کربن از چه چیزی تشکیل شده است؟ کربن - خواص شیمیایی و فیزیکی. اسید کربنیک و نمک های آن

کربن (lat. Carboneum) - عنصر شیمیاییگروه چهاردهم دوره دوم سیستم تناوبی مندلیف (گروه چهارم در شماره گذاری قدیمی)؛ عدد اتمی 6، جرم اتمی 12.011.

کربن یک عنصر شیمیایی بسیار ویژه است. از شیمی کربن درخت قدرتمندی از شیمی آلی با پیچیده ترین سنتزها و طیف وسیعی از ترکیبات مورد مطالعه رشد کرده است. شاخه های جدیدی از شیمی آلی در حال ظهور هستند. تمام موجودات زنده ای که زیست کره را تشکیل می دهند از ترکیبات کربن ساخته شده اند. و درختانی که مدت ها پیش مرده بودند، میلیون ها سال پیش، به سوختی حاوی کربن تبدیل شدند - زغال سنگ، ذغال سنگ نارس و غیره. بیایید معمولی ترین مداد را در نظر بگیریم - شیئی که برای همه آشناست. آیا این شگفت انگیز نیست که میله گرافیتی فروتن به الماس درخشان، سخت ترین ماده موجود در طبیعت مرتبط است؟ الماس، گرافیت، کاربین تغییرات آلوتروپیک کربن هستند (به آلوتروپی مراجعه کنید). ساختار گرافیت (1)، الماس (2)، کارابین (3).

تاریخچه آشنایی بشر با این ماده به قرن ها قبل برمی گردد. نام فردی که کربن را کشف کرد ناشناخته است و مشخص نیست که ابتدا کدام شکل کربن خالص - گرافیت یا الماس - کشف شده است. فقط در پایان قرن 18. مشخص شد که کربن یک عنصر شیمیایی مستقل است.

محتوای کربن در پوسته زمین 0.023 درصد جرمی است. کربن جزء اصلی دنیای گیاهی و جانوری است. تمام سوخت‌های فسیلی - نفت، گاز، ذغال سنگ نارس، شیل - بر اساس کربن ساخته شده‌اند و زغال‌سنگ به‌ویژه از نظر کربن غنی است. بیشتر کربن در مواد معدنی متمرکز شده است - سنگ آهک CaCO 3 و دولومیت CaMg(CO 3) 2 که نمک های فلزات قلیایی خاکی و اسید کربنیک ضعیف H 2 CO 3 هستند.

در میان عناصر حیاتی، کربن یکی از مهمترین آنها است: زندگی در سیاره ما بر اساس کربن ساخته شده است. چرا؟ پاسخ این سوال را در «مبانی شیمی» اثر دی.آی اشکال مختلفآه و انواع ... قابلیت اتصال اتم های کربن به یکدیگر و دادن ذرات پیچیدهخود را در تمام ترکیبات کربن نشان می دهد... در هیچ یک از عناصر... ظرفیت پیچیدگی به اندازه کربن توسعه نیافته است... هیچ جفت عنصری به اندازه کربن و هیدروژن ترکیب نمی دهد.

در واقع، اتم‌های کربن می‌توانند به روش‌های مختلفی با یکدیگر و با اتم‌های بسیاری از عناصر دیگر ترکیب شوند و تنوع عظیمی از مواد را تشکیل دهند. آنها پیوندهای شیمیاییمی تواند تحت تأثیر شکل گرفته و از بین برود عوامل طبیعی. به این ترتیب چرخه کربن در طبیعت به وجود می آید: از جو - به گیاهان، از گیاهان - به موجودات حیوانی، از آنها - به طبیعت بی جانو غیره. در جایی که کربن وجود دارد، مواد گوناگونی وجود دارد، جایی که کربن وجود دارد، متنوع ترین ساختارها در معماری مولکولی وجود دارد (به هیدروکربن ها مراجعه کنید).

تجمع کربن در پوسته زمین با تجمع بسیاری از عناصر دیگر که به شکل کربنات های نامحلول و غیره رسوب می کنند همراه است. CO 2 و اسید کربنیک نقش ژئوشیمیایی مهمی در پوسته زمین دارند. مقادیر زیادی CO 2 در طول آتشفشان آزاد می شود - در تاریخ زمین منبع اصلی کربن برای بیوسفر بود.

