสมาในเลือดซึ่งไม่มีคาร์บอนิกแอนไฮเดรส H2CO3 ที่ได้จะแยกตัวภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยากับไอออนของไฮโดรคาร์บอเนต และในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่างมากขึ้นกับไอออนของคาร์บอเนต:
กรดคาร์บอนิกมีอยู่ในสารละลายเท่านั้น มันก่อตัวเป็นเกลือสองชุด - ไฮโดรคาร์บอเนต (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) และคาร์บอเนต (Na2CO3, CaCO3) ไฮโดรคาร์บอเนตละลายในน้ำได้ดีกว่าคาร์บอเนต ในสารละลายที่เป็นน้ำ เกลือของกรดคาร์บอนิก โดยเฉพาะคาร์บอเนต จะถูกไฮโดรไลซ์ที่ประจุลบอย่างง่ายดาย ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง:
สารเช่นเบกกิ้งโซดา NaHC03; ชอล์ก CaCO3, แมกนีเซียสีขาว 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O ไฮโดรไลซ์เพื่อสร้างสภาพแวดล้อมที่เป็นด่างใช้เป็นยาลดกรด (สารทำให้กรดเป็นกลาง) เพื่อลดความเป็นกรดที่เพิ่มขึ้นของน้ำย่อย:
การรวมกันของกรดคาร์บอนิกและไอออนไบคาร์บอเนต (H2CO3, HCO3(-)) ก่อให้เกิดระบบบัฟเฟอร์ไบคาร์บอเนต (ส่วนที่ 8.5) ซึ่งเป็นระบบบัฟเฟอร์ที่ดีของพลาสมาในเลือด ซึ่งช่วยให้มั่นใจว่า pH ของเลือดคงที่ที่ pH = 7.40 ± 0.05
การมีแคลเซียมและแมกนีเซียมไฮโดรคาร์บอเนตในน้ำธรรมชาติทำให้เกิดความกระด้างชั่วคราว เมื่อน้ำดังกล่าวถูกต้ม ความกระด้างของน้ำก็จะหมดไป สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการไฮโดรไลซิสของไอออน HCO3(-) การสลายตัวด้วยความร้อนของกรดคาร์บอนิก และการตกตะกอนของแคลเซียมและแมกนีเซียมไอออนบวกในรูปของสารประกอบที่ไม่ละลายน้ำ CaC03 และ Mg(OH)2:
การก่อตัวของ Mg(OH)2 เกิดจากการไฮโดรไลซิสของแมกนีเซียมไอออนบวกโดยสมบูรณ์ ซึ่งเกิดขึ้นภายใต้สภาวะเหล่านี้ เนื่องจากความสามารถในการละลายของ Mg(0H)2 ได้ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ MgC03
ในทางการแพทย์และชีววิทยา นอกเหนือจากกรดคาร์บอนิกแล้ว เรายังต้องจัดการกับกรดที่มีคาร์บอนอื่นๆ ด้วย โดยหลักแล้วจะเป็นกรดอินทรีย์หลายชนิด รวมถึงกรดไฮโดรไซยานิก HCN จากมุมมองของคุณสมบัติที่เป็นกรด ความแรงของกรดเหล่านี้จะแตกต่างกัน:
ความแตกต่างเหล่านี้เกิดจากอิทธิพลซึ่งกันและกันของอะตอมในโมเลกุล ธรรมชาติของพันธะที่แยกตัวออก และความเสถียรของประจุลบ กล่าวคือ ความสามารถในการแยกส่วนของประจุ
กรดไฮโดรไซยานิกหรือไฮโดรเจนไซยาไนด์ HCN - ของเหลวไม่มีสีและมีความผันผวนสูง (ทีคิป= 26°C) มีกลิ่นอัลมอนด์ขม ผสมกับน้ำได้ทุกอัตราส่วน ในสารละลายที่เป็นน้ำจะมีพฤติกรรมเป็นกรดอ่อนมากซึ่งมีเกลือเรียกว่าไซยาไนด์ ไซยาไนด์ของโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ทละลายได้ในน้ำ แต่พวกมันไฮโดรไลซ์ที่ประจุลบ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสารละลายที่เป็นน้ำจึงมีกลิ่นคล้ายกรดไฮโดรไซยานิก (กลิ่นของอัลมอนด์ขม) และมีค่า pH > 12:
เมื่อสัมผัสกับ CO2 ในอากาศเป็นเวลานาน ไซยาไนด์จะสลายตัวและปล่อยกรดไฮโดรไซยานิก:
จากปฏิกิริยานี้โพแทสเซียมไซยาไนด์ (โพแทสเซียมไซยาไนด์) และสารละลายของมันจะสูญเสียความเป็นพิษระหว่างการเก็บรักษาในระยะยาว ไซยาไนด์แอนไอออนเป็นหนึ่งในพิษอนินทรีย์ที่ทรงพลังที่สุด เนื่องจากมันเป็นลิแกนด์ที่ออกฤทธิ์และก่อให้เกิดสารประกอบเชิงซ้อนที่เสถียรได้อย่างง่ายดายด้วยเอนไซม์ที่มี Fe 3+ และ Cu2(+) เป็นไอออนเชิงซ้อน (มาตรา. 10.4).
คุณสมบัติรีดอกซ์เนื่องจากคาร์บอนในสารประกอบสามารถแสดงสถานะออกซิเดชันได้ตั้งแต่ -4 ถึง +4 ในระหว่างที่คาร์บอนปลอดปฏิกิริยาสามารถบริจาคและรับอิเล็กตรอน โดยทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์หรือตัวออกซิไดซ์ ตามลำดับ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของรีเอเจนต์ตัวที่สอง:
เมื่อสารออกซิไดซ์อย่างแรงทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์ อาจเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ไม่สมบูรณ์หรือสมบูรณ์ของอะตอมคาร์บอนของสารประกอบเหล่านี้ได้
ภายใต้สภาวะของการเกิดออกซิเดชันแบบไม่ใช้ออกซิเจนโดยไม่มีออกซิเจน อะตอมคาร์บอนของสารประกอบอินทรีย์ ขึ้นอยู่กับปริมาณอะตอมออกซิเจนในสารประกอบเหล่านี้และสภาวะภายนอก สามารถเปลี่ยนเป็น C0 2, CO, C และแม้แต่ CH 4 และอื่นๆ สารอินทรีย์จะกลายเป็น H2O, NH3 และ H2S
ในร่างกายการเกิดออกซิเดชันที่สมบูรณ์ของสารประกอบอินทรีย์กับออกซิเจนเมื่อมีเอนไซม์ออกซิเดส (ออกซิเดชันแบบแอโรบิก) อธิบายไว้ในสมการ:
จากสมการที่กำหนดของปฏิกิริยาออกซิเดชัน เป็นที่ชัดเจนว่าในสารประกอบอินทรีย์ มีเพียงอะตอมของคาร์บอนเท่านั้นที่เปลี่ยนสถานะออกซิเดชัน ในขณะที่อะตอมของออร์กาโนเจนอื่นๆ ยังคงสถานะออกซิเดชันไว้
