Karbon (kimyasal sembol - C), Mendeleev periyodik sisteminin 2. periyodunun ana alt grubunun 4. grubunun kimyasal bir elementidir, seri numarası 6, doğal izotop karışımının atom kütlesi 12.0107 g/mol.

Sıradan sıcaklıklarda karbon kimyasal olarak inerttir; yeterince yüksek sıcaklıklarda birçok elementle birleşir ve güçlü indirgeme özellikleri sergiler. Farklı karbon formlarının kimyasal aktivitesi şu sırayla azalır: amorf karbon, grafit, elmas; havada sırasıyla 300-500 °C, 600-700 °C ve 850-1000 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda tutuşurlar.

İzotoplar:
Doğal karbon, atmosferde ve yer kabuğunun üst kısmında yoğunlaşan iki kararlı izotoptan - 12C (%98,892) ve 13C (%1,108) ve bir radyoaktif izotop 14C'den (β-yayıcı, T½ = 5730 yıl) oluşur. Kozmik radyasyondan gelen nötronların nitrojen çekirdekleri üzerindeki etkisinin bir sonucu olarak stratosferin alt katmanlarında sürekli olarak oluşur: 14N (n, p) 14C ve ayrıca 1950'lerin ortalarından beri insan olarak -Nükleer santrallerin ürünü ve hidrojen bombalarının testleri sonucunda üretildi.
14C'nin oluşumu ve bozunması, Kuvaterner jeolojisi ve arkeolojide yaygın olarak kullanılan radyokarbon tarihleme yönteminin temelini oluşturmaktadır.

Allotropi:
Bir karbon atomunun elektron yörüngeleri, elektron yörüngelerinin hibridizasyon derecesine bağlı olarak farklı geometrilere sahip olabilir. Karbon atomunun üç temel geometrisi vardır.

Bir s- ve üç p-elektronunun karıştırılmasıyla oluşturulan tetrahedral (sp3 hibridizasyonu). Karbon atomu tetrahedronun merkezinde yer alır ve tetrahedronun köşelerindeki karbona veya diğer atomlara dört eşdeğer σ bağıyla bağlanır. Karbon allotropik modifikasyonları elmas ve lonsdaleit, karbon atomunun bu geometrisine karşılık gelir. Karbon, örneğin metan ve diğer hidrokarbonlarda böyle bir hibridizasyon sergiler.

Trigonal, bir s- ve iki p-elektron yörüngesinin karıştırılmasıyla oluşturulur (sp²-hibridizasyon). Karbon atomu, aynı düzlemde birbirine 120° açıyla yerleştirilmiş üç eşdeğer σ bağına sahiptir. σ bağlarının düzlemine dik olarak konumlandırılan ve hibridizasyona dahil olmayan p-orbital, diğer atomlarla bir π bağı oluşturmak için kullanılır. Bu karbon geometrisi grafit, fenol vb.'nin karakteristiğidir.
- digonal, bir s- ve bir p-elektronunun karıştırılmasıyla oluşturulur (sp-hibridizasyon). Bu durumda iki elektron bulutu aynı yönde uzatılır ve asimetrik dambıllara benzer. Diğer iki p elektronu bir π bağı oluşturur. Bu atomik geometriye sahip karbon, özel bir allotropik modifikasyon olan karbin oluşturur.

Oksidasyon durumları +4, −4, nadiren +2 (CO, metal karbürler), +3 (C2N2, halosyanatlar); elektron ilgisi 1,27 eV; C0'dan C4+'ya sıralı geçiş sırasındaki iyonizasyon enerjisi sırasıyla 11.2604, 24.383, 47.871 ve 64.19 eV'dir.

Karbonun kimyasal özellikleri
Flor ile etkileşim
Karbonun reaktivitesi düşüktür; halojenlerden yalnızca flor ile reaksiyona girer:

C+2F2 = CF4.

Oksijen ile etkileşim
Isıtıldığında oksijenle reaksiyona girer:

2C + O2 = 2CO,

C + O2 = CO2,

CO ve CO2 oksitlerini oluşturur.

Diğer metal olmayanlarla etkileşim
Sülfür ile reaksiyona girer:

Azot ve fosfor ile etkileşime girmez.

Nikel katalizör varlığında hidrojenle reaksiyona girerek metan oluşturur:

Metallerle etkileşim
Metallerle etkileşime girerek karbür oluşturabilir:
Ca + 2C = CaC2.

Su ile etkileşim
Su buharı sıcak kömürden geçirildiğinde karbon monoksit (II) ve hidrojen oluşur:
C + H2O = CO + H2.

Onarıcı özellikler
Karbon birçok metali oksitlerinden indirgeme yeteneğine sahiptir:
2ZnO + C = 2Zn + CO2.

Konsantre sülfürik ve nitrik asitler ısıtıldığında karbonu karbon monoksit (IV)'e oksitler:

C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O.

KARBON, C, periyodik sistemin IV. grubunun kimyasal elementi, atom ağırlığı 12.00, atom numarası 6. Yakın zamana kadar karbonun izotopları olmadığı düşünülüyordu; C 13 izotopunun varlığının tespiti ancak son zamanlarda özellikle hassas yöntemler kullanılarak mümkün olmuştur. Karbon, yaygınlığı, bileşiklerinin sayısı ve çeşitliliği, biyolojik önemi (organojen olarak), karbonun kendisinin ve bileşiklerinin yaygın teknik kullanımı (hammadde ve kaynak olarak) açısından en önemli unsurlardan biridir. endüstriyel ve evsel ihtiyaçlar için enerji) ve son olarak kimya biliminin gelişimindeki rolü açısından. Serbest haldeki karbon, bir buçuk asırdan fazla bir süredir bilinen, ancak hem kimyasal olarak saf bir formda karbon elde etmenin son derece zor olması hem de karbonun sabitlerinin çoğu nedeniyle hala tam olarak incelenmemiş olan belirgin bir allotropi olgusu sergiler. Karbonun allotropik modifikasyonları, üretim yöntemi ve koşulları tarafından belirlenen yapılarının morfolojik özelliklerine bağlı olarak büyük ölçüde değişir.

Karbon iki kristal form oluşturur - elmas ve grafit ve aynı zamanda amorf halde sözde formda da bilinir. amorf kömür. İkincisinin bireyselliği, son araştırmaların bir sonucu olarak tartışılmıştır: kömür, her ikisi de aynı formun morfolojik çeşitleri - "siyah karbon" olarak dikkate alınarak grafit ile tanımlandı ve özelliklerindeki fark, fiziksel yapı ve derece ile açıklandı. maddenin dağılımı. Ancak çok yakın zamanda kömürün özel bir allotropik form olarak varlığını doğrulayan gerçekler elde edildi (aşağıya bakınız).

Doğal kaynaklar ve karbon stokları. Doğadaki yaygınlık açısından karbon, elementler arasında 10. sırada yer alır ve atmosferin %0,013'ünü, hidrosferin %0,0025'ini ve yer kabuğunun toplam kütlesinin yaklaşık %0,35'ini oluşturur. Karbonun çoğu oksijen bileşikleri formundadır: atmosferik hava, CO2 dioksit formunda ~800 milyar ton karbon içerir; okyanusların ve denizlerin suyunda - CO2, karbonik asit iyonları ve bikarbonatlar şeklinde 50.000 milyar tona kadar karbon; kayalarda çözünmeyen karbonatlar (kalsiyum, magnezyum ve diğer metaller) ve tek başına CaCO3'ün payı ~160.10 6 milyar ton karbona karşılık gelir. Ancak bu devasa rezervler herhangi bir enerji değerini temsil etmiyor; yanıcı karbonlu malzemeler çok daha değerlidir - fosil kömürler, turba, ardından petrol, hidrokarbon gazları ve diğer doğal bitümler. Bu maddelerin yer kabuğundaki rezervi de oldukça önemlidir: Fosil kömürlerdeki toplam karbon kütlesi ~6000 milyar tona, petroldeki ~10 milyar tona vb. ulaşır. Serbest durumda, karbon oldukça nadirdir (elmas ve parça) grafit maddesi). Fosil kömürler neredeyse hiç serbest karbon içermez veya içermez: ch'den oluşurlar. varış. Yüksek molekül ağırlıklı (polisiklik) ve diğer elementlerle (H, O, N, S) çok kararlı karbon bileşikleri hala çok az araştırılmıştır. Bitki ve hayvan hücrelerinde sentezlenen canlı doğadaki karbon bileşikleri (dünyanın biyosferi), olağanüstü çeşitlilikte özellikler ve bileşim miktarlarıyla ayırt edilir; Bitki dünyasında en yaygın maddeler olan lif ve lignin de enerji kaynağı olarak rol oynar. Karbon, bitki ve hayvan hücrelerinde karmaşık organik maddelerin sentezi ve bu maddelerin oksidatif ayrışma (yanma, bozunma, solunum) sırasında ters ayrışmasından oluşan sürekli bir döngü sayesinde doğada sabit bir dağılım sağlar. bitkilerin yeniden sentez için kullandığı CO2 oluşumuna yol açar. Bu döngünün genel şeması şu şekilde olabilir: aşağıdaki formda sunulmuştur:

Karbon üretimi. Bitkisel ve hayvansal kökenli karbonlu bileşikler, yüksek sıcaklıklarda kararsızdır ve havaya erişim olmadan en az 150-400°C'ye ısıtıldığında ayrışır, su ve uçucu karbon bileşikleri açığa çıkar ve karbon açısından zengin, uçucu olmayan katı bir kalıntı bırakır ve genellikle kömür denir. Bu pirolitik işleme kömürleştirme veya kuru damıtma denir ve teknolojide yaygın olarak kullanılır. Fosil kömürlerin, petrolün ve turbanın (450-1150°C sıcaklıkta) yüksek sıcaklıkta pirolizi, grafit formundaki karbonun (kok, imbikli kömür) salınmasına yol açar. Başlangıç ​​malzemelerinin kömürleşme sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, elde edilen kömür veya kok, bileşim açısından serbest karbona ve özellikler açısından grafite o kadar yakın olur.