ترکیبات کربن غیر آلی از نظر کمیت بسیار کمتر از ترکیبات آلی هستند. کربن به شکل الماس، گرافیت و زغال سنگ تنها زمانی که گرم می شود ترکیب می شود. در دمای بالابا فلزات و برخی نافلزات مانند بور ترکیب می شود و کاربید می سازد.

از ترکیبات کربن معدنی، معروف ترین نمک های اسید کربنیک، دی اکسید کربن CO 2 ( دی اکسید کربن) و مونوکسید کربن CO. اکسید سوم C 3 O 2 بسیار کمتر شناخته شده است - گاز بی رنگبا بوی تند ناخوشایند.

جو زمین حاوی 2.3 10 12 تن دی اکسید CO 2 است که محصول تنفس و احتراق است. این منبع اصلی کربن برای رشد گیاهان است. مونوکسید کربن CO، معروف به مونوکسید کربن، در هنگام احتراق ناقص سوخت تشکیل می شود: در گازهای خروجی اگزوز خودرو و غیره.

در صنعت، مونوکسید کربن CO به عنوان یک عامل کاهنده (به عنوان مثال، هنگام ذوب آهن در کوره بلند) و برای سنتز استفاده می شود. مواد آلی(به عنوان مثال، متیل الکل با توجه به واکنش: CO + 2H 2 → CH 3 (OH).

معروف ترین تغییرات آلوتروپیک کربن عنصری: الماس - پلیمر معدنیساختار فضایی، حجمی؛ گرافیت- پلیمر ساختار مسطح؛ کارابین- یک پلیمر خطی کربن که به دو شکل وجود دارد که در ماهیت و تناوب پیوندهای شیمیایی متفاوت است. اصلاح دو بعدی گرافن; نانولوله های کربنی ساختار استوانه ای (به آلوتروپی مراجعه کنید).

الماس- شکل کریستالی کربن، کانی کمیاب، از نظر سختی برتر از تمام مواد طبیعی و مصنوعی، به جز نیترید بور کریستالی. کریستال های الماس بزرگ پس از برش به گرانبهاترین سنگ ها - الماس تبدیل می شوند.

در پایان قرن هفدهم. دانشمندان فلورانسی Averani و Tardgioni سعی کردند چندین الماس کوچک را در یک الماس بزرگ ترکیب کنند و با استفاده از شیشه سوزان آنها را با پرتوهای خورشید گرم کردند. الماس ها ناپدید شدند و در هوا می سوختند... حدود صد سال گذشت تا اینکه شیمیدان فرانسوی A. Lavoisier در سال 1772 نه تنها این آزمایش را تکرار کرد، بلکه دلایل ناپدید شدن الماس را نیز توضیح داد: کریستالی از یک الماس گرانبها سوخت. مانند قطعات سوخته شده در آزمایشات دیگر فسفر و زغال سنگ. و تنها در سال 1797، دانشمند انگلیسی S. Tennant هویت ماهیت الماس و زغال سنگ را ثابت کرد. او دریافت که حجم دی اکسید کربن پس از احتراق جرم های مساوی زغال سنگ و الماس یکسان است. پس از آن بارها برای بدست آوردن الماس تلاش کردند به صورت مصنوعیاز گرافیت، زغال سنگ و مواد حاوی کربن در دما و فشار بالا. گاهی اوقات پس از این آزمایش ها کریستال های کوچکی شبیه الماس پیدا می شد، اما آزمایش های موفقیت آمیز هرگز امکان پذیر نبود.

سنتز الماس پس از آن امکان پذیر شد که فیزیکدان شوروی O.I در سال 1939 شرایطی را محاسبه کرد که تحت آن گرافیت می تواند به الماس تبدیل شود (فشار حدود 60000 اتمسفر، دمای 1600-2000 درجه سانتیگراد). در دهه 50. قرن، تقریبا به طور همزمان در چندین کشور، از جمله اتحاد جماهیر شوروی، الماس مصنوعی در شرایط صنعتی تولید شد. امروزه روزانه 2000 قیراط الماس مصنوعی از یک تاسیسات صنعتی داخلی (1 قیراط = 0.2 گرم) تولید می شود. قطعات الماسی دکل های حفاری، ابزارهای برش الماس، چرخ های سنگ زنی با تراشه های الماس به طور قابل اعتماد و برای مدت طولانی کار می کنند. الماس های مصنوعی مانند کریستال های طبیعی به طور گسترده ای در فناوری مدرن استفاده می شوند.