ในระหว่างปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน กล่าวคือ การเติมไฮโดรเจน (ตัวรีดิวซ์) ลงในพันธะหลายพันธะ อะตอมของคาร์บอนที่ก่อตัวจะลดสถานะออกซิเดชันของพวกมัน (ทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์):
ปฏิกิริยาการแทนที่อินทรีย์ด้วยการเกิดขึ้นของพันธะระหว่างคาร์บอนใหม่ เช่น ในปฏิกิริยา Wurtz ก็เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์เช่นกัน โดยที่อะตอมของคาร์บอนทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์ และอะตอมของโลหะทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์:
สิ่งที่คล้ายกันนี้พบได้ในปฏิกิริยาของการก่อตัวของสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิก:
ในเวลาเดียวกันในปฏิกิริยาอัลคิเลชั่นที่มีการเกิดขึ้นของพันธะอินเตอร์คาร์บอนใหม่บทบาทของการออกซิไดซ์และตัวรีดิวซ์จะถูกเล่นโดยอะตอมคาร์บอนของสารตั้งต้นและรีเอเจนต์ตามลำดับ:
จากปฏิกิริยาของการเติมสารรีเอเจนต์ที่มีขั้วไปยังสารตั้งต้นผ่านพันธะอินเตอร์คาร์บอนหลายอะตอม อะตอมของคาร์บอนตัวหนึ่งจะลดสถานะออกซิเดชันลง โดยแสดงคุณสมบัติของตัวออกซิไดซ์ และอีกอะตอมหนึ่งจะเพิ่มระดับออกซิเดชัน โดยทำหน้าที่เป็น ตัวรีดิวซ์:
ในกรณีเหล่านี้ ปฏิกิริยารีดักชันออกซิเดชันภายในโมเลกุลของอะตอมคาร์บอนของสารตั้งต้นจะเกิดขึ้น กล่าวคือ กระบวนการ การแยกทาง,ภายใต้อิทธิพลของรีเอเจนต์ที่ไม่แสดงคุณสมบัติรีดอกซ์
ปฏิกิริยาทั่วไปของการสลายตัวภายในโมเลกุลของสารประกอบอินทรีย์เนื่องจากอะตอมของคาร์บอนคือปฏิกิริยาดีคาร์บอกซิเลชันของกรดอะมิโนหรือกรดคีโต เช่นเดียวกับปฏิกิริยาการจัดเรียงใหม่และปฏิกิริยาไอโซเมอไรเซชันของสารประกอบอินทรีย์ ซึ่งมีการกล่าวถึงในหัวข้อนี้ 9.3. ตัวอย่างปฏิกิริยาอินทรีย์ที่ให้มา ตลอดจนปฏิกิริยาจากนิกาย 9.3 แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าอะตอมของคาร์บอนในสารประกอบอินทรีย์สามารถเป็นได้ทั้งตัวออกซิไดซ์และตัวรีดิวซ์
อะตอมของคาร์บอนในสารประกอบ- ตัวออกซิไดซ์หากเป็นผลมาจากปฏิกิริยาจำนวนพันธะของมันกับอะตอมขององค์ประกอบที่มีอิเล็กโทรเนกาติตีน้อยกว่า (ไฮโดรเจนโลหะ) จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการดึงดูดอิเล็กตรอนร่วมของพันธะเหล่านี้เข้าหาตัวมันเองอะตอมของคาร์บอนที่มีปัญหาจะลดการเกิดออกซิเดชัน สถานะ.
อะตอมของคาร์บอนในสารประกอบ- ตัวรีดิวซ์หากเป็นผลมาจากปฏิกิริยาจำนวนพันธะกับอะตอมขององค์ประกอบอิเล็กโทรเนกาติตีมากขึ้นจะเพิ่มขึ้น(ค โอ เอ็น ส) เนื่องจากโดยการผลักอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันของพันธะเหล่านี้ออกไป อะตอมของคาร์บอนที่ต้องการจะเพิ่มสถานะออกซิเดชันของมัน
ดังนั้นปฏิกิริยาหลายอย่างในเคมีอินทรีย์เนื่องจากความเป็นคู่รีดอกซ์ของอะตอมคาร์บอนจึงเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ อย่างไรก็ตาม ไม่เหมือนกับปฏิกิริยาที่คล้ายกันในเคมีอนินทรีย์ การกระจายตัวของอิเล็กตรอนระหว่างตัวออกซิไดซ์และตัวรีดิวซ์ในสารประกอบอินทรีย์สามารถเกิดขึ้นได้ด้วยการแทนที่คู่อิเล็กตรอนทั่วไปของพันธะเคมีไปยังอะตอมที่ทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์เท่านั้น ในกรณีนี้ การเชื่อมต่อนี้สามารถรักษาไว้ได้ แต่ในกรณีที่มีโพลาไรเซชันรุนแรง การเชื่อมต่ออาจเสียหายได้
คุณสมบัติเชิงซ้อนของสารประกอบคาร์บอนอะตอมของคาร์บอนในสารประกอบไม่มีคู่อิเล็กตรอนเดี่ยว ดังนั้นเฉพาะสารประกอบคาร์บอนที่มีพันธะหลายพันธะและมีส่วนร่วมเท่านั้นที่สามารถทำหน้าที่เป็นลิแกนด์ได้ สารที่มีฤทธิ์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการก่อตัวที่ซับซ้อนคืออิเล็กตรอนของพันธะสามขั้วของคาร์บอนมอนอกไซด์ (2) และไอออนของกรดไฮโดรไซยานิก
ในโมเลกุลคาร์บอนมอนอกไซด์ (2) อะตอมของคาร์บอนและออกซิเจนจะก่อตัวเป็นพันธะหนึ่งและพันธะหนึ่งเนื่องจากการทับซ้อนกันของวงโคจรอะตอม 2p ทั้งสองของพวกมันตามกลไกการแลกเปลี่ยน พันธะที่สามคือพันธะอื่นเกิดขึ้นตามกลไกของผู้บริจาคและผู้รับ ตัวรับคือวงโคจรอะตอมอิสระ 2p ของอะตอมคาร์บอน และผู้บริจาคคืออะตอมออกซิเจน ซึ่งให้อิเล็กตรอนคู่เดียวจากวงโคจร 2p:
อัตราส่วนพันธะที่เพิ่มขึ้นทำให้โมเลกุลนี้มีเสถียรภาพและความเฉื่อยสูงภายใต้สภาวะปกติในแง่ของกรดเบส (CO คือออกไซด์ที่ไม่ก่อให้เกิดเกลือ) และคุณสมบัติรีดอกซ์ (CO เป็นตัวรีดิวซ์ที่ ที > 1,000 เคลวิน) ในเวลาเดียวกัน มันทำให้มันเป็นลิแกนด์ที่แอคทีฟในปฏิกิริยาเชิงซ้อนกับอะตอมของโลหะ d และแคตไอออน โดยหลักๆ กับเหล็ก ซึ่งทำให้เกิดเป็นเพนทาคาร์บอนิลของเหล็ก ซึ่งเป็นของเหลวพิษที่ระเหยได้:
ความสามารถในการสร้างสารประกอบเชิงซ้อนด้วยไอออนบวกของโลหะดีเป็นสาเหตุของความเป็นพิษของคาร์บอนมอนอกไซด์ (H) ต่อระบบสิ่งมีชีวิต (มาตรา. 10.4) เนื่องจากการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้กับเฮโมโกลบินและออกซีเฮโมโกลบินที่มีไอออนบวก Fe 2+ โดยมีการก่อตัวของคาร์บอกซีเฮโมโกลบิน:
ความสมดุลเหล่านี้ถูกเลื่อนไปสู่การก่อตัวของคาร์บอกซีฮีโมโกลบิน ННbСО ซึ่งมีความเสถียรมากกว่าของออกซีฮีโมโกลบิน ННbО2 ถึง 210 เท่า สิ่งนี้นำไปสู่การสะสมของคาร์บอกซีเฮโมโกลบินในเลือดและส่งผลให้ความสามารถในการส่งออกซิเจนลดลง
แอนไอออนของกรดไฮโดรไซยานิก CN- ยังมีอิเล็กตรอนที่สามารถโพลาไรซ์ได้ง่าย ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงสร้างสารเชิงซ้อนกับโลหะ d ได้อย่างมีประสิทธิภาพ รวมถึงโลหะชีวิตที่เป็นส่วนหนึ่งของเอนไซม์ ดังนั้นไซยาไนด์จึงเป็นสารประกอบที่มีพิษสูง (ข้อ 10.4)
วัฏจักรคาร์บอนในธรรมชาติวัฏจักรคาร์บอนในธรรมชาติขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาออกซิเดชันและการลดลงของคาร์บอนเป็นหลัก (รูปที่ 12.3)
พืชดูดซึม (1) คาร์บอนมอนอกไซด์ (4) จากชั้นบรรยากาศและไฮโดรสเฟียร์ ส่วนหนึ่งของมวลพืชถูกใช้ไป (2) โดยมนุษย์และสัตว์ การหายใจของสัตว์และการเน่าเปื่อยของซากสัตว์ (3) เช่นเดียวกับการหายใจของพืช การเน่าเปื่อยของพืชที่ตายแล้ว และการเผาไหม้ของไม้ (4) คืนคาร์บอนไดออกไซด์สู่ชั้นบรรยากาศและไฮโดรสเฟียร์ กระบวนการทำให้เป็นแร่ของซากพืช (5) และสัตว์ (6) ด้วยการก่อตัวของพีท ถ่านหินฟอสซิล น้ำมัน ก๊าซ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของคาร์บอนไปเป็นทรัพยากรธรรมชาติ ปฏิกิริยากรด-เบส (7) ทำงานในทิศทางเดียวกัน เกิดขึ้นระหว่าง CO2 และหินต่างๆ โดยมีการก่อตัวของคาร์บอเนต (ตัวกลาง เป็นกรด และเบส):
ส่วนอนินทรีย์ของวงจรนี้นำไปสู่การสูญเสียคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศและไฮโดรสเฟียร์ กิจกรรมของมนุษย์ในการเผาไหม้และการแปรรูปถ่านหิน น้ำมัน ก๊าซ (8) ฟืน (4) ในทางกลับกัน ทำให้สิ่งแวดล้อมอุดมสมบูรณ์ด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์ (4) เป็นเวลานานที่มีความมั่นใจว่าด้วยการสังเคราะห์ด้วยแสงความเข้มข้นของ CO2 ในบรรยากาศยังคงที่ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน การเพิ่มขึ้นของปริมาณ CO2 ในบรรยากาศเนื่องจากกิจกรรมของมนุษย์ไม่ได้รับการชดเชยด้วยการลดลงตามธรรมชาติ การปล่อย CO2 สู่ชั้นบรรยากาศทั้งหมดเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ 4-5% ต่อปี ตามการคำนวณ ในปี พ.ศ. 2543 ปริมาณ CO2 ในชั้นบรรยากาศจะอยู่ที่ประมาณ 0.04% แทนที่จะเป็น 0.03% (พ.ศ. 2533)
หลังจากพิจารณาคุณสมบัติและคุณลักษณะของสารประกอบที่มีคาร์บอนแล้ว ควรเน้นย้ำถึงบทบาทผู้นำของคาร์บอนอีกครั้ง
ข้าว. 12.3.วัฏจักรคาร์บอนใน ธรรมชาติ
Organogen หมายเลข 1: ประการแรก อะตอมของคาร์บอนก่อตัวเป็นโครงกระดูกของโมเลกุลของสารประกอบอินทรีย์ ประการที่สอง อะตอมของคาร์บอนมีบทบาทสำคัญในกระบวนการรีดอกซ์ เนื่องจากในบรรดาอะตอมของออร์กาเจนทั้งหมด คาร์บอนมีลักษณะเฉพาะมากที่สุดด้วยความเป็นคู่ของรีดอกซ์ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติของสารประกอบอินทรีย์ โปรดดูโมดูล IV "ความรู้พื้นฐานของเคมีอินทรีย์ชีวภาพ"
ลักษณะทั่วไปและบทบาททางชีววิทยาขององค์ประกอบ p ของกลุ่ม IVAอะนาล็อกอิเล็กทรอนิกส์ของคาร์บอนเป็นองค์ประกอบของกลุ่ม IVA: ซิลิคอน Si, เจอร์เมเนียม Ge, ดีบุก Sn และตะกั่ว Pb (ดูตารางที่ 1.2) รัศมีของอะตอมขององค์ประกอบเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นตามธรรมชาติเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น และพลังงานไอออไนเซชันและอิเล็กโตรเนกาติวีตี้จะลดลงตามธรรมชาติ (หัวข้อ 1.3) ดังนั้น สององค์ประกอบแรกของกลุ่ม: คาร์บอนและซิลิคอนเป็นอโลหะโดยทั่วไป และเจอร์เมเนียม ดีบุก และตะกั่วเป็นโลหะ เนื่องจากมีลักษณะเฉพาะมากที่สุดคือการสูญเสียอิเล็กตรอน ในซีรีส์ Ge - Sn - Pb คุณสมบัติของโลหะจะเพิ่มขึ้น
จากมุมมองของคุณสมบัติรีดอกซ์ องค์ประกอบ C, Si, Ge, Sn และ Pb ภายใต้สภาวะปกติจะค่อนข้างเสถียรเมื่อเทียบกับอากาศและน้ำ (โลหะ Sn และ Pb - เนื่องจากการก่อตัวของฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิว ). ในเวลาเดียวกันสารประกอบตะกั่ว (4) เป็นตัวออกซิไดซ์ที่แรง:
คุณสมบัติการเกิดสารเชิงซ้อนเป็นลักษณะเฉพาะส่วนใหญ่ของตะกั่ว เนื่องจากแคตไอออน Pb 2+ ของมันนั้นเป็นสารก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนที่รุนแรงเมื่อเปรียบเทียบกับแคตไอออนขององค์ประกอบ p อื่นๆ ของกลุ่ม IVA แคตไอออนของตะกั่วก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนที่แข็งแกร่งกับไบโอลิแกนด์
