Karbon er Et karbonatom. Masse av karbon

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 05:37

Et av de mest fantastiske grunnstoffene som kan danne et stort utvalg av forbindelser av organisk og uorganisk natur er karbon. Dette elementet er så uvanlig i egenskapene at til og med Mendeleev spådde en stor fremtid for det, og snakket om funksjoner som ennå ikke er avslørt.

Senere ble det praktisk t alt bekreftet. Det ble kjent at det er det viktigste biogene elementet på planeten vår, som er en del av absolutt alle levende vesener. I tillegg i stand til å eksistere i former som er radik alt forskjellige på alle måter, men som samtidig bare består av karbonatomer.

Generelt har denne strukturen mange funksjoner, og vi vil prøve å håndtere dem i løpet av artikkelen.

Karbon: formel og plassering i elementsystemet

I det periodiske systemet er grunnstoffet karbon plassert i IV-gruppen (ifølge den nye modellen i 14), hovedundergruppen. Serienummeret er 6, og atomvekten er 12 011. Betegnelsen på et element med tegnet C indikerer navnet på latin - karboneum. Det finnes flere forskjellige former for karbon. Formelen er derfor forskjellig og avhenger av den spesifikke modifikasjonen.

Men for å skrive reaksjonsligninger er notasjonen spesifikk,selvfølgelig har. Generelt, når man snakker om et stoff i sin rene form, blir molekylformelen for karbon C tatt i bruk uten indeksering.

Elementfunnhistorikk

Dette elementet i seg selv har vært kjent siden antikken. Tross alt er et av de viktigste mineralene i naturen kull. Derfor var han ingen hemmelighet for de gamle grekerne, romerne og andre nasjonaliteter.

Foruten denne varianten ble det også brukt diamanter og grafitt. Det var mange forvirrende situasjoner med sistnevnte i lang tid, siden ofte, uten analyse av sammensetningen, ble slike forbindelser tatt for grafitt, for eksempel:

• sølvbly;
• jernkarbid;
• molybdensulfid.

De ble alle m alt svarte og ble derfor betraktet som grafitt. Senere ble denne misforståelsen oppklart, og denne formen for karbon ble seg selv.

Siden 1725 har diamanter vært av stor kommersiell betydning, og i 1970 har man mestret teknologien for å skaffe dem kunstig. Siden 1779, takket være arbeidet til Karl Scheele, har de kjemiske egenskapene som karbon viser, blitt studert. Dette var begynnelsen på en rekke viktige funn innen dette elementet og ble grunnlaget for å finne ut alle dets mest unike egenskaper.

Karbonisotoper og distribusjon i naturen

Til tross for at det aktuelle grunnstoffet er et av de viktigste biogene, er dets totale innhold i massen av jordskorpen 0,15 %. Dette skyldes det faktum at det er utsatt for konstant sirkulasjon, en naturlig syklus i naturen.

Generelt er det fleremineralforbindelser som inneholder karbon. Dette er slike naturlige raser som:

• dolomitter og kalksteiner;
• antrasitt;
• oljeskifer;
• naturgass;
• kull;
• olje;
• brunkull;
• peat;
• bitumen.

I tillegg til dette bør vi ikke glemme levende vesener, som bare er et depot av karbonforbindelser. Tross alt dannet de proteiner, fett, karbohydrater, nukleinsyrer, som betyr de mest vitale strukturelle molekylene. Generelt, ved konvertering av tørr kroppsvekt ut av 70 kg, faller 15 på et rent element. Og slik er det med alle mennesker, for ikke å snakke om dyr, planter og andre skapninger.

Hvis vi vurderer sammensetningen av luft og vann, det vil si hydrosfæren som helhet og atmosfæren, så er det en blanding av karbon-oksygen, uttrykt med formelen CO_{2. Dioksid eller karbondioksid er en av hovedgassene som utgjør luften. Det er i denne formen at massefraksjonen av karbon er 0,046%. Enda mer karbondioksid løses opp i vannet i havene.}

Atommassen til karbon som et grunnstoff er 12 011. Det er kjent at denne verdien beregnes som det aritmetiske gjennomsnittet mellom atomvektene til alle isotopiske arter som finnes i naturen, tatt i betraktning deres utbredelse (som prosentandel)). Dette er også tilfellet for det aktuelle stoffet. Det er tre hovedisotoper der karbon finnes. Dette er:

• ¹²С - massefraksjonen i de aller fleste er 98,93 %;
• ¹³C -1,07 %;
• ¹⁴C - radioaktiv, halveringstid 5700 år, stabil beta-emitter.

I praksisen med å bestemme den geokronologiske alderen til prøver, er den radioaktive isotopen ¹⁴С mye brukt, noe som er en indikator på grunn av dens lange nedbrytningsperiode.

Allotropiske modifikasjoner av et element

Karbon er et grunnstoff som eksisterer som et enkelt stoff i flere former. Det vil si at den er i stand til å danne det største antallet allotropiske modifikasjoner som er kjent i dag.

