Carbonul este Un atom de carbon. Masa carbonului

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 05:39

Unul dintre cele mai uimitoare elemente care poate forma o mare varietate de compuși de natură organică și anorganică este carbonul. Acest element este atât de neobișnuit în proprietățile sale, încât chiar și Mendeleev i-a prezis un viitor grozav, vorbind despre caracteristici care nu au fost încă dezvăluite.

Mai târziu a fost practic confirmat. A devenit cunoscut faptul că este principalul element biogen al planetei noastre, care face parte din absolut toate ființele vii. În plus, capabil să existe în forme radical diferite în toate privințele, dar în același timp constau numai din atomi de carbon.

În general, această structură are multe caracteristici și vom încerca să le rezolvăm pe parcursul articolului.

Carbon: formula și poziția în sistemul de elemente

În sistemul periodic, elementul carbon este situat în grupa IV (conform noului model în 14), subgrupa principală. Numărul său de serie este 6, iar greutatea sa atomică este 12 011. Denumirea unui element cu semnul C indică numele său în latină - carboneum. Există mai multe forme diferite în care există carbon. Prin urmare, formula sa este diferită și depinde de modificarea specifică.

Totuși, pentru scrierea ecuațiilor de reacție, notația este specifică,bineinteles ca au. În general, când vorbim despre o substanță în formă pură, se adoptă formula moleculară a carbonului C, fără indexare.

Istoricul descoperirii elementelor

Acest element în sine este cunoscut încă din antichitate. La urma urmei, unul dintre cele mai importante minerale din natură este cărbunele. Prin urmare, pentru grecii antici, romani și alte naționalități, el nu era un secret.

Pe lângă această varietate, au mai fost folosite și diamante și grafit. Au existat multe situații confuze cu acesta din urmă pentru o lungă perioadă de timp, deoarece adesea, fără analiză a compoziției, se luau astfel de compuși pentru grafit, precum:

• plumb argintiu;
• carbură de fier;
• sulfură de molibden.

Toți erau vopsiți în negru și, prin urmare, considerați grafit. Mai târziu, această neînțelegere a fost clarificată și această formă de carbon a devenit însăși.

Din 1725, diamantele au o mare importanță comercială, iar în 1970, tehnologia obținerii lor artificial a fost stăpânită. Din 1779, datorită lucrării lui Karl Scheele, au fost studiate proprietățile chimice pe care le prezintă carbonul. Acesta a fost începutul unei serii de descoperiri importante în domeniul acestui element și a devenit baza pentru descoperirea tuturor caracteristicilor sale cele mai unice.

Izotopi de carbon și distribuție în natură

În ciuda faptului că elementul în cauză este unul dintre cele mai importante biogene, conținutul său total în masa scoarței terestre este de 0,15%. Acest lucru se datorează faptului că este supus unei circulații constante, un ciclu natural în natură.

În general, există mai multecompuși minerali care conțin carbon. Acestea sunt rase naturale precum:

• dolomiți și calcare;
• antracit;
• șisturi petroliere;
• gaze naturale;
• cărbune;
• ulei;
• lignit;
• turbă;
• bitum.

Pe lângă asta, nu ar trebui să uităm de ființele vii, care sunt doar un depozit de compuși de carbon. La urma urmei, au format proteine, grăsimi, carbohidrați, acizi nucleici, ceea ce înseamnă cele mai vitale molecule structurale. În general, în conversia greutății corporale uscate din 70 kg, 15 cade pe un element pur. Și așa este cu fiecare persoană, ca să nu mai vorbim de animale, plante și alte creaturi.

Dacă luăm în considerare compoziția aerului și a apei, adică a hidrosferei în ansamblu și a atmosferei, atunci există un amestec de carbon-oxigen, exprimat prin formula CO_{2. Dioxidul sau dioxidul de carbon este unul dintre principalele gaze care formează aerul. În această formă, fracția de masă a carbonului este de 0,046%. În apele oceanelor se dizolvă și mai mult dioxid de carbon.}

Masa atomică a carbonului ca element este 12.011. Se știe că această valoare este calculată ca medie aritmetică între greutățile atomice ale tuturor speciilor izotopice care există în natură, ținând cont de prevalența acestora (în procente).). Acesta este și cazul substanței în cauză. Există trei izotopi principali în care se găsește carbonul. Acesta este:

• ¹²С - fracția sa de masă în marea majoritate este de 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - radioactiv, timp de înjumătățire 5700 de ani, emițător beta stabil.

În practica determinării vârstei geocronologice a probelor, izotopul radioactiv ¹⁴С este utilizat pe scară largă, care este un indicator datorită perioadei lungi de dezintegrare.

Modificări alotropice ale unui element

Carbonul este un element care există ca substanță simplă sub mai multe forme. Adică, este capabil să formeze cel mai mare număr de modificări alotrope cunoscute astăzi.

1. Variații cristaline - există sub formă de structuri puternice cu rețele regulate de tip atomic. Acest grup include soiuri precum:

• diamante;
• fulerene;
• grafiți;
• carabine;
• lonsdaleites;
• fibre și tuburi de carbon.