800°C'nin altındaki sıcaklıklarda oluşan amorf kömür bunu yapamaz. biz onu serbest karbon olarak kabul ediyoruz çünkü önemli miktarda kimyasal olarak bağlı diğer elementleri içeriyor, Ch. varış. hidrojen ve oksijen. Teknik ürünlerden aktif karbon ve kurum, özellikleri bakımından amorf karbona en yakın olanlardır. En saf kömür olabilir saf şekerin veya piperonalin kömürleştirilmesi, gaz kurumunun özel işlenmesi vb. ile elde edilir. Elektrotermal yollarla elde edilen yapay grafit, bileşim olarak neredeyse saf karbondur. Doğal grafit her zaman mineral safsızlıklarıyla kirlenir ve ayrıca belirli miktarda bağlı hidrojen (H) ve oksijen (O) içerir; nispeten saf bir durumda olabilir. yalnızca bir dizi özel işlemden sonra elde edilir: mekanik zenginleştirme, yıkama, oksitleyici maddelerle işlem ve uçucu maddeler tamamen giderilene kadar yüksek sıcaklıklarda kalsinasyon. Karbon teknolojisinde hiçbir zaman tamamen saf karbonla ilgilenilmez; Bu sadece doğal karbon hammaddeleri için değil, aynı zamanda zenginleştirme, iyileştirme ve termal ayrışma (piroliz) ürünleri için de geçerlidir. Aşağıda bazı karbonlu malzemelerin karbon içeriği (% olarak) verilmiştir:

Karbonun fiziksel özellikleri. Serbest karbon neredeyse tamamen eriyebilir, uçucu değildir ve normal sıcaklıklarda bilinen çözücülerin hiçbirinde çözünmez. Yalnızca bazı erimiş metallerde, özellikle de kaynama noktasına yaklaşan sıcaklıklarda çözünür: demirde (%5'e kadar), gümüşte (%6'ya kadar) | rutenyum (%4'e kadar), kobalt, nikel, altın ve platin. Oksijenin yokluğunda karbon ısıya en dayanıklı malzemedir; Saf karbonun sıvı hali bilinmemektedir ve buhara dönüşümü ancak 3000°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda başlamaktadır. Bu nedenle, karbonun özelliklerinin belirlenmesi yalnızca katı agregasyon durumu için gerçekleştirildi. Karbon modifikasyonları arasında elmas en sabit fiziksel özelliklere sahiptir; Grafitin çeşitli numunelerindeki (en saf olanları bile) özellikleri önemli ölçüde farklılık gösterir; Amorf kömürün özellikleri daha da değişkendir. Çeşitli karbon modifikasyonlarının en önemli fiziksel sabitleri tabloda karşılaştırılmıştır.

Elmas tipik bir dielektriktir, grafit ve karbon ise metalik elektrik iletkenliğine sahiptir. Mutlak değerde iletkenlikleri çok geniş bir aralıkta değişir, ancak kömürlerde bu her zaman grafitlerden daha düşüktür; Grafitlerde gerçek metallerin iletkenliği yaklaşır. 1000°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda tüm karbon modifikasyonlarının ısı kapasitesi 0,47'lik sabit bir değere yönelir. -180°C'nin altındaki sıcaklıklarda elmasın ısı kapasitesi yok denecek kadar küçülür ve -27°C'de neredeyse sıfır olur.

Karbonun kimyasal özellikleri. 1000°C'nin üzerine ısıtıldığında, hem elmas hem de kömür yavaş yavaş grafite dönüşür; dolayısıyla bu, karbonun en kararlı (yüksek sıcaklıklarda) monotropik formu olarak kabul edilmelidir. Amorf kömürün grafite dönüşümü görünüşe göre 800°C civarında başlıyor ve 1100°C'de bitiyor (bu son noktada kömür adsorbsiyon aktivitesini ve yeniden etkinleşme yeteneğini kaybeder ve elektrik iletkenliği keskin bir şekilde artar, bundan sonra neredeyse sabit kalır). Serbest karbon, normal sıcaklıklarda eylemsizlik ve yüksek sıcaklıklarda önemli aktivite ile karakterize edilir. Amorf kömür kimyasal olarak en aktif olanıdır, elmas ise en dayanıklı olanıdır. Örneğin flor, kömürle 15°C sıcaklıkta, grafitle yalnızca 500°C'de ve elmasla 700°C'de reaksiyona girer. Havada ısıtıldığında gözenekli kömür 100°C'nin altında, grafit yaklaşık 650°C'de ve elmas 800°C'nin üzerinde oksitlenmeye başlar. 300°C ve üzerindeki sıcaklıklarda kömür kükürt ile birleşerek karbon disülfür CS2'yi oluşturur. 1800°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda karbon (kömür) nitrojenle etkileşime girmeye başlar ve (küçük miktarlarda) siyanojen C2N2 oluşturur. Karbonun hidrojenle etkileşimi 1200°C'de başlar ve 1200-1500°C sıcaklık aralığında yalnızca metan CH4 oluşur; 1500°C'nin üzerinde - metan, etilen (C2H4) ve asetilen (C2H2) karışımı; 3000°C civarındaki sıcaklıklarda neredeyse yalnızca asetilen elde edilir. Elektrik arkının sıcaklığında karbon, metaller, silikon ve bor ile doğrudan birleşerek karşılık gelen karbürleri oluşturur. Doğrudan veya dolaylı yollar olabilir. Sıfır grubun gazları dışında bilinen tüm elementlere sahip karbon bileşikleri elde edildi. Karbon, bazı amfoterlik belirtileri sergileyen metalik olmayan bir elementtir. Karbon atomunun çapı 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm)'dir ve dış kürede eşit derecede kolaylıkla vazgeçilebilen veya 8'e eklenen 4 değerlik elektronu içerir; bu nedenle hem oksijen hem de hidrojenin normal değeri dörttür. Bileşiklerinin büyük çoğunluğunda karbon dört değerliklidir; Sadece az sayıda iki değerlikli karbon bileşiği (karbon monoksit ve asetalleri, izonitriller, fulminat asit ve tuzları) ve üç değerlikli karbon ("serbest radikal" olarak adlandırılan) bileşikleri bilinmektedir.

Karbon, oksijenle birlikte iki normal oksit oluşturur: asidik karbon dioksit CO2 ve nötr karbon monoksit CO. Ayrıca bir dizi var karbon altoksitleri 1'den fazla C atomu içeren ve teknik önemi olmayan; Bunlardan en iyi bilineni C3O2 bileşiminin altoksitidir (kaynama noktası +7 ° C ve erime noktası -111 ° C olan bir gaz). Karbonun ve bileşiklerinin yanmasının ilk ürünü, aşağıdaki denkleme göre oluşan CO2'dir:

C+O2 = CO2 +97600 cal.

Yakıtın eksik yanması sırasında CO oluşumu ikincil bir indirgeme işleminin sonucudur; Bu durumda indirgeyici madde, 450°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda aşağıdaki denkleme göre CO2 ile reaksiyona giren karbonun kendisidir:

CO2 +C = 2СО -38800 cal;

bu reaksiyon tersine çevrilebilir; 950°C'nin üzerinde CO2'nin CO'ya dönüşümü neredeyse tamamlanır ve bu, gaz üreten fırınlarda gerçekleştirilir. Karbonun yüksek sıcaklıklarda enerjik indirgeme yeteneği, su gazı üretiminde (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) ve metalurjik işlemlerde oksitinden serbest metal elde etmek için de kullanılır. Allotropik karbon formları bazı oksitleyici maddelerin etkisine farklı tepki verir: örneğin, bir KCIO3 + HNO3 karışımının elmas üzerinde hiçbir etkisi yoktur, amorf kömür tamamen CO2'ye oksitlenir, grafit ise aromatik bileşikler - grafitik asitler üretir ampirik formül (C 2 OH) x'ten itibaren melitik asit C6(COOH)6. Hidrojenli karbon bileşikleri - hidrokarbonlar - oldukça fazladır; onlardan, karbona ek olarak çoğunlukla H, O, N, S ve halojenleri içeren diğer organik bileşiklerin çoğu genetik olarak üretilir.

2 milyona kadar bilinen organik bileşiklerin olağanüstü çeşitliliği, bir element olarak karbonun belirli özelliklerinden kaynaklanmaktadır. 1) Karbon, hem metalik hem de metalik olmayan diğer elementlerin çoğuyla güçlü bir kimyasal bağla karakterize edilir ve bu nedenle her ikisiyle de oldukça kararlı bileşikler oluşturur. Karbonun diğer elementlerle birleştiğinde iyon oluşturma eğilimi çok azdır. Çoğu organik bileşik homeopolar tiptedir ve normal koşullar altında ayrışmaz; İçlerindeki molekül içi bağların kırılması çoğu zaman önemli miktarda enerji harcamayı gerektirir. Ancak bağlantıların gücünü değerlendirirken şunu ayırt etmek gerekir; a) termokimyasal olarak ölçülen mutlak bağ kuvveti ve b) çeşitli reaktiflerin etkisi altında bağın kırılma yeteneği; bu iki özellik her zaman örtüşmez. 2) Karbon atomları birbirlerine olağanüstü kolaylıkla (polar olmayan) bağlanarak açık veya kapalı karbon zincirleri oluştururlar. Bu tür zincirlerin uzunluğu görünüşe göre herhangi bir kısıtlamaya tabi değildir; Böylece 64 karbon atomlu açık zincirlere sahip oldukça kararlı moleküller bilinmektedir. Açık zincirlerin uzaması ve karmaşıklığı, bunların birbirleriyle veya diğer unsurlarla olan bağlantılarının gücünü etkilemez. Kapalı zincirler arasında 6 ve 5 üyeli halkalar en kolay şekilde oluşturulur, ancak 3 ila 18 karbon atomu içeren halkalı zincirler de bilinmektedir. Karbon atomlarının birbirine bağlanma yeteneği, grafitin özel özelliklerini ve kömürleşme süreçlerinin mekanizmasını iyi açıklamaktadır; aynı zamanda karbonun diatomik C2 molekülleri formunda bilinmediği gerçeğini de açıkça ortaya koyar; bu, diğer hafif metalik olmayan elementlerle (buhar formunda karbon tek atomlu moleküllerden oluşur) analojiyle beklenebilir. 3) Bağların polar olmayan doğasından dolayı, birçok karbon bileşiği yalnızca harici olarak (reaksiyonun yavaşlaması) değil, aynı zamanda dahili olarak da (molekül içi yeniden düzenlemelerin zorluğu) kimyasal eylemsizliğe sahiptir. Büyük "pasif dirençlerin" varlığı, kararsız formların kendiliğinden kararlı formlara dönüşmesini büyük ölçüde karmaşıklaştırır ve çoğu zaman bu dönüşümün oranını sıfıra düşürür. Bunun sonucu, normal sıcaklıklarda neredeyse eşit derecede kararlı olan çok sayıda izomerik formun gerçekleştirilmesi olasılığıdır.