1. Krystallinske variasjoner - eksisterer i form av sterke strukturer med vanlige gitter av atomtype. Denne gruppen inkluderer varianter som:

• diamanter;
• fullerenes;
• grafitter;
• karbiner;
• lonsdaleites;
• karbonfibre og -rør.

Alle er forskjellige i strukturen til krystallgitteret, i nodene som det er et karbonatom til. Derav de helt unike, forskjellige egenskapene, både fysiske og kjemiske.

2. Amorfe former - de er dannet av et karbonatom, som er en del av noen naturlige forbindelser. Det vil si at dette ikke er rene varianter, men med urenheter av andre elementer i små mengder. Denne gruppen inkluderer:

• aktivert karbon;
• stein og tre;
• soot;
• karbon nanoskum;
• antrasitt;
• glassaktig karbon;
• en teknisk type substans.

De er også forent av funksjonerstrukturer av krystallgitteret, som forklarer og manifesterer egenskaper.

3. Forbindelser av karbon i form av klynger. En slik struktur der atomer er lukket i en spesiell konformasjon hul fra innsiden, fylt med vann eller kjernene til andre elementer. Eksempler:

• karbonnanokoner;
• astralens;
• dikarbon.

Fysiske egenskaper til amorft karbon

På grunn av det store utvalget av allotropiske modifikasjoner, er det vanskelig å identifisere noen vanlige fysiske egenskaper for karbon. Det er lettere å snakke om en bestemt form. For eksempel har amorft karbon følgende egenskaper.

1. I hjertet av alle former er finkrystallinske varianter av grafitt.
2. Høy varmekapasitet.
3. Gode ledende egenskaper.
4. Karbontettheten er omtrent 2 g/cm³.
5. Ved oppvarming til over 1600 ⁰C, skjer en overgang til grafittformer.

Sot-, kull- og steinvarianter er mye brukt til industrielle formål. De er ikke en manifestasjon av karbonmodifikasjon i sin rene form, men inneholder det i svært store mengder.

Krystallinsk karbon

Det er flere alternativer der karbon er et stoff som danner vanlige krystaller av ulike typer, der atomer er koblet i serie. Som et resultat dannes følgende modifikasjoner.

1. Diamant. Strukturen er kubisk, der fire tetraedre er koblet sammen. Som et resultat, alle kovalente kjemiske bindinger av hvert atommaksim alt mettet og holdbar. Dette forklarer de fysiske egenskapene: tettheten til karbon er 3300 kg/m³. Høy hardhet, lav varmekapasitet, mangel på elektrisk ledningsevne - alt dette er resultatet av strukturen til krystallgitteret. Det er teknisk oppnådde diamanter. De dannes under overgangen av grafitt til neste modifikasjon under påvirkning av høy temperatur og et visst trykk. Generelt er smeltepunktet til diamant like høyt som styrken - omtrent 3500 ⁰C.
2. Graphite. Atomene er arrangert på samme måte som strukturen til det forrige stoffet, men bare tre bindinger er mettet, og den fjerde blir lengre og mindre sterk, den forbinder "lagene" av de sekskantede ringene i gitteret. Som et resultat viser det seg at grafitt er en myk, fettete svart substans å ta på. Den har god elektrisk ledningsevne og har et høyt smeltepunkt - 3525 ⁰C. I stand til sublimering - sublimering fra fast tilstand til gassform, utenom flytende tilstand (ved en temperatur på 3700 ⁰С). Tettheten av karbon er 2,26 g/cm^3, som er mye lavere enn for diamant. Dette forklarer deres forskjellige egenskaper. På grunn av den lagdelte strukturen til krystallgitteret er det mulig å bruke grafitt til fremstilling av blyantledninger. Når de sveipes over papiret, flasser flakene av og etterlater et svart merke på papiret.
3. Fullerenes. De ble åpnet først på 80-tallet av forrige århundre. De er modifikasjoner der karboner er sammenkoblet i en spesiell konveks lukket struktur, som har i sentrumtomhet. Og formen til en krystall - et polyeder, den riktige organisasjonen. Antall atomer er jevnt. Den mest kjente formen for fulleren er С₆₀. Prøver av et lignende stoff ble funnet under forskning:

• meteoritter;
• bunnsedimenter;
• folgurite;
• shungite;
• ytre rom, der det finnes i form av gasser.

Alle varianter av krystallinsk karbon er av stor praktisk betydning, siden de har en rekke egenskaper som er nyttige i konstruksjon.

Reaktivitet

Molekylært karbon viser lav reaktivitet på grunn av sin stabile konfigurasjon. Det kan tvinges til å gå inn i reaksjoner bare ved å gi ekstra energi til atomet og tvinge elektronene på det ytre nivået til å fordampe. På dette tidspunktet blir valensen 4. I forbindelser har den derfor en oksidasjonstilstand på + 2, + 4, - 4.

Praktisk t alt alle reaksjoner med enkle stoffer, både metaller og ikke-metaller, foregår under påvirkning av høye temperaturer. Det aktuelle grunnstoffet kan være både et oksidasjonsmiddel og et reduksjonsmiddel. De sistnevnte egenskapene er imidlertid spesielt fremtredende i den, og dette er grunnlaget for bruken i metallurgisk og annen industri.