องค์ประกอบของกลุ่ม IVA แตกต่างกันอย่างมากทั้งในด้านเนื้อหาในร่างกายและบทบาททางชีววิทยา คาร์บอนมีบทบาทพื้นฐานในชีวิตของร่างกาย โดยมีเนื้อหาประมาณ 20% เนื้อหาขององค์ประกอบ IVA ของกลุ่มอื่น ๆ ในร่างกายอยู่ภายใน 10 -6 -10 -3% ในเวลาเดียวกันหากซิลิคอนและเจอร์เมเนียมมีบทบาทสำคัญในชีวิตของร่างกายอย่างไม่ต้องสงสัย ดีบุกและโดยเฉพาะอย่างยิ่งตะกั่วก็เป็นพิษ ดังนั้นเมื่อมวลอะตอมของธาตุกลุ่ม IVA เพิ่มขึ้น ความเป็นพิษของสารประกอบจึงเพิ่มขึ้น
ฝุ่นที่ประกอบด้วยอนุภาคของถ่านหินหรือซิลิคอนไดออกไซด์ SiO2 เมื่อสัมผัสกับปอดอย่างเป็นระบบทำให้เกิดโรค - โรคปอดบวม ในกรณีฝุ่นถ่านหิน เป็นโรคแอนแทรคโคซิส ซึ่งเป็นโรคจากการทำงานของคนงานเหมือง เมื่อสูดดมฝุ่นที่มี Si02 จะเกิดซิลิโคซิส ยังไม่มีการสร้างกลไกการพัฒนาของโรคปอดบวม สันนิษฐานว่าเมื่อสัมผัสเม็ดทรายซิลิเกตกับของเหลวชีวภาพเป็นเวลานานกรดโพลีซิลิซิก Si02 yH2O จะก่อตัวขึ้นในสถานะคล้ายเจลซึ่งการสะสมในเซลล์จะทำให้พวกมันตาย
มนุษยชาติทราบถึงผลกระทบที่เป็นพิษของสารตะกั่วมาเป็นเวลานานแล้ว การใช้ตะกั่วเพื่อทำอาหารและท่อน้ำทำให้เกิดพิษร้ายแรงต่อผู้คน ปัจจุบัน ตะกั่วยังคงเป็นหนึ่งในมลพิษทางสิ่งแวดล้อมหลัก เนื่องจากการปล่อยสารประกอบตะกั่วออกสู่ชั้นบรรยากาศมีจำนวนมากกว่า 400,000 ตันต่อปี ตะกั่วสะสมส่วนใหญ่อยู่ในโครงกระดูกในรูปของฟอสเฟต Pb3 (PO4) 2 ที่ละลายได้ไม่ดี และเมื่อกระดูกถูกกำจัดแร่ธาตุออกไป ก็จะเป็นพิษต่อร่างกายเป็นประจำ ดังนั้นตะกั่วจึงจัดว่าเป็นพิษสะสม ความเป็นพิษของสารประกอบตะกั่วสัมพันธ์กับคุณสมบัติเชิงซ้อนและความสัมพันธ์สูงกับไบโอลิแกนด์เป็นหลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารประกอบที่มีหมู่ซัลไฮดริล (-SH):
การก่อตัวของสารประกอบเชิงซ้อนของไอออนตะกั่วด้วยโปรตีน ฟอสโฟลิพิด และนิวคลีโอไทด์ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพ ไอออนของตะกั่วมักจะยับยั้งเอนไซม์เมทัลโลเอ็นไซม์ EM 2+ โดยแทนที่แคตไอออนของโลหะที่มีชีวิตจากพวกมัน:
ตะกั่วและสารประกอบของตะกั่วเป็นพิษที่ออกฤทธิ์ต่อระบบประสาท หลอดเลือด และเลือดเป็นหลัก ในเวลาเดียวกัน สารประกอบตะกั่วส่งผลต่อการสังเคราะห์โปรตีน ความสมดุลของพลังงานของเซลล์ และอุปกรณ์ทางพันธุกรรม
ในทางการแพทย์ ยาฆ่าเชื้อภายนอกต่อไปนี้ถูกใช้เป็นยาสมานแผล: lead acetate Pb(CH3COO)2 ZH2O (โลชั่นตะกั่ว) และตะกั่ว(2) ออกไซด์ PbO (พลาสเตอร์ตะกั่ว) ไอออนตะกั่วของสารประกอบเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับโปรตีน (อัลบูมิน) ในไซโตพลาสซึมของเซลล์และเนื้อเยื่อของจุลินทรีย์ ทำให้เกิดอัลบูมิเนตคล้ายเจล การก่อตัวของเจลจะฆ่าจุลินทรีย์และยังทำให้ยากสำหรับพวกมันที่จะเจาะเข้าไปในเซลล์เนื้อเยื่อ ซึ่งจะช่วยลดการตอบสนองการอักเสบในท้องถิ่น
สถาบันการศึกษาเทศบาล "โรงเรียนมัธยม Nikiforovskaya หมายเลข 1"
คาร์บอนและสารประกอบอนินทรีย์หลัก
เรียงความ
เสร็จสิ้นโดย: นักเรียนเกรด 9B
ซิโดรอฟ อเล็กซานเดอร์
ครู: Sakharova L.N.
มิทรีเยฟกา 2009
การแนะนำ
บทที่ 1 ทุกอย่างเกี่ยวกับคาร์บอน
1.1. คาร์บอนในธรรมชาติ
1.2. การดัดแปลงคาร์บอนแบบ Allotropic
1.3. คุณสมบัติทางเคมีของคาร์บอน
1.4. การประยุกต์ใช้คาร์บอน
บทที่สอง สารประกอบคาร์บอนอนินทรีย์
บทสรุป
วรรณกรรม
การแนะนำ
คาร์บอน (lat. Carboneum) C เป็นองค์ประกอบทางเคมีของกลุ่ม IV ของระบบธาตุของ Mendeleev: เลขอะตอม 6, มวลอะตอม 12.011(1) พิจารณาโครงสร้างของอะตอมคาร์บอน ระดับพลังงานภายนอกของอะตอมคาร์บอนประกอบด้วยอิเล็กตรอนสี่ตัว ลองพรรณนามันแบบกราฟิก:
คาร์บอนเป็นที่รู้จักมาตั้งแต่สมัยโบราณและไม่เป็นที่รู้จักของผู้ค้นพบธาตุนี้
ในช่วงปลายศตวรรษที่ 17 นักวิทยาศาสตร์ชาวฟลอเรนซ์ Averani และ Tardgioni พยายามหลอมเพชรเม็ดเล็กหลายเม็ดให้เป็นเพชรเม็ดใหญ่เม็ดเดียว แล้วอุ่นเพชรด้วยกระจกที่ลุกไหม้โดยใช้แสงแดด เพชรหายไปและลุกไหม้อยู่ในอากาศ ในปี ค.ศ. 1772 นักเคมีชาวฝรั่งเศส A. Lavoisier แสดงให้เห็นว่าเมื่อเพชรเผาไหม้ CO 2 จะก่อตัวขึ้น เฉพาะในปี พ.ศ. 2340 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ S. Tennant ได้พิสูจน์เอกลักษณ์ของธรรมชาติของกราไฟท์และถ่านหิน หลังจากเผาถ่านหินและเพชรในปริมาณเท่ากัน ปริมาตรของคาร์บอนมอนอกไซด์ (IV) ก็เท่ากัน
ความหลากหลายของสารประกอบคาร์บอน ซึ่งอธิบายได้จากความสามารถของอะตอมในการรวมตัวเข้าด้วยกันและอะตอมของธาตุอื่นๆ ในรูปแบบต่างๆ เป็นตัวกำหนดตำแหน่งพิเศษของคาร์บอนเหนือองค์ประกอบอื่นๆ
บท ฉัน - ทุกอย่างเกี่ยวกับคาร์บอน
1.1. คาร์บอนในธรรมชาติ
คาร์บอนพบได้ในธรรมชาติ ทั้งในสถานะอิสระและในรูปของสารประกอบ
คาร์บอนอิสระเกิดขึ้นในรูปของเพชร กราไฟท์ และคาร์ไบน์
เพชรนั้นหายากมาก เพชร Cullinan ที่ใหญ่ที่สุดถูกค้นพบในปี 1905 ในแอฟริกาใต้ หนัก 621.2 กรัม และมีขนาด 10x6.5x5 ซม. กองทุน Diamond Fund ในมอสโกวถือเป็นเพชรที่ใหญ่ที่สุดและสวยที่สุดในโลก “Orlov” (37.92 กรัม) .