Karbonun allotropisi ve atomik yapısı . X-ışını analizi, elmas ve grafitin atomik yapısını güvenilir bir şekilde oluşturmayı mümkün kıldı. Aynı araştırma yöntemi, esasen kömürün amorfluğu veya kristalliğiyle ilgili bir sorun olan, karbonun üçüncü bir allotropik modifikasyonunun varlığı sorununa ışık tutuyor: eğer kömür amorf bir oluşumsa, o zaman olamaz. ne grafit ne de elmasla özdeşleştirilir, ancak karbonun özel bir formu, bireysel ve basit bir madde olarak düşünülmelidir. Elmasta karbon atomları, her bir atom, köşeleri 4 bitişik atom olan bir tetrahedronun merkezinde yer alacak şekilde düzenlenmiştir; ikincisinin her biri sırasıyla başka bir benzer tetrahedronun merkezidir; bitişik atomlar arasındaki mesafeler 1,54 Ᾰ'dir (kristal kafesin temel küpünün kenarı 3,55 Ᾰ'dir). Bu yapı en kompakt olanıdır; elmasın yüksek sertliğine, yoğunluğuna ve kimyasal eylemsizliğine (değerlik kuvvetlerinin eşit dağılımı) karşılık gelir. Elmas kafesteki karbon atomlarının karşılıklı bağlantısı, yağlı serideki çoğu organik bileşiğin molekülleriyle aynıdır (dört yüzlü karbon modeli). Grafit kristallerinde karbon atomları, birbirlerinden 3,35-3,41 Ᾰ aralıklı yoğun katmanlar halinde düzenlenir; Bu katmanların yönü, mekanik deformasyonlar sırasında yarılma düzlemleri ve kayma düzlemleri ile çakışmaktadır. Her katmanın düzleminde atomlar, altıgen hücrelerden (şirketlerden) oluşan bir ızgara oluşturur; böyle bir altıgenin kenar uzunluğu 1,42-1,45 Ᾰ'dir. Bitişik katmanlarda altıgenler birbirinin altında yer almaz: dikey çakışmaları yalnızca üçüncü katmandaki 2 katmandan sonra tekrarlanır. Her karbon atomunun üç bağı aynı düzlemde bulunur ve 120°'lik açılar oluşturur; 4. bağ, düzlemden komşu katmanların atomlarına bir yönde veya başka bir yönde dönüşümlü olarak yönlendirilir. Bir katmandaki atomlar arasındaki mesafeler kesinlikle sabittir, ancak tek tek katmanlar arasındaki mesafe sabittir. dış etkilerle değişir: örneğin 5000 atm'ye kadar basınç altında basıldığında 2,9 Ᾰ'ye düşer ve grafit konsantre HNO3'te şiştiğinde 8 Ᾰ'ye yükselir. Bir katmanın düzleminde, karbon atomları homeopolar olarak bağlanır (hidrokarbon zincirlerinde olduğu gibi), komşu katmanların atomları arasındaki bağlar ise doğası gereği oldukça metaliktir; Bu, grafit kristallerinin katmanlara dik yöndeki elektriksel iletkenliğinin, katman yönündeki iletkenlikten ~100 kat daha yüksek olduğu gerçeğinden açıkça anlaşılmaktadır. O. Grafit bir yönde metal özelliklerine, diğer yönde ise metal olmayan özelliklere sahiptir. Grafit kafesin her katmanındaki karbon atomlarının düzeni, karmaşık nükleer aromatik bileşiklerin moleküllerindekiyle tamamen aynıdır. Bu konfigürasyon, grafitin keskin anizotropisini, olağanüstü gelişmiş bölünmeyi, sürtünme önleme özelliklerini ve oksidasyon sırasında aromatik bileşiklerin oluşumunu iyi açıklamaktadır. Siyah karbonun amorf modifikasyonu görünüşe göre bağımsız bir form olarak mevcuttur (O. Ruff). Onun için en muhtemel olanı, herhangi bir düzenlilikten yoksun, köpük benzeri bir hücresel yapıdır; bu tür hücrelerin duvarları aktif atom katmanlarından oluşur karbon yaklaşık 3 atom kalınlığındadır. Uygulamada, kömürün aktif maddesi genellikle yakın aralıklı aktif olmayan karbon atomlarından oluşan, grafitsel olarak yönlendirilmiş bir kabuğun altında bulunur ve çok küçük grafit kristalitlerin katılımıyla nüfuz eder. Muhtemelen kömür → grafitin belirli bir dönüşüm noktası yoktur: her iki modifikasyon arasında sürekli bir geçiş vardır ve bu sırada amorf kömürün rastgele kalabalık C atomları kütlesi, düzenli bir grafit kristal kafesine dönüşür. Amorf kömürdeki karbon atomları, rastgele dizilimlerinden dolayı maksimum bir artık afinite sergiler; bu (Langmuir'in adsorpsiyon kuvvetlerinin valans kuvvetleriyle özdeşliği hakkındaki fikirlerine göre), kömürün karakteristik özelliği olan yüksek adsorpsiyon ve katalitik aktiviteye karşılık gelir. Kristal kafeste yönlendirilen karbon atomları, ilgilerinin tamamını (elmasta) veya çoğunu (grafitte) karşılıklı yapışmaya harcar; Bu, kimyasal aktivitede ve adsorpsiyon aktivitesinde bir azalmaya karşılık gelir. Elmasta adsorpsiyon yalnızca tek bir kristalin yüzeyinde mümkündür, grafitte ise her bir düz kafesin her iki yüzeyinde (atom katmanları arasındaki "çatlaklarda") artık değerlik görünebilir; bu, grafitin sıvılarda şişebilir (HNO 3) ve grafitik asite oksidasyonunun mekanizması.

Karbonun teknik önemi. B'ye gelince. veya m, kömürleştirme ve koklaştırma işlemleri sırasında elde edilen serbest karbon, bu durumda teknolojide kullanımı hem kimyasal (inertlik, indirgeme yeteneği) hem de fiziksel özelliklerine (ısı direnci, elektriksel iletkenlik, adsorpsiyon kapasitesi) dayanmaktadır. Böylece kok ve odun kömürü, alevsiz yakıt olarak kısmi doğrudan kullanımlarına ek olarak, gazlı yakıt (jeneratör gazları) üretmek için kullanılır; demir ve demir dışı metallerin metalurjisinde - metal oksitlerin (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi) indirgenmesi için; kimya teknolojisinde - sülfatlardan sülfürlerin (Na, Ca, Ba), susuz klorür tuzlarının (Mg, Al), metal oksitlerden üretiminde indirgeyici madde olarak, çözünür cam ve fosfor üretiminde - hammadde olarak kalsiyum karbür, karborundum ve diğer karbürler, karbon disülfür vb. üretimi; inşaat sektöründe - ısı yalıtım malzemesi olarak. İmbik kömürü ve kok, elektrikli fırınların, elektrolitik banyoların ve galvanik hücrelerin elektrotları, ark kömürleri, reostatlar, komütatör fırçaları, eritme potaları vb. üretimi için malzeme olarak ve ayrıca kule tipi kimyasal ekipmanlarda bir ağızlık olarak hizmet eder. Yukarıdaki uygulamalara ek olarak kömür, konsantre karbon monoksit üretmek için kullanılır, siyanür tuzları, çeliğin sementasyonu için kullanılır, bazı sentetik reaksiyonlar için bir katalizör olarak bir adsorban olarak yaygın şekilde kullanılır ve son olarak kara barut ve diğer patlayıcılara dahil edilir. ve piroteknik bileşimler.

Karbonun analitik tespiti. Karbon, bir maddenin numunesinin havaya erişimi olmadan kömürleştirilmesiyle (bu, tüm maddeler için uygun değildir) veya çok daha güvenilir olan, kapsamlı oksidasyonuyla, örneğin bakır oksitli bir karışımda kalsinasyonla niteliksel olarak belirlenir ve CO2'nin oluşumu sıradan reaksiyonlarla kanıtlanmıştır. Karbon miktarını belirlemek için maddenin bir numunesi oksijen atmosferinde yakılır; elde edilen CO2 bir alkali çözelti ile yakalanır ve geleneksel kantitatif analiz yöntemleri kullanılarak ağırlık veya hacim olarak belirlenir. Bu yöntem yalnızca organik bileşiklerde ve endüstriyel kömürlerde değil aynı zamanda metallerde de karbonun belirlenmesi için uygundur.

Organik kimya karbon atomunun kimyasıdır. Organik bileşiklerin sayısı inorganik olanlardan onlarca kat daha fazladır ve bu ancak açıklanabilir. karbon atomunun özellikleri :

a) o içeride Elektronegatiflik ölçeğinin ortası ve ikinci dönem, bu nedenle kendisininkini verip başkalarının elektronlarını kabul etmesi ve pozitif veya negatif bir yük alması onun için kârsızdır;

B) Elektron kabuğunun özel yapısı – elektron çiftleri ve serbest yörüngeler yoktur (benzer yapıya sahip yalnızca bir atom daha vardır - hidrojen, muhtemelen karbon ve hidrojenin bu kadar çok bileşik oluşturmasının nedeni budur - hidrokarbonlar).

Karbon atomunun elektronik yapısı

C – 1s 2 2s 2 2p 2 veya 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

Grafiksel formda:

Uyarılmış durumdaki bir karbon atomu aşağıdaki elektronik formüle sahiptir:

*C – 1s 2 2s 1 2p 3 veya 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

Hücre şeklinde:

S- ve p-orbitallerin şekli

Atomik yörünge - karşılık gelen kuantum sayılarıyla birlikte, bir elektronun bulunma olasılığının en yüksek olduğu uzay bölgesi.

Bu, dalga fonksiyonunun yörüngedeki belirli bir noktada bir elektron bulmanın göreceli olasılığını belirlediği üç boyutlu bir elektron "kontur haritasıdır".

Atomik yörüngelerin göreceli boyutları, enerjileri arttıkça artar ( Ana kuantum sayısı- n) ve uzaydaki şekilleri ve yönelimleri l ve m kuantum sayılarıyla belirlenir. Orbitallerdeki elektronlar spin kuantum sayısıyla karakterize edilir. Her bir yörünge, zıt spinlere sahip en fazla 2 elektron içerebilir.

Diğer atomlarla bağ oluştururken, karbon atomu elektron kabuğunu dönüştürür, böylece en güçlü bağlar oluşur ve sonuç olarak mümkün olduğu kadar fazla enerji açığa çıkar ve sistem en yüksek stabiliteyi kazanır.

Bir atomun elektron kabuğunun değiştirilmesi enerji gerektirir ve bu daha sonra daha güçlü bağların oluşmasıyla telafi edilir.

Elektron kabuğu dönüşümü (hibridizasyon), karbon atomunun bağ oluşturduğu atom sayısına bağlı olarak temel olarak 3 tipte olabilir.

Hibridizasyon türleri:

sp 3 – bir atom 4 komşu atomla bağ oluşturur (tetrahedral hibridizasyon):

Sp 3 – hibrit karbon atomunun elektronik formülü:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 hücre şeklinde

Hibrit yörüngeler arasındaki bağ açısı ~109°'dir.

Karbon atomunun stereokimyasal formülü:

sp 2 – Hibridizasyon (değerlik durumu)– bir atom 3 komşu atomla bağ oluşturur (üçgen hibridizasyon):

Sp 2 – hibrit karbon atomunun elektronik formülü:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 hücre şeklinde

Hibrit yörüngeler arasındaki bağ açısı ~120°'dir.

Sp 2 - hibrit karbon atomunun stereokimyasal formülü:

sp– Hibridizasyon (değerlik durumu) – bir atom 2 komşu atomla bağ oluşturur (doğrusal hibridizasyon):

Sp – hibrit karbon atomunun elektronik formülü:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 hücre şeklinde

Hibrit yörüngeler arasındaki bağ açısı ~180°'dir.