Toți diferă prin structura rețelei cristaline, în nodurile căreia se află un atom de carbon. De aici, proprietățile complet unice și diferite, atât fizice, cât și chimice.

2. Forme amorfe - sunt formate de un atom de carbon, care face parte din unii compuși naturali. Adică acestea nu sunt soiuri pure, ci cu impurități ale altor elemente în cantități mici. Acest grup include:

• carbon activ;
• piatră și lemn;
• funingine;
• nanospumă de carbon;
• antracit;
• carbon sticlos;
• un tip tehnic de substanță.

Ei sunt, de asemenea, uniți prin caracteristicistructurile rețelei cristaline, explicând și manifestând proprietăți.

3. Compuși ai carbonului sub formă de clustere. O astfel de structură în care atomii sunt închiși într-o cavitate de conformație specială din interior, umplută cu apă sau cu nucleele altor elemente. Exemple:

• nanoconuri de carbon;
• astralens;
• dicarbon.

Proprietățile fizice ale carbonului amorf

Datorită varietății mari de modificări alotropice, este dificil să se identifice proprietăți fizice comune pentru carbon. Este mai ușor să vorbim despre o anumită formă. De exemplu, carbonul amorf are următoarele caracteristici.

1. În centrul tuturor formelor se află soiurile fin-cristaline de grafit.
2. Capacitate termică mare.
3. Proprietăți conductoare bune.
4. Densitatea carbonului este de aproximativ 2 g/cm³.
5. Când este încălzit peste 1600 ⁰C, are loc o tranziție la forme de grafit.

Soiurile de funingine, cărbune și piatră sunt utilizate pe scară largă în scopuri industriale. Ele nu sunt o manifestare a modificării carbonului în forma sa pură, dar îl conțin în cantități foarte mari.

Carbon cristalin

Există mai multe opțiuni în care carbonul este o substanță care formează cristale regulate de diferite tipuri, în care atomii sunt legați în serie. Ca rezultat, se formează următoarele modificări.

1. Diamant. Structura este cubică, în care sunt conectate patru tetraedre. Ca rezultat, toate legăturile chimice covalente ale fiecărui atommaxim saturate și durabile. Așa se explică proprietățile fizice: densitatea carbonului este de 3300 kg/m³. Duritate mare, capacitate termică scăzută, lipsă de conductivitate electrică - toate acestea sunt rezultatul structurii rețelei cristaline. Există diamante obținute tehnic. Ele se formează în timpul tranziției grafitului la următoarea modificare sub influența temperaturii ridicate și a unei anumite presiuni. În general, punctul de topire al diamantului este la fel de mare ca rezistența - aproximativ 3500 ⁰C.
2. Graphit. Atomii sunt aranjați similar cu structura substanței anterioare, cu toate acestea, doar trei legături sunt saturate, iar a patra devine mai lungă și mai puțin puternică, conectează „straturile” inelelor hexagonale ale rețelei. Ca rezultat, se dovedește că grafitul este o substanță neagră moale și grasă la atingere. Are o conductivitate electrică bună și un punct de topire ridicat - 3525 ⁰C. Capabil de sublimare - sublimare de la o stare solidă la o stare gazoasă, ocolind starea lichidă (la o temperatură de 3700 ⁰С). Densitatea carbonului este de 2,26 g/cm^3, care este mult mai mică decât cea a diamantului. Aceasta explică proprietățile lor diferite. Datorită structurii stratificate a rețelei cristaline, este posibil să se utilizeze grafit pentru fabricarea minelor de creion. Când treceți peste hârtie, fulgii se desprind și lasă un semn negru pe hârtie.
3. Fullerene. Au fost deschise abia în anii 80 ai secolului trecut. Sunt modificări în care carbonii sunt interconectați într-o structură specială închisă convexă, care are în centrugoliciunea. Și forma unui cristal - un poliedru, organizarea corectă. Numărul de atomi este par. Cea mai faimoasă formă de fullerenă este С₆₀. S-au găsit mostre dintr-o substanță similară în timpul cercetării:

• meteoriți;
• sedimente de jos;
• folgurite;
• shungite;
• spațiul cosmic, unde este conținut sub formă de gaze.

Toate varietățile de carbon cristalin sunt de mare importanță practică, deoarece au o serie de proprietăți utile în inginerie.

Reactivitate

Carbonul molecular prezintă reactivitate scăzută datorită configurației sale stabile. Poate fi forțat să intre în reacții numai prin furnizarea de energie suplimentară atomului și forțând electronii de la nivelul exterior să se evapore. În acest moment, valența devine 4. Prin urmare, în compuși, are o stare de oxidare de + 2, + 4, - 4.

Practic toate reacțiile cu substanțe simple, atât metale, cât și nemetale, au loc sub influența temperaturilor ridicate. Elementul în cauză poate fi atât un agent oxidant, cât și un agent reducător. Cu toate acestea, aceste din urmă proprietăți sunt deosebit de pronunțate în ea și aceasta este baza pentru utilizarea sa în industria metalurgică și în alte industrii.