เพชรได้ชื่อมาจากภาษากรีก "adamas" - อยู่ยงคงกระพันทำลายไม่ได้ แหล่งสะสมเพชรที่สำคัญที่สุดอยู่ในแอฟริกาใต้ บราซิล และยาคุเตีย
กราไฟท์จำนวนมากตั้งอยู่ในเยอรมนี ศรีลังกา ไซบีเรีย และอัลไต
แร่ธาตุหลักที่มีคาร์บอน ได้แก่ แมกนีไซต์ MgCO 3 แคลไซต์ (สปาร์ปูนขาว หินปูน หินอ่อน ชอล์ก) CaCO 3 โดโลไมต์ CaMg(CO 3) 2 เป็นต้น
เชื้อเพลิงฟอสซิลทั้งหมด เช่น น้ำมัน ก๊าซ พีท ถ่านหิน ถ่านหินสีน้ำตาล หินดินดาน ถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของคาร์บอน ถ่านหินฟอสซิลบางชนิดที่มี C สูงถึง 99% มีองค์ประกอบใกล้เคียงกับคาร์บอน
คาร์บอนคิดเป็น 0.1% ของเปลือกโลก
ในรูปของคาร์บอนมอนอกไซด์ (IV) CO 2 คาร์บอนจะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ CO 2 จำนวนมากถูกละลายในไฮโดรสเฟียร์
1.2. การดัดแปลงคาร์บอนแบบ Allotropic
คาร์บอนเบื้องต้นทำให้เกิดการดัดแปลงแบบ allotropic สามแบบ: เพชร กราไฟท์ และคาร์ไบน์
1. เพชรเป็นสารผลึกใสไม่มีสีที่หักเหรังสีแสงได้แรงมาก อะตอมของคาร์บอนในเพชรอยู่ในสถานะการผสมพันธุ์ sp 3 ในสภาวะตื่นเต้น เวเลนซ์อิเล็กตรอนในอะตอมของคาร์บอนจะถูกจับคู่กัน และเกิดอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่สี่ตัว เมื่อเกิดพันธะเคมี เมฆอิเล็กตรอนจะมีรูปร่างยาวเหมือนกันและตั้งอยู่ในอวกาศเพื่อให้แกนของพวกมันหันไปทางจุดยอดของจัตุรมุข เมื่อยอดเมฆเหล่านี้ซ้อนทับกับเมฆของอะตอมคาร์บอนอื่นๆ พันธะโควาเลนต์จะเกิดขึ้นที่มุม 109°28" และเกิดตาข่ายผลึกอะตอมขึ้น ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของเพชร
อะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมในเพชรถูกล้อมรอบด้วยอะตอมอีกสี่อะตอม ซึ่งอยู่ห่างจากศูนย์กลางของจัตุรมุขไปจนถึงจุดยอด ระยะห่างระหว่างอะตอมในจัตุรมุขคือ 0.154 นาโนเมตร ความเข้มแข็งของการเชื่อมต่อทั้งหมดจะเหมือนกัน ดังนั้นอะตอมในเพชรจึง "อัดแน่น" อย่างแน่นหนา ที่อุณหภูมิ 20°C ความหนาแน่นของเพชรคือ 3.515 g/cm3 สิ่งนี้อธิบายถึงความแข็งเป็นพิเศษ เพชรเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี
ในปีพ.ศ. 2504 สหภาพโซเวียตเริ่มผลิตเพชรสังเคราะห์จากกราไฟต์เชิงอุตสาหกรรม
ในการสังเคราะห์เพชรทางอุตสาหกรรม จะใช้แรงดันหลายพัน MPa และอุณหภูมิตั้งแต่ 1,500 ถึง 3,000°C กระบวนการนี้ดำเนินการต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งอาจเป็นโลหะบางชนิด เช่น Ni เพชรที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่เป็นผลึกขนาดเล็กและฝุ่นเพชร
เมื่อได้รับความร้อนโดยไม่ต้องเข้าถึงอากาศที่สูงกว่า 1,000°C เพชรจะกลายเป็นกราไฟท์ ที่อุณหภูมิ 1,750°C การเปลี่ยนรูปเพชรเป็นกราไฟท์จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว
โครงสร้างเพชร
2. กราไฟท์เป็นสารผลึกสีเทา-ดำที่มีความมันวาวของโลหะ เมื่อสัมผัสจะมันเยิ้ม และมีความแข็งต่ำกว่ากระดาษด้วยซ้ำ
อะตอมของคาร์บอนในผลึกกราไฟท์อยู่ในสถานะการผสมพันธุ์ sp 2 โดยแต่ละอะตอมจะสร้างพันธะโควาเลนต์ σ สามพันธะกับอะตอมข้างเคียง มุมระหว่างทิศทางพันธะคือ 120° ผลลัพธ์ที่ได้คือตารางที่ประกอบด้วยรูปหกเหลี่ยมปกติ ระยะห่างระหว่างนิวเคลียสที่อยู่ติดกันของอะตอมคาร์บอนภายในชั้นคือ 0.142 นาโนเมตร อิเล็กตรอนตัวที่สี่ในชั้นนอกสุดของอะตอมคาร์บอนแต่ละตัวในกราไฟต์ครอบครอง p ออร์บิทัลที่ไม่มีส่วนร่วมในการผสมพันธุ์
เมฆอิเล็กตรอนที่ไม่ใช่ไฮบริดของอะตอมคาร์บอนนั้นตั้งฉากกับระนาบของชั้น และซ้อนทับกัน ทำให้เกิดพันธะ σ แบบแยกส่วน ชั้นที่อยู่ติดกันในผลึกกราไฟท์อยู่ห่างจากกัน 0.335 นาโนเมตรและมีการเชื่อมต่อกันอย่างอ่อน โดยส่วนใหญ่ใช้แรงแวนเดอร์วาลส์ ดังนั้นกราไฟท์จึงมีความแข็งแรงเชิงกลต่ำและแตกตัวเป็นสะเก็ดได้ง่ายซึ่งมีความแข็งแรงมาก พันธะระหว่างชั้นอะตอมของคาร์บอนในกราไฟท์มีลักษณะเป็นโลหะบางส่วน สิ่งนี้อธิบายความจริงที่ว่ากราไฟท์นำไฟฟ้าได้ดี แต่ก็ไม่ดีเท่ากับโลหะ
โครงสร้างกราไฟท์
คุณสมบัติทางกายภาพของกราไฟท์มีความแตกต่างกันอย่างมากในทิศทาง - ตั้งฉากและขนานกับชั้นของอะตอมคาร์บอน
เมื่อได้รับความร้อนโดยไม่มีอากาศเข้าถึง กราไฟท์จะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ สูงถึง 3700°C ที่อุณหภูมิที่กำหนด ซับไลม์ได้โดยไม่ละลาย
กราไฟท์เทียมผลิตจากถ่านหินเกรดดีที่สุดที่อุณหภูมิ 3000°C ในเตาเผาไฟฟ้าที่ไม่มีอากาศเข้าถึง
กราไฟต์มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ในช่วงอุณหภูมิและความดันที่หลากหลาย ดังนั้นจึงเป็นที่ยอมรับว่าเป็นสถานะมาตรฐานของคาร์บอน ความหนาแน่นของกราไฟท์คือ 2.265 g/cm3
3. Carbin เป็นผงสีดำผลึกละเอียด ในโครงสร้างผลึก อะตอมของคาร์บอนเชื่อมต่อกันโดยการสลับพันธะเดี่ยวและพันธะสามในสายโซ่เชิงเส้น:
−С≡С−С≡С−С≡С−
สารนี้ได้รับครั้งแรกโดย V.V. Korshak, A.M. สลาดคอฟ, V.I. Kasatochkin, Y.P. Kudryavtsev ในช่วงต้นทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ XX
ต่อมาแสดงให้เห็นว่าคาร์ไบน์สามารถมีอยู่ได้ในรูปแบบที่แตกต่างกันและมีทั้งสายโพลีอะเซทิลีนและโพลีคิวมูลีน ซึ่งอะตอมของคาร์บอนเชื่อมโยงกันด้วยพันธะคู่:
ค=ซี=ซี=ซี=ซี=ซี=
ต่อมาพบคาร์ไบน์ในธรรมชาติ - ในสสารอุกกาบาต
Carbyne มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ เมื่อสัมผัสกับแสง ค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากการมีอยู่ของพันธะประเภทต่างๆ และวิธีการวางสายโซ่ของอะตอมคาร์บอนที่แตกต่างกันในโครงตาข่ายคริสตัล คุณสมบัติทางกายภาพของคาร์ไบน์จึงอาจแตกต่างกันอย่างมาก เมื่อได้รับความร้อนโดยไม่ต้องเข้าถึงอากาศที่สูงกว่า 2000°C คาร์ไบน์จะคงตัว ที่อุณหภูมิประมาณ 2300°C จะสังเกตเห็นการเปลี่ยนไปใช้กราไฟท์
คาร์บอนธรรมชาติประกอบด้วยสองไอโซโทป (98.892%) และ (1.108%) นอกจากนี้ ยังพบส่วนผสมเล็กน้อยของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีซึ่งผลิตขึ้นเองในชั้นบรรยากาศ
ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าถ่าน เขม่า และโค้กมีองค์ประกอบคล้ายคลึงกับคาร์บอนบริสุทธิ์ และมีคุณสมบัติแตกต่างกันตั้งแต่เพชรและกราไฟต์ ซึ่งแสดงถึงการดัดแปลงคาร์บอนแบบ allotropic อย่างอิสระ ("คาร์บอนอสัณฐาน") อย่างไรก็ตาม พบว่าสารเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคผลึกเล็กๆ ซึ่งอะตอมของคาร์บอนถูกพันธะในลักษณะเดียวกับกราไฟท์
4. ถ่านหิน – กราไฟท์บดละเอียด มันเกิดขึ้นระหว่างการสลายตัวด้วยความร้อนของสารประกอบที่มีคาร์บอนโดยไม่มีอากาศเข้าถึง ถ่านหินมีคุณสมบัติแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญขึ้นอยู่กับสารที่ได้รับและวิธีการผลิต มักมีสิ่งเจือปนที่ส่งผลต่อคุณสมบัติอยู่เสมอ ถ่านหินประเภทที่สำคัญที่สุดคือ โค้ก ถ่านไม้ และเขม่า
โค้กผลิตโดยการให้ความร้อนถ่านหินโดยไม่ต้องเข้าถึงอากาศ
ถ่านเกิดขึ้นเมื่อไม้ถูกทำให้ร้อนโดยไม่มีอากาศเข้าไป
เขม่าเป็นผงผลึกกราไฟท์ที่ละเอียดมาก เกิดขึ้นจากการเผาไหม้ของไฮโดรคาร์บอน (ก๊าซธรรมชาติ อะเซทิลีน น้ำมันสน ฯลฯ) โดยมีอากาศเข้าถึงได้จำกัด
ถ่านกัมมันต์เป็นตัวดูดซับทางอุตสาหกรรมที่มีรูพรุนซึ่งประกอบด้วยคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่ การดูดซับคือการดูดซับก๊าซและสารที่ละลายโดยพื้นผิวของของแข็ง ถ่านกัมมันต์ได้มาจากเชื้อเพลิงแข็ง (พีท สีน้ำตาลและถ่านหินแข็ง แอนทราไซต์) ไม้และผลิตภัณฑ์จากมัน (ถ่าน ขี้เลื่อย เศษกระดาษ) ขยะจากอุตสาหกรรมเครื่องหนัง และวัสดุจากสัตว์ เช่น กระดูก ถ่านหินซึ่งมีความแข็งแรงเชิงกลสูงผลิตจากเปลือกมะพร้าวและถั่วอื่นๆ และจากเมล็ดผลไม้ โครงสร้างของถ่านหินแสดงด้วยรูพรุนทุกขนาด อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการดูดซับและอัตราการดูดซับถูกกำหนดโดยปริมาณของไมโครพอร์ต่อหน่วยมวลหรือปริมาตรของเม็ด เมื่อผลิตถ่านกัมมันต์ วัสดุตั้งต้นจะถูกนำไปผ่านการบำบัดความร้อนก่อนโดยไม่ต้องเข้าถึงอากาศ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่ความชื้นและเรซินบางส่วนถูกกำจัดออกไป ในกรณีนี้จะเกิดโครงสร้างถ่านหินที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ เพื่อให้ได้โครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดเล็ก การกระตุ้นจะดำเนินการโดยการเกิดออกซิเดชันกับก๊าซหรือไอน้ำ หรือโดยการบำบัดด้วยรีเอเจนต์เคมี
1.3. คุณสมบัติทางเคมีของคาร์บอน
ที่อุณหภูมิปกติ เพชร กราไฟต์ และถ่านหินมีความเฉื่อยทางเคมี แต่ที่อุณหภูมิสูง กิจกรรมของพวกมันจะเพิ่มขึ้น ดังต่อไปนี้จากโครงสร้างของคาร์บอนในรูปแบบหลักถ่านหินจะทำปฏิกิริยาได้ง่ายกว่ากราไฟท์และโดยเฉพาะเพชร กราไฟต์ไม่เพียงแต่มีปฏิกิริยามากกว่าเพชรเท่านั้น แต่เมื่อทำปฏิกิริยากับสารบางชนิด กราไฟต์ยังสามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่เพชรไม่ได้ก่อตัวขึ้นอีกด้วย
1. ในฐานะตัวออกซิไดซ์ คาร์บอนจะทำปฏิกิริยากับโลหะบางชนิดที่อุณหภูมิสูงจนเกิดเป็นคาร์ไบด์:
ZS + 4Al = Al 4 C 3 (อลูมิเนียมคาร์ไบด์)
2. ด้วยไฮโดรเจน ถ่านหิน และกราไฟท์จะเกิดไฮโดรคาร์บอน ตัวแทนที่ง่ายที่สุด - มีเทน CH 4 - สามารถรับได้เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา Ni ที่อุณหภูมิสูง (600-1,000 ° C):
C + 2H 2 CH 4
3. เมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจน คาร์บอนจะมีคุณสมบัติลดลง ด้วยการเผาไหม้คาร์บอนที่สมบูรณ์ของการดัดแปลงแบบ allotropic คาร์บอนมอนอกไซด์ (IV) จะเกิดขึ้น:
C + O 2 = CO 2
การเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (II) CO:
C + O 2 = 2CO
ปฏิกิริยาทั้งสองเป็นแบบคายความร้อน
4. คุณสมบัติรีดิวซ์ของถ่านหินจะเด่นชัดเป็นพิเศษเมื่อทำปฏิกิริยากับโลหะออกไซด์ (สังกะสี ทองแดง ตะกั่ว ฯลฯ ) ตัวอย่างเช่น:
C + 2CuO = CO 2 + 2Cu,
C + 2ZnO = CO 2 + 2Zn
กระบวนการที่สำคัญที่สุดของโลหะวิทยาคือการถลุงโลหะจากแร่ ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาเหล่านี้
ในกรณีอื่น ๆ เช่น เมื่อทำปฏิกิริยากับแคลเซียมออกไซด์จะเกิดคาร์ไบด์:
CaO + 3S = CaC 2 + CO
5. ถ่านหินถูกออกซิไดซ์ด้วยกรดซัลฟิวริกเข้มข้นและกรดไนตริกร้อน:
C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O,
3S + 4HNO 3 = 3SO 2 + 4NO + 2H 2 O
คาร์บอนทุกรูปแบบสามารถทนต่อด่างได้!