Stereokimyasal formül:

S-orbital her türlü hibridizasyonda yer alır, çünkü minimum enerjiye sahiptir.

Elektron bulutunun yeniden yapılandırılması, mümkün olan en güçlü bağların oluşmasına ve ortaya çıkan moleküldeki atomların minimum etkileşimine olanak tanır. burada Hibrit yörüngeler aynı olmayabilir ancak bağ açıları farklı olabilir. örneğin CH2Cl2 ve CCl4

2. Karbon bileşiklerindeki kovalent bağlar

Kovalent bağlar, özellikleri, oluşma yöntemleri ve nedenleri - okul müfredatı.

Hemen hatırlatmama izin verin:

1. Eğitim İletişimi Atomlar arasındaki etkileşim, atomik yörüngelerinin örtüşmesinin bir sonucu olarak düşünülebilir ve ne kadar etkili olursa (örtüşme integrali ne kadar büyükse), bağ o kadar güçlü olur.

Hesaplanan verilere göre atomik yörüngeler S rel'in bağıl örtüşme verimleri şu şekilde artmaktadır:

Bu nedenle, dört hidrojen atomuyla bağ oluşturmak için sp3 karbon yörüngeleri gibi hibrit yörüngelerin kullanılması, daha güçlü bağlarla sonuçlanır.

2. Karbon bileşiklerindeki kovalent bağlar iki şekilde oluşur:

A)İki atomik yörüngenin asal eksenleri boyunca örtüşmesi durumunda ortaya çıkan bağa denir. - σ bağı.

Geometri. Böylece, metandaki hidrojen atomlarıyla bağlar oluştuğunda, karbon atomunun dört hibrit sp3~ yörüngesi, dört hidrojen atomunun s-orbitalleriyle örtüşür ve her birine 109°28" açıyla konumlanmış dört özdeş güçlü σ bağı oluşturur. diğer (standart dört yüzlü açı) Benzer bir kesinlikle simetrik dört yüzlü yapı, örneğin CCl4'ün oluşumu sırasında, karbonla bağ oluşturan atomlar aynı değilse, örneğin CH2C12 durumunda, uzamsal olarak ortaya çıkar; yapı, esas olarak tetrahedral kalmasına rağmen, tamamen simetrik olandan biraz farklı olacaktır.

σ bağ uzunluğu karbon atomları arasındaki atomların hibridizasyonuna bağlıdır ve sp 3 - hibridizasyondan sp'ye geçiş sırasında azalır. Bu, s yörüngesinin çekirdeğe p yörüngesinden daha yakın olması, dolayısıyla hibrit yörüngedeki payı ne kadar büyük olursa o kadar kısa olması ve dolayısıyla oluşan bağın da o kadar kısa olmasıyla açıklanır.

B) İki atomlu ise P -birbirine paralel olarak yerleştirilmiş yörüngeler, atomların bulunduğu düzlemin üstünde ve altında yanal örtüşme gerçekleştirir, ardından ortaya çıkan bağa denir. - π (pi) -iletişim

Yanal örtüşme atomik yörüngeler ana eksen boyunca örtüşmekten daha az verimlidir, dolayısıyla π - bağlantılar daha az güçlü σ - bağlantılar. Bu, özellikle bir çift karbon-karbon bağının enerjisinin, tek bir bağın enerjisinin iki katından daha az olması gerçeğinde kendini gösterir. Dolayısıyla etandaki C-C bağ enerjisi 347 kJ/mol iken ettendeki C = C bağ enerjisi yalnızca 598 kJ/mol'dür ve ~ 700 kJ/mol değildir.

İki atomik 2p yörüngesinin yanal örtüşme derecesi ve dolayısıyla güç π -iki karbon atomu varsa ve bunlara dört bağlıysa bağlar maksimumdur atomlar kesinlikle tek bir düzlemde bulunur, yani eğer onlar aynı düzlemde çünkü yalnızca bu durumda atomik 2p yörüngeleri birbirine tam olarak paraleldir ve bu nedenle maksimum örtüşme kapasitesine sahiptir. Etrafında dönme nedeniyle eş düzlemli durumdan herhangi bir sapma σ -iki karbon atomunu bağlayan bağ, örtüşme derecesinde bir azalmaya ve buna bağlı olarak mukavemette bir azalmaya yol açacaktır π -bağ böylece molekülün düzlüğünün korunmasına yardımcı olur.

Döndürme bir karbon-karbon çift bağı etrafında mümkün değildir.

Dağıtım π -Molekül düzleminin üstünde ve altında elektronların varlığı anlamına gelir Negatif yük alanları, elektron eksikliği olan reaktiflerle etkileşime girmeye hazır.

Oksijen, nitrojen vb. atomları da farklı değerlik durumlarına (melezleşme) sahiptir ve elektron çiftleri hem hibrit hem de p-orbitallerde olabilir.

Periyodik element tablosunda karbon, IVA grubunda ikinci periyotta yer alır. Karbon atomunun elektronik konfigürasyonu l 2 2s 2 2p 2 . Uyarıldığında, dört dış atomik yörüngede dört eşleşmemiş elektronun bulunduğu bir elektronik duruma kolaylıkla ulaşılır:

Bu, bileşiklerdeki karbonun neden genellikle dört değerlikli olduğunu açıklar. Karbon atomundaki değerlik elektronlarının sayısının değerlik yörüngelerinin sayısına eşitliği ve ayrıca çekirdeğin yükünün ve atomun yarıçapının benzersiz oranı, ona elektronları eşit derecede kolay bir şekilde bağlama ve bırakma yeteneği verir. partnerin özelliklerine bağlı olarak (Bölüm 9.3.1). Sonuç olarak karbon, -4'ten +4'e kadar çeşitli oksidasyon durumları ve türüne göre atomik yörüngelerinin hibridizasyon kolaylığı ile karakterize edilir. sp3, sp2 Ve sp1 kimyasal bağların oluşumu sırasında (bölüm 2.1.3):

Bütün bunlar karbona yalnızca birbirleriyle değil aynı zamanda diğer organojenik elementlerin atomlarıyla da tek, çift ve üçlü bağlar oluşturma fırsatı verir. Bu durumda oluşan moleküller doğrusal, dallanmış veya siklik bir yapıya sahip olabilir.

Karbon atomlarının katılımıyla oluşan ortak elektronların -MO'ların hareketliliği nedeniyle, daha elektronegatif bir elementin atomuna doğru kaydırılırlar (endüktif etki), bu da sadece bu bağın değil aynı zamanda molekülün polaritesine yol açar. tüm. Bununla birlikte, ortalama elektronegatiflik değeri (0E0 = 2,5) nedeniyle karbon, diğer organojenik elementlerin atomlarıyla zayıf polar bağlar oluşturur (Tablo 12.1). Moleküllerde konjuge bağ sistemleri mevcutsa (Bölüm 2.1.3), hareketli elektronların (MO) ve yalnız elektron çiftlerinin delokalizasyonu, bu sistemlerdeki elektron yoğunluğunun ve bağ uzunluklarının eşitlenmesiyle meydana gelir.

Bileşiklerin reaktivitesi açısından bağların polarize edilebilirliği önemli bir rol oynar (Bölüm 2.1.3). Bir bağın polarize edilebilirliği ne kadar büyük olursa reaktivitesi de o kadar yüksek olur. Karbon içeren bağların polarize edilebilirliğinin doğasına bağımlılığı aşağıdaki seride yansıtılmaktadır:

Karbon içeren bağların özelliklerine ilişkin dikkate alınan tüm veriler, bileşiklerdeki karbonun bir yandan birbirleriyle ve diğer organojenlerle oldukça güçlü kovalent bağlar oluşturduğunu, diğer yandan bu bağların ortak elektron çiftlerinin oldukça kararsız. Sonuç olarak hem bu bağların reaktivitesinde bir artış hem de stabilizasyon meydana gelebilir. Karbonu bir numaralı organojen yapan da karbon içeren bileşiklerin bu özellikleridir.

Karbon bileşiklerinin asit-baz özellikleri. Karbon monoksit (4) asidik bir oksittir ve buna karşılık gelen hidroksit - karbonik asit H2CO3 - zayıf bir asittir. Karbon monoksit(4) molekülü polar değildir ve bu nedenle suda çok az çözünür (298 K'de 0,03 mol/l). Bu durumda, önce CO2'nin su molekülleri birleşiminin boşluğunda yer aldığı çözeltide hidrat CO2 H2O oluşur ve daha sonra bu hidrat yavaş yavaş ve geri dönüşümlü olarak H2CO3'e dönüşür. Suda çözünmüş olan karbon monoksitin (4) büyük bir kısmı hidrat formundadır.

Vücutta, kırmızı kan hücrelerinde, karboanhidraz enziminin etkisi altında, CO2 hidrat H2O ve H2CO3 arasındaki denge çok hızlı bir şekilde kurulur. Bu, eritrositteki hidrat formundaki CO2'nin varlığını ihmal etmemizi sağlar, ancak karbonik anhidrazın bulunmadığı kan plazmasında bunu ihmal etmemizi sağlar. Ortaya çıkan H2CO3, fizyolojik koşullar altında bir hidrokarbonat anyonuna ve daha alkali bir ortamda bir karbonat anyonuna ayrışır:

Karbonik asit yalnızca çözelti halinde bulunur. Hidrokarbonatlar (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) ve karbonatlar (Na2CO3, CaCO3) olmak üzere iki dizi tuz oluşturur. Hidrokarbonatlar suda karbonatlardan daha fazla çözünür. Sulu çözeltilerde, karbonik asit tuzları, özellikle karbonatlar, anyonda kolaylıkla hidrolize olarak alkalin bir ortam yaratır:

Kabartma tozu NaHC03 gibi maddeler; tebeşir CaCO3, beyaz magnezya 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O, alkali bir ortam oluşturmak üzere hidrolize edilir, mide suyunun artan asitliğini azaltmak için antasitler (asit nötrleştiriciler) olarak kullanılır:

Karbonik asit ve bikarbonat iyonunun (H2CO3, HCO3(-)) kombinasyonu bir bikarbonat tampon sistemi (bölüm 8.5) oluşturur - kan plazmasının güzel bir tampon sistemi, pH = 7,40 ± 0,05'te sabit bir kan pH'ı sağlar.

Doğal sularda kalsiyum ve magnezyum hidrokarbonatların varlığı geçici sertliklere neden olur. Bu su kaynatıldığında sertliği ortadan kalkar. Bu, HCO3(-) anyonunun hidrolizi, karbonik asidin termal ayrışması ve kalsiyum ve magnezyum katyonlarının çözünmeyen CaC03 ve Mg(OH)2 bileşikleri formunda çökelmesi nedeniyle oluşur:

Mg(OH)2 oluşumu, Mg(0H)2'nin MgC03'e kıyasla daha düşük çözünürlüğü nedeniyle bu koşullar altında meydana gelen magnezyum katyonunun tamamen hidrolizi nedeniyle meydana gelir.