Generelt avhenger evnen til å inngå kjemisk interaksjon av tre faktorer:

• dispersjon av karbon;
• allotropisk modifikasjon;
• reaksjonstemperatur.

Derfor er det i noen tilfeller en interaksjon med følgendestoffer:

• ikke-metaller (hydrogen, oksygen);
• metaller (aluminium, jern, kalsium og andre);
• metalloksider og deres s alter.

Reagerer ikke med syrer og alkalier, svært sjelden med halogener. Den viktigste av egenskapene til karbon er evnen til å danne lange kjeder med hverandre. De kan lukkes i en syklus, danne grener. Dette er hvordan dannelsen av organiske forbindelser, som i dag teller i millioner. Grunnlaget for disse forbindelsene er to elementer - karbon, hydrogen. Andre atomer kan også inkluderes: oksygen, nitrogen, svovel, halogener, fosfor, metaller og andre.

Hovedforbindelser og deres egenskaper

Det er mange forskjellige forbindelser som inneholder karbon. Formelen til den mest kjente av dem er CO₂ - karbondioksid. Men i tillegg til dette oksidet finnes det også CO - monoksid eller karbonmonoksid, samt suboksid C₃O₂.

Blant s altene som inneholder dette grunnstoffet, er de vanligste kalsium- og magnesiumkarbonater. Så kalsiumkarbonat har flere synonymer i navnet, siden det forekommer i naturen i formen:

• kritt;
• marble;
• kalkstein;
• dolomit.

Betydningen av jordalkalimetallkarbonater kommer til uttrykk i det faktum at de er aktive deltakere i dannelsen av stalaktitter og stalagmitter, samt grunnvann.

Karbonsyre er en annen forbindelse som danner karbon. Formelen erH₂CO₃. Men i sin vanlige form er den ekstremt ustabil og brytes umiddelbart ned til karbondioksid og vann i løsning. Derfor er bare s altene kjent, og ikke seg selv, som en løsning.

Karbonhalogenider - oppnås hovedsakelig indirekte, siden direkte syntese kun skjer ved svært høye temperaturer og med lavt utbytte av produktet. En av de vanligste - CCL₄ - karbontetraklorid. En giftig forbindelse som kan forårsake forgiftning ved innånding. Oppnådd ved reaksjoner med radikal fotokjemisk substitusjon av hydrogenatomer i metan.

Metallkarbider er karbonforbindelser der det har en oksidasjonstilstand på 4. Eksistensen av assosiasjoner til bor og silisium er også mulig. Hovedegenskapen til karbider av noen metaller (aluminium, wolfram, titan, niob, tantal, hafnium) er høy styrke og utmerket elektrisk ledningsevne. Borkarbid В₄С er et av de hardeste stoffene etter diamant (9,5 ifølge Mohs). Disse forbindelsene brukes i ingeniørfag, så vel som i kjemisk industri, som kilder for produksjon av hydrokarboner (kalsiumkarbid med vann fører til dannelse av acetylen og kalsiumhydroksid).

Mange metallegeringer er laget av karbon, og øker dermed kvaliteten og de tekniske egenskapene deres betydelig (stål er en legering av jern og karbon).

Spesiell oppmerksomhet fortjener mange organiske forbindelser av karbon, der det er et grunnleggende element som er i stand til å kombinere med de samme atomene til lange kjeder med forskjellige strukturer. Disse inkluderer:

• alkaner;
• alkenes;
• arenas;
• proteins;
• karbohydrater;
• nukleinsyrer;
• alcohols;
• karboksylsyrer og mange andre klasser av stoffer.

Bruk av karbon

Betydningen av karbonforbindelser og dens allotrope modifikasjoner i menneskers liv er veldig høy. Du kan nevne noen av de mest globale industriene for å gjøre det klart at dette er sant.

1. Dette elementet danner alle typer fossilt brensel som en person mottar energi fra.
2. Den metallurgiske industrien bruker karbon som det sterkeste reduksjonsmiddelet for å få metaller fra deres forbindelser. Karbonater er også mye brukt her.
3. Bygg og kjemisk industri bruker enorme mengder karbonforbindelser for å syntetisere nye stoffer og skaffe de nødvendige produktene.

Du kan også navngi slike sektorer av økonomien som:

• atomindustri;
• smykker;
• teknisk utstyr (smøremidler, varmebestandige digler, blyanter osv.);
• bestemmelse av bergarters geologiske alder - radioaktivt sporstoff ¹⁴С;
• karbon er en utmerket adsorbent, som gjør den egnet for å lage filtre.

Sirkulasjon i naturen

Massen av karbon som finnes i naturen er inkludert i en konstant syklus som sykluser hvert sekund rundt kloden. Dermed blir den atmosfæriske kilden til karbon - CO₂, absorbertplanter og frigjøres av alle levende vesener i respirasjonsprosessen. En gang i atmosfæren absorberes den igjen, og syklusen stopper derfor ikke. Samtidig fører døden av organiske rester til frigjøring av karbon og akkumulering av det i jorden, hvorfra det deretter igjen absorberes av levende organismer og slippes ut i atmosfæren i form av gass.