În general, capacitatea de a intra în interacțiune chimică depinde de trei factori:

• dispersia carbonului;
• modificare alotropică;
• temperatura de reacție.

Astfel, în unele cazuri există o interacțiune cu următoarelesubstanțe:

• non-metale (hidrogen, oxigen);
• metale (aluminiu, fier, calciu și altele);
• oxizi de metal și sărurile lor.

Nu reacționează cu acizi și alcalii, foarte rar cu halogeni. Cea mai importantă dintre proprietățile carbonului este capacitatea de a forma lanțuri lungi între ele. Se pot închide într-un ciclu, formează ramuri. Așa se formează compușii organici, care astăzi se numără la milioane. Baza acestor compuși sunt două elemente - carbon, hidrogen. Mai pot fi incluși și alți atomi: oxigen, azot, sulf, halogeni, fosfor, metale și alții.

Compuși principali și caracteristicile acestora

Există mulți compuși diferiți care conțin carbon. Formula celor mai faimoase dintre ele este CO₂ - dioxid de carbon. Totuși, pe lângă acest oxid, există și CO - monoxid sau monoxid de carbon, precum și suboxidul C₃O₂.

Dintre sărurile care conțin acest element, cele mai frecvente sunt carbonații de calciu și magneziu. Deci, carbonatul de calciu are mai multe sinonime în nume, deoarece apare în natură sub forma:

• cretă;
• marmură;
• calcar;
• dolomit.

Importanța carbonaților metalelor alcalino-pământoase se manifestă prin faptul că aceștia sunt participanți activi la formarea stalactitelor și stalagmitelor, precum și a apelor subterane.

Acidul carbonic este un alt compus care formează carbon. Formula sa esteH₂CO₃. Cu toate acestea, în forma sa obișnuită, este extrem de instabilă și se descompune imediat în dioxid de carbon și apă în soluție. Prin urmare, doar sărurile sale sunt cunoscute, și nu ea însăși, ca soluție.

Halogenurile de carbon - se obțin în principal indirect, deoarece sinteza directă are loc doar la temperaturi foarte ridicate și cu un randament scăzut al produsului. Una dintre cele mai comune - CCL₄ - tetraclorura de carbon. Un compus toxic care poate provoca otrăvire dacă este inhalat. Obținut prin reacții de substituție fotochimică radicală a atomilor de hidrogen în metan.

Carburele metalice sunt compuși de carbon în care prezintă o stare de oxidare de 4. Este posibilă și existența unor asocieri cu borul și siliciul. Principala proprietate a carburilor unor metale (aluminiu, wolfram, titan, niobiu, tantal, hafniu) este rezistența ridicată și o conductivitate electrică excelentă. Carbura de bor В₄С este una dintre cele mai dure substanțe după diamant (9,5 conform lui Mohs). Acești compuși sunt utilizați în inginerie, precum și în industria chimică, ca surse pentru producerea de hidrocarburi (carbura de calciu cu apă duce la formarea de acetilenă și hidroxid de calciu).

Multe aliaje metalice sunt realizate folosind carbon, crescându-le astfel în mod semnificativ calitatea și caracteristicile tehnice (oțelul este un aliaj de fier și carbon).

O atenție deosebită merită numeroși compuși organici ai carbonului, în care este un element fundamental capabil să se combine cu aceiași atomi în lanțuri lungi de diferite structuri. Acestea includ:

• alcani;
• alchene;
• arene;
• proteine;
• carbohidrati;
• acizi nucleici;
• alcool;
• acizi carboxilici și multe alte clase de substanțe.

Utilizarea carbonului

Importanța compușilor de carbon și a modificărilor sale alotropice în viața umană este foarte mare. Puteți numi câteva dintre cele mai globale industrii pentru a clarifica faptul că acest lucru este adevărat.

1. Acest element formează toate tipurile de combustibili fosili din care o persoană primește energie.
2. Industria metalurgică folosește carbonul ca cel mai puternic agent reducător pentru a obține metale din compușii lor. Carbonații sunt, de asemenea, folosiți pe scară largă aici.
3. Construcțiile și industria chimică consumă cantități uriașe de compuși ai carbonului pentru a sintetiza noi substanțe și a obține produsele necesare.

De asemenea, puteți numi astfel de sectoare ale economiei ca:

• industria nucleară;
• bijuterii;
• echipament tehnic (lubrifianți, creuzete rezistente la căldură, creioane etc.);
• determinarea vârstei geologice a rocilor - trasor radioactiv ¹⁴С;
• carbonul este un adsorbant excelent, ceea ce îl face potrivit pentru fabricarea filtrelor.

Circulația în natură

Masa de carbon găsită în natură este inclusă într-un ciclu constant care circulă în fiecare secundă în jurul globului. Astfel, sursa atmosferică de carbon - CO₂, este absorbităplantelor și este eliberat de toate ființele vii în procesul de respirație. Odată ajuns în atmosferă, este absorbit din nou, și astfel ciclul nu se oprește. În același timp, moartea reziduurilor organice duce la eliberarea carbonului și la acumularea acestuia în pământ, de unde este apoi din nou absorbit de organismele vii și eliberat în atmosferă sub formă de gaz.