Tıbbi ve biyolojik uygulamada karbonik asitin yanı sıra karbon içeren diğer asitlerle de uğraşmak gerekir. Bu öncelikle çok çeşitli farklı organik asitlerin yanı sıra hidrosiyanik asit HCN'dir. Asidik özellikler açısından bakıldığında bu asitlerin kuvveti farklıdır:

Bu farklılıklar moleküldeki atomların karşılıklı etkisinden, ayrışan bağın doğasından ve anyonun stabilitesinden, yani yükü lokalize etme yeteneğinden kaynaklanmaktadır.

Hidrosiyanik asit veya hidrojen siyanür, HCN - renksiz, oldukça uçucu sıvı (T kip = 26 °C) acı badem kokusunda olup suyla her oranda karışabilir. Sulu çözeltilerde tuzları siyanür olarak adlandırılan çok zayıf bir asit gibi davranır. Alkali ve alkali toprak metal siyanürler suda çözünürler, ancak anyonda hidrolize olurlar, bu nedenle sulu çözeltileri hidrosiyanik asit (acı badem kokusu) gibi kokar ve pH> 12'ye sahiptir:

Havada bulunan CO2'ye uzun süre maruz kalındığında siyanür hidrosiyanik asit açığa çıkaracak şekilde ayrışır:

Bu reaksiyon sonucunda potasyum siyanür (potasyum siyanür) ve çözeltileri uzun süreli depolama sırasında toksisitelerini kaybederler. Siyanür anyonu, aktif bir ligand olduğundan ve kompleks oluşturan iyonlar olarak Fe3+ ve Cu2(+) içeren enzimlerle kolayca stabil kompleks bileşikler oluşturduğundan, en güçlü inorganik zehirlerden biridir (Bölüm 2). 10.4).

Redoks özellikleri. Bileşiklerdeki karbon -4'ten +4'e kadar herhangi bir oksidasyon durumu sergileyebildiğinden, reaksiyon sırasında serbest karbon, ikinci reaktifin özelliklerine bağlı olarak sırasıyla bir indirgeyici madde veya bir oksitleyici madde olarak hareket ederek hem elektron bağışlayabilir hem de kazanabilir:

Güçlü oksitleyici maddeler organik maddelerle etkileşime girdiğinde bu bileşiklerin karbon atomlarında eksik veya tam oksidasyon meydana gelebilir.

Oksijen eksikliği veya yokluğu ile anaerobik oksidasyon koşulları altında, organik bir bileşiğin karbon atomları, bu bileşiklerdeki oksijen atomlarının içeriğine ve dış koşullara bağlı olarak C0 2, CO, C ve hatta CH4 ve diğerlerine dönüşebilir. organojenler H2O, NH3 ve H2S'ye dönüşür.

Vücutta, organik bileşiklerin oksidaz enzimlerinin varlığında oksijenle tamamen oksidasyonu (aerobik oksidasyon) aşağıdaki denklemle açıklanmaktadır:

Verilen oksidasyon reaksiyonları denklemlerinden, organik bileşiklerde yalnızca karbon atomlarının oksidasyon durumunu değiştirdiği, diğer organojenlerin atomlarının ise oksidasyon durumunu koruduğu açıktır.

Hidrojenasyon reaksiyonları sırasında, yani çoklu bir bağa hidrojenin (bir indirgeyici madde) eklenmesi sırasında, onu oluşturan karbon atomları oksidasyon durumlarını azaltır (oksitleyici maddeler olarak işlev görür):

Örneğin Wurtz reaksiyonunda yeni bir karbonlar arası bağın ortaya çıktığı organik ikame reaksiyonları da karbon atomlarının oksitleyici ajanlar ve metal atomlarının indirgeyici ajanlar olarak hareket ettiği redoks reaksiyonlarıdır:

Organometalik bileşiklerin oluşum reaksiyonlarında da benzer bir şey gözlenir:

Aynı zamanda, yeni bir karbonlar arası bağın ortaya çıktığı alkilasyon reaksiyonlarında, sırasıyla substrat ve reaktifin karbon atomları oksitleyici ve indirgeyici rolünü oynar:

Çoklu karbonlar arası bağ yoluyla substrata polar bir reaktifin eklenmesi reaksiyonları sonucunda, karbon atomlarından biri oksitleyici ajanın özelliklerini sergileyerek oksidasyon durumunu düşürür, diğeri ise oksidasyon derecesini artırarak bir oksitleyici madde görevi görür. indirgen madde:

Bu durumlarda, substratın karbon atomlarının molekül içi oksidasyon-redüksiyon reaksiyonu meydana gelir; dismutasyon, redoks özellikleri sergilemeyen bir reaktifin etkisi altında.

Organik bileşiklerin karbon atomları nedeniyle molekül içi dismutasyonunun tipik reaksiyonları, amino asitlerin veya keto asitlerin dekarboksilasyon reaksiyonlarının yanı sıra, bölümde tartışılan organik bileşiklerin yeniden düzenlenmesi ve izomerizasyon reaksiyonlarıdır. 9.3. Organik reaksiyonların verilen örneklerinin yanı sıra Bölüm 2'deki reaksiyonlar da verilmiştir. Şekil 9.3, organik bileşiklerdeki karbon atomlarının hem oksitleyici ajanlar hem de indirgeyici ajanlar olabileceğini ikna edici bir şekilde göstermektedir.

Bir bileşikteki karbon atomu- bir oksitleyici madde, reaksiyonun bir sonucu olarak, daha az elektronegatif elementlerin (hidrojen, metaller) atomlarıyla olan bağlarının sayısı artarsa, söz konusu karbon atomu, bu bağların ortak elektronlarını kendine çekerek oksidasyonunu azaltır. durum.

Bir bileşikteki karbon atomu- Reaksiyonun bir sonucu olarak daha elektronegatif elementlerin atomlarıyla bağlarının sayısı artarsa, indirgeyici bir madde(EKSİLERİ), çünkü söz konusu karbon atomu, bu bağların ortak elektronlarını uzaklaştırarak oksidasyon durumunu artırır.

Dolayısıyla organik kimyadaki karbon atomlarının redoks dualitesinden dolayı birçok reaksiyon redokstur. Bununla birlikte, inorganik kimyadaki benzer reaksiyonlardan farklı olarak, organik bileşiklerdeki oksitleyici madde ile indirgeyici madde arasındaki elektronların yeniden dağıtımına, yalnızca oksitleyici madde olarak görev yapan atoma kimyasal bağın ortak elektron çiftinin yer değiştirmesi eşlik edebilir. Bu durumda bu bağlantı korunabilir ancak güçlü kutuplaşma durumlarında kopabilir.

Karbon bileşiklerinin kompleks oluşturma özellikleri. Bileşiklerdeki karbon atomunun yalnız elektron çiftleri yoktur ve bu nedenle yalnızca katılımıyla çoklu bağ içeren karbon bileşikleri ligand görevi görebilir. Kompleks oluşum süreçlerinde özellikle aktif olan, karbon monoksitin (2) ve hidrosiyanik asit anyonunun polar üçlü bağının elektronlarıdır.

Karbon monoksit molekülünde (2), karbon ve oksijen atomları, değişim mekanizmasına göre iki 2p atomik yörüngelerinin karşılıklı örtüşmesi nedeniyle bir ve bir bağ oluşturur. Üçüncü bağ, yani diğer bir bağ, verici-alıcı mekanizmasına göre oluşur. Alıcı, karbon atomunun serbest 2p atomik yörüngesidir ve donör, 2p yörüngesinden yalnız bir elektron çifti sağlayan oksijen atomudur:

Artan bağ oranı, bu moleküle asit-baz (CO, tuz oluşturmayan bir oksittir) ve redoks özellikleri (CO, bir indirgeyici maddedir) açısından normal koşullar altında yüksek stabilite ve inertlik sağlar. T > 1000K). Aynı zamanda, d-metallerin atomları ve katyonları ile, özellikle de demir ile kompleksleşme reaksiyonlarında aktif bir ligand haline getirir ve bununla uçucu bir toksik sıvı olan demir pentakarbonil oluşturur:

D-metal katyonları ile karmaşık bileşikler oluşturma yeteneği, karbon monoksitin (H) canlı sistemler için toksisitesinin nedenidir (Bölüm. 10.4) Fe2+ ​​katyonunu içeren hemoglobin ve oksihemoglobin ile karboksihemoglobin oluşumu ile geri dönüşümlü reaksiyonların ortaya çıkması nedeniyle:

Bu dengeler, stabilitesi oksihemoglobin ННbО2'ninkinden 210 kat daha fazla olan karboksihemoglobin ННbСО oluşumuna doğru kaydırılır. Bu, kanda karboksihemoglobin birikmesine ve dolayısıyla oksijen taşıma yeteneğinin azalmasına yol açar.

Hidrosiyanik asit anyonu CN- ayrıca kolayca polarize olabilen elektronlar içerir, bu nedenle enzimlerin parçası olan yaşam metalleri de dahil olmak üzere d-metallerle etkili bir şekilde kompleksler oluşturur. Bu nedenle siyanürler oldukça toksik bileşiklerdir (Bölüm 10.4).

Doğadaki karbon döngüsü. Doğadaki karbon döngüsü esas olarak karbonun oksidasyonu ve indirgenmesi reaksiyonlarına dayanmaktadır (Şekil 12.3).

Bitkiler atmosferden ve hidrosferden (1) karbon monoksiti (4) özümser. Bitki kütlesinin bir kısmı (2) insanlar ve hayvanlar tarafından tüketilmektedir. Hayvanların solunumu ve kalıntılarının çürümesi (3), bitkilerin solunumu, ölü bitkilerin çürümesi ve odunun yanması (4) CO2'nin atmosfere ve hidrosfere geri dönmesini sağlar. Turba, fosil kömür, petrol, gaz oluşumu ile bitki (5) ve hayvan (6) kalıntılarının mineralizasyon süreci, karbonun doğal kaynaklara geçişine yol açar. Asit-baz reaksiyonları (7) aynı yönde çalışır ve CO2 ile çeşitli kayalar arasında karbonatların (orta, asidik ve bazik) oluşumuyla meydana gelir:

Döngünün bu inorganik kısmı atmosferde ve hidrosferde CO2 kaybına yol açar. Aksine, kömür, petrol, gaz (8), yakacak odunun (4) yakılması ve işlenmesindeki insan faaliyeti, çevreyi karbon monoksit (4) ile bol miktarda zenginleştirir. Uzun süredir fotosentez sayesinde atmosferdeki CO2 konsantrasyonunun sabit kaldığına dair bir güven vardı. Ancak şu anda insan faaliyetlerinden dolayı atmosferdeki CO2 içeriğindeki artış, doğal azalmayla telafi edilemiyor. CO2'nin atmosfere toplam salınımı yılda %4-5 oranında katlanarak artıyor. Hesaplamalara göre 2000 yılında atmosferdeki CO2 içeriği %0,03 (1990) yerine yaklaşık %0,04'e ulaşacak.