1.4. การประยุกต์ใช้คาร์บอน
เพชรถูกนำมาใช้ในการแปรรูปวัสดุแข็งต่างๆ สำหรับการตัด เจียร เจาะและแกะสลักกระจก และสำหรับเจาะหิน เพชรหลังจากขัดและเจียระไนแล้วจะถูกเปลี่ยนเป็นเพชรที่ใช้เป็นเครื่องประดับ
กราไฟท์เป็นวัสดุที่มีค่าที่สุดสำหรับอุตสาหกรรมสมัยใหม่ กราไฟท์ใช้ทำแม่พิมพ์หล่อ ถ้วยใส่ตัวอย่างหลอม และผลิตภัณฑ์ทนไฟอื่นๆ เนื่องจากมีความทนทานต่อสารเคมีสูง กราไฟท์จึงถูกนำมาใช้ในการผลิตท่อและอุปกรณ์ที่บุด้วยแผ่นกราไฟท์ด้านใน กราไฟท์ในปริมาณมากถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมไฟฟ้า เช่น ในการผลิตอิเล็กโทรด กราไฟท์ใช้ทำดินสอและสีบางชนิด และเป็นสารหล่อลื่น กราไฟท์ที่บริสุทธิ์มากถูกใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อลดนิวตรอน
คาร์ไบน์ โพลีเมอร์คาร์บอนเชิงเส้นกำลังดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ในฐานะวัสดุที่มีศักยภาพสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงและเส้นใยที่มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ
ถ่านใช้ในอุตสาหกรรมโลหะและงานช่างตีเหล็ก
โค้กถูกใช้เป็นตัวรีดิวซ์ในการถลุงโลหะจากแร่
คาร์บอนแบล็คถูกใช้เป็นสารเติมแต่งยางเพื่อเพิ่มความแข็งแรง ซึ่งเป็นสาเหตุที่ยางรถยนต์จึงมีสีดำ เขม่ายังใช้เป็นส่วนประกอบของหมึกพิมพ์ หมึก และยาขัดรองเท้า
ถ่านกัมมันต์ใช้ในการทำให้บริสุทธิ์ สกัด และแยกสารต่างๆ ถ่านกัมมันต์ถูกใช้เป็นสารตัวเติมในหน้ากากป้องกันแก๊สพิษและเป็นสารดูดซับในทางการแพทย์
บท ครั้งที่สอง - สารประกอบคาร์บอนอนินทรีย์
คาร์บอนก่อตัวเป็นออกไซด์สองตัว - คาร์บอนมอนอกไซด์ (II) CO และคาร์บอนมอนอกไซด์ (IV) CO 2
คาร์บอนมอนอกไซด์ (II) CO เป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ละลายได้ในน้ำเล็กน้อย มันถูกเรียกว่าคาร์บอนมอนอกไซด์เพราะมันเป็นพิษมาก เมื่อเข้าสู่กระแสเลือดในระหว่างการหายใจมันจะรวมตัวกับฮีโมโกลบินอย่างรวดเร็วทำให้เกิดคาร์บอกซีฮีโมโกลบินที่มีความเข้มข้นซึ่งทำให้ฮีโมโกลบินไม่สามารถลำเลียงออกซิเจนได้
หากสูดอากาศที่มี CO 0.1% เข้าไป บุคคลอาจหมดสติและเสียชีวิตกะทันหันได้ คาร์บอนมอนอกไซด์เกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งเป็นเหตุให้การปิดปล่องไฟก่อนเวลาอันควรเป็นอันตรายมาก
อย่างที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าคาร์บอนมอนอกไซด์ (II) จัดอยู่ในประเภทออกไซด์ที่ไม่ก่อให้เกิดเกลือ เนื่องจากเป็นออกไซด์ที่ไม่ใช่โลหะ จึงควรทำปฏิกิริยากับด่างและออกไซด์พื้นฐานเพื่อสร้างเกลือและน้ำ แต่ไม่ได้สังเกตสิ่งนี้ .
2CO + O 2 = 2CO 2
คาร์บอนมอนอกไซด์ (II) สามารถกำจัดออกซิเจนออกจากออกไซด์ของโลหะได้ เช่น ลดโลหะจากออกไซด์ของพวกเขา
เฟ 2 O 3 + ZSO = 2เฟ + ZSO 2
เป็นคุณสมบัติของคาร์บอน (II) ออกไซด์ที่ใช้ในโลหะวิทยาเมื่อทำการหลอมเหล็กหล่อ
คาร์บอนมอนอกไซด์ (IV) CO 2 หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าคาร์บอนไดออกไซด์ เป็นก๊าซไม่มีสีไม่มีกลิ่น หนักกว่าอากาศประมาณหนึ่งเท่าครึ่ง ภายใต้สภาวะปกติ คาร์บอนไดออกไซด์ 1 ปริมาตรจะละลายในน้ำ 1 ปริมาตร
ที่ความดันประมาณ 60 atm คาร์บอนไดออกไซด์จะกลายเป็นของเหลวไม่มีสี เมื่อก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เหลวระเหยไป ส่วนหนึ่งจะกลายเป็นมวลแข็งคล้ายหิมะซึ่งถูกอัดแน่นในอุตสาหกรรม - นี่คือ "น้ำแข็งแห้ง" ที่คุณรู้จักซึ่งใช้สำหรับเก็บอาหาร คุณรู้อยู่แล้วว่าคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นของแข็งมีโครงตาข่ายโมเลกุลและสามารถระเหิดได้
คาร์บอนไดออกไซด์ CO 2 เป็นออกไซด์ที่เป็นกรดโดยทั่วไป โดยจะทำปฏิกิริยากับด่าง (เช่น ทำให้เกิดความขุ่นในน้ำมะนาว) กับออกไซด์พื้นฐานและน้ำ
ไม่เผาไหม้และไม่สนับสนุนการเผาไหม้จึงใช้เพื่อดับไฟ อย่างไรก็ตาม แมกนีเซียมยังคงเผาไหม้อยู่ในคาร์บอนไดออกไซด์ ก่อตัวเป็นออกไซด์และปล่อยคาร์บอนออกมาในรูปของเขม่า
CO 2 + 2Mg = 2MgO + C
คาร์บอนไดออกไซด์ผลิตโดยการทำปฏิกิริยาเกลือของกรดคาร์บอนิก - คาร์บอเนตด้วยสารละลายของกรดไฮโดรคลอริกไนตริกและแม้แต่กรดอะซิติก ในห้องปฏิบัติการ คาร์บอนไดออกไซด์เกิดจากการกระทำของกรดไฮโดรคลอริกบนชอล์กหรือหินอ่อน
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 0 + C0 2
ในอุตสาหกรรม ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เกิดจากการเผาหินปูน:
CaCO 3 = CaO + C0 2.
นอกเหนือจากการใช้งานที่กล่าวไปแล้ว คาร์บอนไดออกไซด์ยังใช้ทำเครื่องดื่มเป็นฟองและผลิตโซดาอีกด้วย
เมื่อคาร์บอนมอนอกไซด์ (IV) ละลายในน้ำจะเกิดกรดคาร์บอนิก H 2 CO 3 ซึ่งไม่เสถียรมากและสลายตัวเป็นส่วนประกอบดั้งเดิมได้ง่าย - คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ
ในฐานะที่เป็นกรดไดบาซิก กรดคาร์บอนิกจะก่อตัวเป็นเกลือสองชุด: ตัวกลาง - คาร์บอเนต เช่น CaCO 3 และกรด - ไฮโดรคาร์บอเนต เช่น Ca(HCO 3) 2 คาร์บอเนตมีเพียงเกลือโพแทสเซียมโซเดียมและแอมโมเนียมเท่านั้นที่ละลายในน้ำได้ โดยทั่วไปเกลือของกรดจะละลายได้ในน้ำ
เมื่อมีคาร์บอนไดออกไซด์มากเกินไปเมื่อมีน้ำ คาร์บอเนตสามารถเปลี่ยนเป็นไบคาร์บอเนตได้ ดังนั้น หากคาร์บอนไดออกไซด์ถูกส่งผ่านน้ำปูนขาว ในตอนแรกมันจะกลายเป็นเมฆมากเนื่องจากการตกตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนตที่ไม่ละลายน้ำ แต่เมื่อก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านเข้าไปอีก ความขุ่นจะหายไปอันเป็นผลมาจากการก่อตัวของแคลเซียมไบคาร์บอเนตที่ละลายน้ำได้:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2.
การมีอยู่ของเกลือนี้เองที่อธิบายความกระด้างชั่วคราวของน้ำ ทำไมต้องชั่วคราว? เพราะเมื่อถูกความร้อน แคลเซียมไบคาร์บอเนตที่ละลายน้ำได้จะเปลี่ยนกลับเป็นคาร์บอเนตที่ไม่ละลายน้ำ:
Ca(HCO 3) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 0 + C0 2.