Karbon içeren bileşiklerin özellikleri ve özellikleri dikkate alındıktan sonra karbonun başrolü bir kez daha vurgulanmalıdır.

Pirinç. 12.3. Karbon döngüsü doğa

Organojen No. 1: ilk olarak karbon atomları, organik bileşik moleküllerinin iskeletini oluşturur; ikincisi, karbon atomları redoks işlemlerinde önemli bir rol oynar, çünkü tüm organojenlerin atomları arasında redoks ikiliğiyle en çok karakterize edilen karbondur. Organik bileşiklerin özellikleri hakkında daha fazla bilgi için bkz. Modül IV "Biyoorganik Kimyanın Temelleri".

Grup IVA'nın p-elementlerinin genel özellikleri ve biyolojik rolü. Karbonun elektronik analogları grup IVA'nın elementleridir: silikon Si, germanyum Ge, kalay Sn ve kurşun Pb (bkz. Tablo 1.2). Bu elementlerin atomlarının yarıçapları atom numarasının artmasıyla doğal olarak artar ve iyonlaşma enerjileri ve elektronegatiflikleri doğal olarak azalır (Bölüm 1.3). Bu nedenle, grubun ilk iki elementi: karbon ve silikon tipik metal olmayanlardır ve germanyum, kalay ve kurşun, en çok elektron kaybıyla karakterize edildikleri için metallerdir. Ge - Sn - Pb serisinde metalik özellikler artar.

Redoks özellikleri açısından bakıldığında, C, Si, Ge, Sn ve Pb elementleri normal koşullar altında hava ve suya karşı oldukça kararlıdır (Sn ve Pb metalleri - yüzeyde bir oksit filmi oluşması nedeniyle) ). Aynı zamanda kurşun bileşikleri (4) güçlü oksitleyici maddelerdir:

Kompleks oluşturma özellikleri kurşunun en karakteristik özelliğidir, çünkü Pb 2+ katyonları grup IVA'nın diğer p elemanlarının katyonlarıyla karşılaştırıldığında güçlü kompleks oluşturucu maddelerdir. Kurşun katyonları biyoligandlarla güçlü kompleksler oluşturur.

Grup IVA'nın elemanları hem vücuttaki içerikleri hem de biyolojik rolleri bakımından keskin bir şekilde farklılık gösterir. Karbon, içeriğinin yaklaşık %20 olduğu vücut yaşamında temel bir rol oynar. Vücuttaki diğer grup IVA elementlerinin içeriği %10 -6 -10 -3 arasındadır. Aynı zamanda silikon ve germanyum şüphesiz vücut yaşamında önemli bir rol oynuyorsa, kalay ve özellikle kurşun toksiktir. Dolayısıyla IVA grubu elementlerinin atom kütlesi arttıkça bileşiklerinin toksisitesi de artar.

Kömür veya silikon dioksit SiO2 parçacıklarından oluşan toz, akciğerlere sistematik olarak maruz kaldığında hastalıklara - pnömokonyoz - neden olur. Kömür tozu söz konusu olduğunda bu, madencilerin meslek hastalığı olan antrakozdur. Si02 içeren toz solunduğunda silikoz meydana gelir. Pnömokonyozun gelişim mekanizması henüz belirlenmemiştir. Silikat kum tanelerinin biyolojik sıvılarla uzun süreli temasıyla, polisilisik asit Si02 yH2O'nun jel benzeri bir durumda oluştuğu ve hücrelerde birikmesinin ölümlerine yol açtığı varsayılmaktadır.

Kurşunun toksik etkisi insanoğlu tarafından çok uzun zamandır bilinmektedir. Bulaşık ve su borularının yapımında kurşun kullanılması, insanların büyük ölçüde zehirlenmesine yol açtı. Şu anda, kurşun bileşiklerinin atmosfere salınımı yıllık 400.000 tonun üzerinde olduğundan kurşun, başlıca çevre kirleticilerden biri olmaya devam etmektedir. Kurşun esas olarak iskelette az çözünen fosfat Pb3(PO4)2 formunda birikir ve kemikler demineralize olduğunda vücut üzerinde düzenli toksik etkiye sahiptir. Bu nedenle kurşun kümülatif bir zehir olarak sınıflandırılır. Kurşun bileşiklerinin toksisitesi öncelikle kompleks oluşturma özellikleri ve biyoligandlara, özellikle de sülfhidril grupları (-SH) içerenlere yönelik yüksek afinitesiyle ilişkilidir:

Kurşun iyonlarının proteinler, fosfolipidler ve nükleotidlerle kompleks bileşiklerinin oluşumu bunların denatürasyonuna yol açar. Çoğu zaman kurşun iyonları EM 2+ metaloenzimleri inhibe ederek canlı metal katyonlarını onlardan uzaklaştırır:

Kurşun ve bileşikleri öncelikle sinir sistemi, kan damarları ve kan üzerinde etkili olan zehirlerdir. Aynı zamanda kurşun bileşikleri protein sentezini, hücrelerin enerji dengesini ve genetik aparatlarını etkiler.

Tıpta aşağıdaki harici antiseptikler büzücü olarak kullanılır: kurşun asetat Pb(CH3COO)2 ZH2O (kurşun losyonları) ve kurşun(2) oksit PbO (kurşun alçı). Bu bileşiklerin kurşun iyonları, mikrobiyal hücrelerin ve dokuların sitoplazmasındaki proteinlerle (albümin) reaksiyona girerek jel benzeri albüminatlar oluşturur. Jel oluşumu mikropları öldürür ve ayrıca doku hücrelerine nüfuz etmelerini zorlaştırır, bu da lokal inflamatuar yanıtı azaltır.

Belediye eğitim kurumu "Nikiforovskaya ortaokul No. 1"

Karbon ve ana inorganik bileşikleri

Makale

Tamamlayan: 9B sınıfı öğrencisi

Sidorov İskender

Öğretmen: Sakharova L.N.

Dmitrievka 2009

giriiş

Bölüm I. Karbon hakkında her şey

1.1. Doğada karbon

1.2. Karbonun allotropik modifikasyonları

1.3. Karbonun kimyasal özellikleri

1.4. Karbon uygulaması

Bölüm II. İnorganik karbon bileşikleri

Çözüm

Edebiyat

giriiş

Karbon (lat. Carboneum) C, Mendeleev periyodik sisteminin IV. grubunun kimyasal bir elementidir: atom numarası 6, atom kütlesi 12.011(1). Karbon atomunun yapısını ele alalım. Karbon atomunun dış enerji seviyesi dört elektron içerir. Grafiksel olarak gösterelim:

Karbon eski çağlardan beri bilinmektedir ve bu elementi keşfedenin adı bilinmemektedir.

17. yüzyılın sonunda. Floransalı bilim adamları Averani ve Tardgioni birkaç küçük elması tek bir büyük elmas haline getirmeye çalıştılar ve bunları güneş ışığını kullanarak yanan bir camla ısıttılar. Elmaslar havada yanarak ortadan kayboldu. 1772'de Fransız kimyager A. Lavoisier, elmaslar yandığında CO2'nin oluştuğunu gösterdi. İngiliz bilim adamı S. Tennant ancak 1797'de grafit ve kömürün doğasının kimliğini kanıtladı. Eşit miktarda kömür ve elmas yakıldıktan sonra karbon monoksit (IV) hacimlerinin aynı olduğu ortaya çıktı.

Atomlarının birbirleriyle ve diğer elementlerin atomlarıyla çeşitli şekillerde birleşme yeteneğiyle açıklanan karbon bileşiklerinin çeşitliliği, karbonun diğer elementler arasındaki özel konumunu belirler.

Bölüm BEN . Karbon hakkında her şey

1.1. Doğada karbon

Karbon doğada hem serbest halde hem de bileşikler halinde bulunur.

Serbest karbon elmas, grafit ve karbin formunda oluşur.

Elmaslar çok nadirdir. Bilinen en büyük elmas olan Cullinan, 1905 yılında Güney Afrika'da bulunmuş olup, 621,2 g ağırlığında ve 10x6,5x5 cm ölçülerindedir. Moskova'daki Elmas Fonu, dünyanın en büyük ve en güzel elmaslarından biri olan “Orlov”u (37,92 g) barındırmaktadır. .

Pırlanta adını Yunancadan almıştır. "adamas" - yenilmez, yok edilemez. En önemli elmas yatakları Güney Afrika, Brezilya ve Yakutya'da bulunmaktadır.

Büyük grafit yatakları Almanya, Sri Lanka, Sibirya ve Altay'da bulunmaktadır.

Karbon içeren ana mineraller şunlardır: manyezit MgCO 3, kalsit (kireç direği, kireçtaşı, mermer, tebeşir) CaCO 3, dolomit CaMg(CO 3) 2, vb.

Tüm fosil yakıtlar - petrol, gaz, turba, kömür ve kahverengi kömür, şist - karbon esasına göre inşa edilmiştir. %99'a kadar C içeren bazı fosil kömürlerin bileşimi karbona yakındır.

Karbon yer kabuğunun %0,1'ini oluşturur.

Karbon monoksit (IV) CO2 formunda karbon atmosfere girer. Hidrosferde büyük miktarda CO2 çözülür.

1.2. Karbonun allotropik modifikasyonları

Temel karbon üç allotropik modifikasyon oluşturur: elmas, grafit, karabina.

1. Elmas, ışık ışınlarını son derece güçlü bir şekilde kıran, renksiz, şeffaf kristal bir maddedir. Elmastaki karbon atomları sp3 hibridizasyonu halindedir. Uyarılmış durumda, karbon atomlarındaki değerlik elektronları eşlenir ve dört eşlenmemiş elektron oluşur. Kimyasal bağlar oluştuğunda, elektron bulutları aynı uzun şekli kazanır ve eksenleri tetrahedronun köşelerine doğru yönlendirilecek şekilde uzaya yerleştirilir. Bu bulutların tepeleri diğer karbon atomlarından oluşan bulutlarla örtüştüğünde, 109°28" açıda kovalent bağlar meydana gelir ve elmasa özgü atomik kristal kafes oluşur.

Elmastaki her bir karbon atomu, tetrahedronların merkezinden köşelerine kadar yönlerde bulunan diğer dört karbon atomu ile çevrilidir. Dörtyüzlüdeki atomlar arasındaki mesafe 0,154 nm'dir. Tüm bağlantıların gücü aynıdır. Böylece elmastaki atomlar çok sıkı bir şekilde “paketlenir”. 20°C'de elmasın yoğunluğu 3,515 g/cm3'tür. Bu onun olağanüstü sertliğini açıklıyor. Elmas zayıf bir elektrik iletkenidir.

1961'de Sovyetler Birliği, grafitten sentetik elmasların endüstriyel üretimine başladı.

Elmasların endüstriyel sentezi binlerce MPa'lık basınç ve 1500 ila 3000°C arasındaki sıcaklıkları kullanır. İşlem, Ni gibi bazı metaller olabilen katalizörlerin varlığında gerçekleştirilir. Oluşan elmasların büyük kısmı küçük kristaller ve elmas tozudur.

Elmas, hava olmadan 1000°C'nin üzerinde ısıtıldığında grafite dönüşür. 1750°C'de elmasın grafite dönüşümü hızla gerçekleşir.

Elmas yapısı

2. Grafit, metalik parlaklığa sahip, dokunulduğunda yağlı ve sertliği kağıttan bile daha düşük olan gri-siyah kristal bir maddedir.

Grafit kristallerindeki karbon atomları sp2 hibridizasyonu durumundadır: her biri komşu atomlarla üç kovalent σ bağı oluşturur. Bağ yönleri arasındaki açılar 120°'dir. Sonuç, düzenli altıgenlerden oluşan bir ızgaradır. Katmanın içindeki karbon atomlarının bitişik çekirdekleri arasındaki mesafe 0,142 nm'dir. Grafitteki her karbon atomunun dış katmanındaki dördüncü elektron, hibridizasyona katılmayan bir p yörüngesini işgal eder.

Karbon atomlarının hibrit olmayan elektron bulutları, katman düzlemine dik olarak yönlendirilir ve birbirleriyle örtüşerek delokalize σ bağları oluşturur. Bir grafit kristalindeki bitişik katmanlar, birbirlerinden 0,335 nm uzaklıkta bulunur ve birbirlerine esas olarak van der Waals kuvvetleri tarafından zayıf bir şekilde bağlanır. Bu nedenle, grafit düşük mekanik dayanıma sahiptir ve kolayca çok güçlü olan pullara ayrılır. Grafitteki karbon atomu katmanları arasındaki bağ kısmen metalik niteliktedir. Bu, grafitin elektriği iyi ilettiğini ancak metaller kadar iyi iletmediğini açıklıyor.

Grafit yapısı

Grafitin fiziksel özellikleri, karbon atomu katmanlarına dik ve paralel yönlerde büyük ölçüde değişiklik gösterir.

Grafit, hava erişimi olmadan ısıtıldığında 3700°C'ye kadar herhangi bir değişikliğe uğramaz. Belirtilen sıcaklıkta erimeden süblimleşir.

Yapay grafit, hava erişimi olmayan elektrikli fırınlarda 3000°C'de en iyi kalitedeki kömürden üretilir.

Grafit, geniş bir sıcaklık ve basınç aralığında termodinamik olarak kararlı olduğundan karbonun standart durumu olarak kabul edilir. Grafitin yoğunluğu 2,265 g/cm3'tür.

3. Karbin ince kristalli siyah bir tozdur. Kristal yapısında, karbon atomları doğrusal zincirlerde değişen tekli ve üçlü bağlarla bağlanır:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Bu madde ilk olarak V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev, XX yüzyılın 60'lı yılların başında.

Daha sonra karbinin farklı formlarda bulunabileceği ve karbon atomlarının çift bağlarla bağlandığı hem poliasetilen hem de polikümülen zincirleri içerdiği gösterildi:

C=C=C=C=C=C=

Daha sonra doğada, göktaşı maddesinde karbin bulundu.

Carbyne yarı iletken özelliklere sahiptir; ışığa maruz kaldığında iletkenliği büyük ölçüde artar. Farklı bağ türlerinin varlığı ve kristal kafeste karbon atomu zincirlerini yerleştirmenin farklı yolları nedeniyle, karbinin fiziksel özellikleri büyük ölçüde değişebilir. Karabina 2000°C'nin üzerinde havaya erişim olmadan ısıtıldığında stabildir; 2300°C civarındaki sıcaklıklarda grafite geçişi gözlenir.

Doğal karbon (%98,892) ve (%1,108) olmak üzere iki izotoptan oluşur. Ayrıca atmosferde yapay olarak üretilen radyoaktif izotopun küçük katkıları da bulundu.

Daha önce, kömür, kurum ve kokunun bileşim açısından saf karbona benzer olduğuna ve özelliklerinde elmas ve grafitten farklı olduğuna, karbonun bağımsız bir allotropik modifikasyonunu ("amorf karbon") temsil ettiğine inanılıyordu. Ancak bu maddelerin, karbon atomlarının grafitte olduğu gibi bağlandığı çok küçük kristal parçacıklardan oluştuğu tespit edildi.

4. Kömür – ince öğütülmüş grafit. Karbon içeren bileşiklerin hava erişimi olmadan termal ayrışması sırasında oluşur. Kömürlerin özellikleri, elde edildikleri maddeye ve üretim yöntemine bağlı olarak önemli ölçüde farklılık gösterir. Her zaman özelliklerini etkileyen yabancı maddeler içerirler. En önemli kömür türleri kok, odun kömürü ve istir.

Kok, kömürün havaya erişimi olmadan ısıtılmasıyla üretilir.

Odun havaya erişim olmadan ısıtıldığında kömür oluşur.

Kurum çok ince bir grafit kristal tozdur. Hidrokarbonların (doğal gaz, asetilen, terebentin vb.) sınırlı hava erişimiyle yanmasıyla oluşur.

Aktif karbonlar, esas olarak karbondan oluşan gözenekli endüstriyel adsorbanlardır. Adsorpsiyon, gazların ve çözünmüş maddelerin katıların yüzeyi tarafından emilmesidir. Aktif karbonlar katı yakıtlardan (turba, kahverengi ve taşkömürü, antrasit), ahşap ve işlenmiş ürünlerinden (kömür, talaş, kağıt atığı), deri endüstrisi atıklarından ve kemik gibi hayvansal malzemelerden elde edilir. Yüksek mekanik mukavemete sahip kömürler, hindistancevizi ve diğer sert kabuklu yemişlerin kabuklarından ve meyve çekirdeklerinden üretilir. Kömürün yapısı her boyuttaki gözeneklerle temsil edilir, ancak adsorpsiyon kapasitesi ve adsorpsiyon hızı, birim kütle veya granül hacmi başına mikro gözeneklerin içeriği ile belirlenir. Aktif karbon üretilirken, başlangıç ​​​​malzemesi ilk önce havaya erişim olmadan ısıl işleme tabi tutulur, bunun sonucunda nem ve kısmen reçineler çıkarılır. Bu durumda kömürün geniş gözenekli bir yapısı oluşur. Mikro gözenekli bir yapı elde etmek için aktivasyon, gaz veya buharla oksidasyon veya kimyasal reaktiflerle işlem yoluyla gerçekleştirilir.

1.3. Karbonun kimyasal özellikleri

Normal sıcaklıklarda elmas, grafit ve kömür kimyasal olarak inerttir ancak yüksek sıcaklıklarda aktiviteleri artar. Karbonun ana formlarının yapısından da anlaşılacağı gibi kömür, grafitten ve özellikle elmastan daha kolay reaksiyona girer. Grafit yalnızca elmastan daha reaktif olmakla kalmaz, aynı zamanda belirli maddelerle reaksiyona girdiğinde elmasın oluşturmadığı ürünler oluşturabilir.

1. Oksitleyici bir madde olarak karbon, yüksek sıcaklıklarda belirli metallerle reaksiyona girerek karbürler oluşturur:

ZS + 4Al = Al4C3 (alüminyum karbür).

2. Hidrojen ile kömür ve grafit hidrokarbonları oluşturur. En basit temsilci - metan CH4 - yüksek sıcaklıkta (600-1000 ° C) bir Ni katalizörünün varlığında elde edilebilir:

C + 2H2CH4.

3. Karbon, oksijenle etkileşime girdiğinde indirgeyici özellikler sergiler. Herhangi bir allotropik modifikasyonun karbonunun tamamen yanması ile karbon monoksit (IV) oluşur:

C + O2 = C02.

Eksik yanma karbon monoksit (II) CO üretir:

C + O 2 = 2CO.

Her iki reaksiyon da ekzotermiktir.

4. Kömürün indirgeyici özellikleri özellikle metal oksitlerle (çinko, bakır, kurşun vb.) etkileşime girdiğinde belirgindir, örneğin:

C + 2CuO = C02 + 2Cu,

C + 2ZnO = C02 + 2Zn.

Metalurjinin en önemli süreci olan cevherlerden metallerin eritilmesi bu reaksiyonlara dayanmaktadır.

Diğer durumlarda, örneğin kalsiyum oksit ile etkileşime girdiğinde karbürler oluşur:

CaO + 3S = CaC2 + CO.

5. Kömür, sıcak konsantre sülfürik ve nitrik asitlerle oksitlenir:

C + 2H 2 SO 4 = C02 + 2SO 2 + 2H 2 O,

3S + 4HNO3 = 3SO2 + 4NO + 2H20.

Her türlü karbon alkalilere karşı dayanıklıdır!

1.4. Karbon uygulaması

Elmaslar çeşitli sert malzemeleri işlemek, camı kesmek, taşlamak, delmek ve oymak ve kayaları delmek için kullanılır. Elmaslar cilalanıp kesildikten sonra takı olarak kullanılan elmaslara dönüştürülür.

Grafit, modern endüstri için en değerli malzemedir. Grafit, dökümhane kalıpları, eritme potaları ve diğer refrakter ürünlerin yapımında kullanılır. Yüksek kimyasal direnci nedeniyle, içi grafit plakalarla kaplı boru ve aparatların imalatında grafit kullanılır. Elektrik endüstrisinde, örneğin elektrot üretiminde önemli miktarlarda grafit kullanılır. Grafit, kalem ve bazı boyaların yapımında ve yağlayıcı olarak kullanılır. Nükleer reaktörlerde nötronları yumuşatmak için çok saf grafit kullanılır.

Doğrusal bir karbon polimeri olan karbin, yüksek sıcaklıklarda çalışabilen yarı iletkenlerin ve ultra güçlü fiberlerin üretimi için umut verici bir malzeme olarak bilim adamlarının dikkatini çekiyor.

Kömür metalurji endüstrisinde ve demircilikte kullanılır.

Kok, cevherlerden metallerin eritilmesinde indirgeyici madde olarak kullanılır.

Karbon siyahı, mukavemeti arttırmak için kauçuk dolgu maddesi olarak kullanılır, bu nedenle araba lastikleri siyahtır. Kurum ayrıca matbaa mürekkepleri, mürekkebi ve ayakkabı cilasının bir bileşeni olarak da kullanılır.

Aktif karbonlar çeşitli maddeleri saflaştırmak, çıkarmak ve ayırmak için kullanılır. Aktif karbonlar gaz maskelerinde dolgu maddesi olarak ve tıpta sorbent olarak kullanılır.