ปฏิกิริยานี้นำไปสู่การก่อตัวของตะกรันบนผนังหม้อไอน้ำ ท่อทำความร้อนด้วยไอน้ำ และกาต้มน้ำในบ้าน และโดยธรรมชาติอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยานี้ หินย้อยแปลกประหลาดที่ห้อยลงมาจะก่อตัวขึ้นในถ้ำ ซึ่งมีหินงอกงอกขึ้นมาจากด้านล่าง
เกลือแคลเซียมและแมกนีเซียมอื่นๆ โดยเฉพาะคลอไรด์และซัลเฟต จะทำให้น้ำมีความกระด้างถาวร การต้มไม่สามารถขจัดความกระด้างถาวรในน้ำได้ คุณต้องใช้คาร์บอเนต - โซดาอื่น
Na 2 CO 3 ซึ่งแปลงไอออน Ca 2+ เหล่านี้เป็นตะกอน ตัวอย่างเช่น:
CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaCl
เบกกิ้งโซดาสามารถใช้เพื่อขจัดความกระด้างของน้ำชั่วคราวได้
สามารถตรวจจับคาร์บอเนตและไบคาร์บอเนตได้โดยใช้สารละลายกรด: เมื่อสัมผัสกับกรดจะสังเกตลักษณะ "การเดือด" เนื่องจากการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาเชิงคุณภาพต่อเกลือของกรดคาร์บอนิก
บทสรุป
ทุกชีวิตบนโลกนี้ขึ้นอยู่กับคาร์บอน แต่ละโมเลกุลของสิ่งมีชีวิตถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของโครงกระดูกคาร์บอน อะตอมของคาร์บอนจะย้ายจากส่วนหนึ่งของชีวมณฑลอย่างต่อเนื่อง (เปลือกแคบของโลกที่มีสิ่งมีชีวิต) ไปยังอีกส่วนหนึ่ง ด้วยการใช้ตัวอย่างของวัฏจักรคาร์บอนในธรรมชาติ เราสามารถติดตามพลวัตของสิ่งมีชีวิตบนโลกของเราได้
ปริมาณสำรองคาร์บอนหลักบนโลกอยู่ในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศและละลายในมหาสมุทรโลกนั่นคือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO 2) ก่อนอื่นให้เราพิจารณาโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศก่อน พืชดูดซับโมเลกุลเหล่านี้ จากนั้นผ่านกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง อะตอมของคาร์บอนจะถูกแปลงเป็นสารประกอบอินทรีย์หลายชนิด และรวมเข้าไว้ในโครงสร้างของพืช มีหลายตัวเลือกด้านล่าง:
1. คาร์บอนสามารถคงอยู่ในพืชได้จนกว่าพืชจะตาย จากนั้นโมเลกุลของพวกมันก็จะไปเป็นอาหารสำหรับการย่อยสลาย (สิ่งมีชีวิตที่กินอินทรียวัตถุที่ตายแล้วและในเวลาเดียวกันก็ทำลายมันให้เป็นสารประกอบอนินทรีย์ธรรมดา ๆ ) เช่น เชื้อราและปลวก ในที่สุดคาร์บอนจะกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศในรูปของ CO2;
2. สัตว์กินพืชสามารถกินพืชได้ ในกรณีนี้ คาร์บอนจะกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศ (ในกระบวนการหายใจของสัตว์และระหว่างการสลายตัวหลังความตาย) หรือสัตว์กินพืชจะถูกกินโดยสัตว์กินเนื้อ (ในกรณีนี้ คาร์บอนจะกลับมาสู่ชั้นบรรยากาศอีกครั้งใน วิธีเดียวกัน);
3.พืชอาจตายและไปอยู่ใต้ดินได้ จากนั้นพวกมันก็จะกลายเป็นเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ถ่านหิน ในที่สุด
ในกรณีที่ละลายโมเลกุล CO 2 ดั้งเดิมในน้ำทะเล มีหลายทางเลือกให้เลือก:
คาร์บอนไดออกไซด์สามารถกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศได้อย่างง่ายดาย (การแลกเปลี่ยนก๊าซร่วมกันระหว่างมหาสมุทรโลกกับชั้นบรรยากาศประเภทนี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง)
คาร์บอนสามารถเข้าสู่เนื้อเยื่อของพืชหรือสัตว์ทะเลได้ จากนั้นจะค่อยๆสะสมตัวเป็นตะกอนที่ก้นมหาสมุทรโลกและกลายเป็นหินปูนในที่สุดหรือจากตะกอนจะไหลลงสู่น้ำทะเลอีกครั้ง
หากคาร์บอนถูกรวมเข้ากับตะกอนหรือเชื้อเพลิงฟอสซิล คาร์บอนจะถูกกำจัดออกจากชั้นบรรยากาศ ตลอดการดำรงอยู่ของโลก คาร์บอนที่ถูกกำจัดด้วยวิธีนี้จะถูกแทนที่ด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศระหว่างการปะทุของภูเขาไฟและกระบวนการความร้อนใต้พิภพอื่น ๆ ในสภาวะปัจจุบัน ปัจจัยทางธรรมชาติเหล่านี้ยังได้รับการเสริมด้วยการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลของมนุษย์ เนื่องจากอิทธิพลของ CO 2 ต่อปรากฏการณ์เรือนกระจก การศึกษาวัฏจักรคาร์บอนจึงกลายเป็นงานสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาบรรยากาศ
การค้นหาส่วนหนึ่งของนี้คือการหาปริมาณ CO 2 ที่พบในเนื้อเยื่อพืช (เช่น ในป่าปลูกใหม่) นักวิทยาศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่าแหล่งกักเก็บคาร์บอน ในขณะที่รัฐบาลพยายามบรรลุข้อตกลงระหว่างประเทศเพื่อจำกัดการปล่อย CO 2 ปัญหาของการสร้างสมดุลการกักเก็บคาร์บอนและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในแต่ละประเทศได้กลายเป็นประเด็นสำคัญของความขัดแย้งสำหรับประเทศอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าการสะสมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศสามารถหยุดได้ด้วยการปลูกป่าเพียงอย่างเดียว
คาร์บอนไหลเวียนอย่างต่อเนื่องในชีวมณฑลของโลกตามเส้นทางที่เชื่อมต่อถึงกันแบบปิด ในปัจจุบัน ผลที่ตามมาของการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลได้ถูกเพิ่มเข้าไปในกระบวนการทางธรรมชาติ
วรรณกรรม:
1. อัคห์เมตอฟ เอ็น.เอส. เคมี ชั้นประถมศึกษาปีที่ 9: หนังสือเรียน. เพื่อการศึกษาทั่วไป หนังสือเรียน สถานประกอบการ – ฉบับที่ 2 – อ.: การศึกษา, 2542. – 175 หน้า: ป่วย.
2. กาเบรียลยัน โอ.เอส. เคมีชั้นประถมศึกษาปีที่ 9: หนังสือเรียน เพื่อการศึกษาทั่วไป หนังสือเรียน สถานประกอบการ – ฉบับที่ 4 – อ.: อีแร้ง, 2544. – 224 หน้า: ป่วย.
3. กาเบรียลยัน โอ.เอส. เคมีเกรด 8-9: วิธีการ เบี้ยเลี้ยง. – ฉบับที่ 4 – อ.: อีแร้ง, 2544. – 128 น.
4. เอโรชิน ดี.พี., ชิชคิน อี.เอ. แนวทางการแก้ปัญหาทางเคมี: หนังสือเรียน เบี้ยเลี้ยง. – อ.: การศึกษา, 2532. – 176 หน้า: ป่วย.
5. Kremenchugskaya M. Chemistry: หนังสืออ้างอิงของเด็กนักเรียน – ม.: ฟิโล. สังคม "WORD": LLC "AST Publishing House", 2544 - 478 หน้า
6. คริสแมน วี.เอ. อ่านหนังสือเกี่ยวกับเคมีอนินทรีย์ – อ.: การศึกษา, 2529. – 273 น.