Bölüm II . İnorganik karbon bileşikleri

Karbon iki oksit oluşturur - karbon monoksit (II) CO ve karbon monoksit (IV) CO2.

Karbon monoksit (II) CO, suda az çözünen, renksiz, kokusuz bir gazdır. Çok zehirli olduğu için karbon monoksit adını almıştır. Nefes alırken kana karışarak hızlı bir şekilde hemoglobin ile birleşerek güçlü bir karboksihemoglobin bileşiği oluşturur ve böylece hemoglobinin oksijen taşıma yeteneğinden yoksun kalır.

%0,1 CO içeren havanın solunması halinde kişi aniden bilincini kaybedip ölebilir. Yakıtın eksik yanması sırasında karbon monoksit oluşur, bu nedenle bacaların erken kapanması çok tehlikelidir.

Karbon monoksit (II), bildiğiniz gibi, tuz oluşturmayan bir oksit olarak sınıflandırılır, çünkü metal olmayan bir oksit olduğundan tuz ve su oluşturmak için alkaliler ve bazik oksitlerle reaksiyona girmesi gerekir, ancak bu gözlenmez. .

2CO + O2 = 2CO2.

Karbon monoksit (II), metal oksitlerden oksijeni uzaklaştırma yeteneğine sahiptir; Metalleri oksitlerinden arındırın.

Fe203 + ZSO = 2Fe + ZSO2.

Metalurjide dökme demirin eritilmesinde kullanılan karbon (II) oksidin bu özelliğidir.

Karbon monoksit (IV) CO2 - yaygın olarak karbondioksit olarak bilinir - renksiz, kokusuz bir gazdır. Havadan yaklaşık bir buçuk kat daha ağırdır. Normal şartlarda 1 hacim karbondioksit 1 hacim suda çözünür.

Yaklaşık 60 atm basınçta karbondioksit renksiz bir sıvıya dönüşür. Sıvı karbondioksit buharlaştığında, bir kısmı endüstride preslenen, kar benzeri katı bir kütleye dönüşür - bu, bildiğiniz, yiyecekleri depolamak için kullanılan "kuru buzdur". Katı karbondioksitin moleküler bir kafese sahip olduğunu ve süblimleşme yeteneğine sahip olduğunu zaten biliyorsunuz.

Karbondioksit CO 2 tipik bir asidik oksittir: alkalilerle (örneğin kireçli suda bulanıklığa neden olur), bazik oksitlerle ve suyla etkileşime girer.

Yanmaz ve yanmayı desteklemez bu nedenle yangınları söndürmek için kullanılır. Bununla birlikte, magnezyum karbondioksit içinde yanmaya devam ederek bir oksit oluşturur ve karbonu kurum şeklinde açığa çıkarır.

C02 + 2Mg = 2MgO + C.

Karbon dioksit, karbonik asit tuzlarının - karbonatların hidroklorik, nitrik ve hatta asetik asit çözeltileriyle reaksiyona sokulmasıyla üretilir. Laboratuvarda, hidroklorik asidin tebeşir veya mermer üzerindeki etkisi sonucu karbondioksit üretilir.

CaC03 + 2HCl = CaCl2 + H20 + C02.

Endüstride karbondioksit kireç taşının yakılmasıyla üretilir:

CaCO3 = CaO + C02.

Daha önce sözü edilen uygulamaya ek olarak karbon dioksit aynı zamanda gazlı içeceklerin yapımında ve soda üretiminde de kullanılmaktadır.

Karbon monoksit (IV) suda çözüldüğünde, çok kararsız olan ve orijinal bileşenlerine (karbon dioksit ve su) kolayca ayrışan karbonik asit H2C03 oluşur.

Bir dibazik asit olarak karbonik asit iki dizi tuz oluşturur: orta - karbonatlar, örneğin CaC03 ve asidik - hidrokarbonatlar, örneğin Ca(HCO3) 2. Karbonatlardan yalnızca potasyum, sodyum ve amonyum tuzları suda çözünür. Asit tuzları genellikle suda çözünür.

Su varlığında karbondioksit fazlalığı olduğunda karbonatlar bikarbonatlara dönüşebilir. Dolayısıyla, karbondioksit kireçli sudan geçirilirse, suda çözünmeyen kalsiyum karbonatın çökelmesi nedeniyle ilk önce bulanık hale gelecektir, ancak karbondioksitin daha fazla geçmesiyle, çözünür kalsiyum bikarbonatın oluşması sonucu bulanıklık kaybolur:

CaC03 + H20 + C02 = Ca(HCO3)2.

Suyun geçici sertliğini açıklayan şey bu tuzun varlığıdır. Neden geçici? Çünkü ısıtıldığında çözünür kalsiyum bikarbonat çözünmeyen karbonata dönüşür:

Ca(HCO3)2 = CaC03 ↓ + H20 + C02.

Bu reaksiyon, kazanların, buharlı ısıtma borularının ve ev su ısıtıcılarının duvarlarında kireç oluşumuna yol açar ve doğada bu reaksiyonun bir sonucu olarak mağaralarda aşağıdan dikitlerin büyüdüğü tuhaf sarkıtlar oluşur.

Diğer kalsiyum ve magnezyum tuzları, özellikle klorürler ve sülfatlar suya kalıcı sertlik kazandırır. Suyun sabit sertliği kaynatılarak ortadan kaldırılamaz. Başka bir karbonat - soda kullanmalısınız.

Bu Ca2+ iyonlarını tortuya dönüştüren Na 2 CO 3, örneğin:

CaCl2 + Na2C03 = CaC03 ↓ + 2NaCl.

Geçici su sertliğini gidermek için kabartma tozu da kullanılabilir.

Karbonatlar ve bikarbonatlar asit çözeltileri kullanılarak tespit edilebilir: asitlere maruz kaldığında karbondioksit salınımı nedeniyle karakteristik bir "kaynama" gözlenir.

Bu reaksiyon karbonik asit tuzlarına yönelik kalitatif bir reaksiyondur.

Çözüm

Dünyadaki tüm yaşam karbona dayalıdır. Canlı bir organizmanın her molekülü bir karbon iskeleti temelinde inşa edilmiştir. Karbon atomları sürekli olarak biyosferin bir kısmından (Dünya'nın yaşamın var olduğu dar kabuğu) diğerine göç eder. Doğadaki karbon döngüsü örneğini kullanarak gezegenimizdeki yaşamın dinamiklerini takip edebiliriz.

Dünyadaki ana karbon rezervleri atmosferde bulunan ve Dünya Okyanusunda çözünmüş karbondioksit yani karbondioksit (CO2) formundadır. Öncelikle atmosferdeki karbondioksit moleküllerini ele alalım. Bitkiler bu molekülleri emer, daha sonra fotosentez işlemi yoluyla karbon atomu çeşitli organik bileşiklere dönüştürülür ve böylece bitki yapısına dahil edilir. Aşağıda birkaç seçenek bulunmaktadır:

1. Bitkiler ölene kadar karbon bitkilerde kalabilir. Daha sonra molekülleri, mantarlar ve termitler gibi ayrıştırıcılar (ölü organik maddeyle beslenen ve aynı zamanda onu basit inorganik bileşiklere yok eden organizmalar) için gıdaya gidecek. Sonunda karbon atmosfere CO2 olarak geri dönecek;

2. Bitkiler otçullar tarafından yenilebilir. Bu durumda, karbon ya atmosfere geri dönecek (hayvanların solunum sürecinde ve ölümden sonra çürümeleri sırasında) ya da otçullar etoburlar tarafından yenilecek (bu durumda karbon tekrar atmosfere geri dönecek). aynı yollar);

3. Bitkiler ölebilir ve toprak altına düşebilir. Daha sonra en sonunda kömür gibi fosil yakıtlara dönüşecekler.

Orijinal CO2 molekülünün deniz suyunda çözülmesi durumunda çeşitli seçenekler de mümkündür:

Karbondioksit basitçe atmosfere geri dönebilir (Dünya Okyanusu ile atmosfer arasında bu tür karşılıklı gaz değişimi sürekli olarak meydana gelir);

Karbon deniz bitkilerinin veya hayvanlarının dokularına girebilir. Daha sonra yavaş yavaş okyanusların dibinde çökeltiler halinde birikecek ve sonunda kireç taşına dönüşecek veya çökeltilerden tekrar deniz suyuna geçecektir.

Karbon çökeltilere veya fosil yakıtlara karışırsa atmosferden uzaklaştırılır. Dünyanın var olduğu süre boyunca bu şekilde uzaklaştırılan karbonun yerini, volkanik patlamalar ve diğer jeotermal süreçler sırasında atmosfere salınan karbondioksit almıştır. Modern koşullarda, bu doğal faktörler aynı zamanda fosil yakıtların insan tarafından yakılmasından kaynaklanan emisyonlarla da desteklenmektedir. CO2'nin sera etkisi üzerindeki etkisi nedeniyle, karbon döngüsünün incelenmesi, atmosferin incelenmesiyle ilgilenen bilim adamları için önemli bir görev haline geldi.

Bu araştırmanın bir kısmı bitki dokusunda (örneğin yeni ekilen bir ormanda) bulunan CO2 miktarını belirlemektir - bilim adamları buna karbon havuzu diyor. Hükümetler CO2 emisyonlarını sınırlamak için uluslararası bir anlaşmaya varmaya çalışırken, tek tek ülkelerdeki karbon yutakları ve emisyonlarının dengelenmesi konusu, sanayileşmiş ülkeler için önemli bir tartışma konusu haline geldi. Ancak bilim insanları, atmosferdeki karbondioksit birikiminin yalnızca orman ekimi ile durdurulabileceğinden şüpheli.

Karbon, dünyanın biyosferinde birbirine bağlı kapalı yollar boyunca sürekli olarak dolaşır. Günümüzde doğal süreçlere fosil yakıtların yakılmasının sonuçları da eklenmektedir.

Edebiyat:

1. Akhmetov N.S. Kimya 9. sınıf: ders kitabı. genel eğitim için ders kitabı kuruluşlar. – 2. baskı. – M.: Eğitim, 1999. – 175 s.: hasta.

2. Gabrielyan O.Ş. Kimya 9. sınıf: ders kitabı. genel eğitim için ders kitabı kuruluşlar. – 4. baskı. – M.: Bustard, 2001. – 224 s.: hasta.

3. Gabrielyan O.Ş. Kimya 8-9. sınıflar: yöntem. ödenek. – 4. baskı. – M.: Bustard, 2001. – 128 s.

4. Eroshin D.P., Shishkin E.A. Kimyada problem çözme yöntemleri: ders kitabı. ödenek. – M.: Eğitim, 1989. – 176 s.: hasta.

5. Kremenchugskaya M. Kimya: Bir okul çocuğunun referans kitabı. – M.: Filol. Toplum "WORD": LLC "AST Yayınevi", 2001. - 478 s.

6.Kritsman V.A. İnorganik kimya üzerine kitap okumak. – M.: Eğitim, 1986. – 273 s.