یکی دیگه کاملا پلیمر کربن - گرافیت. در یک کریستال گرافیت، اتم‌های کربن که در یک صفحه قرار دارند، محکم به شش ضلعی‌های منظم متصل هستند. شش ضلعی ها با وجه های مشترک صفحات بسته را تشکیل می دهند. پیوندهای بین اتم های کربن پشته های مختلف ضعیف است. علاوه بر این، فاصله بین اتم های کربن صفحات مختلف تقریبا 2.5 برابر بیشتر از بین اتم های همسایه همان صفحه است. بنابراین، یک نیروی جزئی برای تقسیم کریستال گرافیت به تک تک تکه‌ها کافی است. به همین دلیل است که سرب گرافیتی یک مداد اثری بر روی کاغذ می گذارد. از بین بردن پیوند بین اتم های کربنی که در یک صفحه قرار دارند، به طور غیر قابل مقایسه دشوارتر است. استحکام این پیوندها دلیل مقاومت شیمیایی بالای گرافیت است. حتی قلیایی ها و اسیدهای داغ، به استثنای غلیظ اسید نیتریک.

علاوه بر مقاومت شیمیایی بالا، گرافیت با مقاومت حرارتی بالا نیز مشخص می شود: محصولات ساخته شده از آن را می توان در دمای تا 3700 درجه سانتیگراد استفاده کرد. توانایی انجام جریان الکتریکیبسیاری از زمینه های کاربرد گرافیت را شناسایی کرد. در مهندسی برق، متالورژی، تولید باروت و فناوری هسته ای مورد نیاز است. گرافیت با بالاترین خلوص در ساخت راکتور به عنوان تعدیل کننده نوترون موثر استفاده می شود.

پلیمر کربن خطی - کارابینتا کنون در عمل به میزان محدودی استفاده شده است. در مولکول کاربین، اتم های کربن به طور متناوب با پیوندهای سه گانه و منفرد به صورت زنجیره ای به هم متصل می شوند:

−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−

این ماده برای اولین بار توسط شیمیدانان شوروی V.V.Kasatochkin و Yu.P. در موسسه ترکیبات ارگانو عنصری آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی. کاربین دارای خواص نیمه رسانایی است و رسانایی آن هنگام قرار گرفتن در معرض نور بسیار افزایش می یابد. اولی بر اساس این خاصیت است کاربرد عملی- در فتوسل

در مولکول شکل دیگری از کاربین - پلی کومولن (β-کاربین) که برای اولین بار در کشور ما به دست آمد، اتم های کربن به طور متفاوتی نسبت به کاربین - فقط با پیوندهای دوگانه به هم متصل می شوند:

═C═C═C═C═C═C═C═C═C═

شماره برای علم شناخته شده استترکیبات آلی - ترکیبات کربن - بیش از 7 میلیون شیمی پلیمرها - طبیعی و مصنوعی - نیز در درجه اول شیمی ترکیبات کربن است. ترکیبات کربن آلی توسط علوم مستقلی مانند شیمی آلی، بیوشیمی و شیمی ترکیبات طبیعی مورد مطالعه قرار می گیرند.

اهمیت ترکیبات کربن در زندگی انسان بسیار ارزشمند است - کربن ثابت ما را در همه جا احاطه کرده است: در جو و لیتوسفر، در گیاهان و حیوانات، در لباس ها و غذای ما.

کربن (C)- غیر فلزی معمولی؛ V جدول تناوبیدر گروه 4 دوره دوم است، زیر گروه اصلی. شماره سریال 6 Ar = 12.011 amu شارژ هسته ای +6.

خواص فیزیکی:کربن بسیاری از تغییرات آلوتروپیک را تشکیل می دهد: الماس- یکی از بیشترین جامدات, گرافیت، زغال سنگ، دوده.

یک اتم کربن دارای 6 الکترون است: 1s 2 2s 2 2p 2 . دو الکترون آخر در اوربیتال های p جداگانه قرار دارند و جفت نشده اند. در اصل، این جفت می تواند همان اوربیتال را اشغال کند، اما در این حالت دافعه بین الکترون به شدت افزایش می یابد. به همین دلیل یکی از آنها 2p x و دیگری 2p y می گیرد , یا اوربیتال های 2p z.

تفاوت انرژی زیرسطحهای s و p لایه بیرونی کم است، بنابراین اتم به راحتی وارد حالت برانگیخته می شود، که در آن یکی از دو الکترون از مدار 2s به یک آزاد منتقل می شود. 2 مالش.یک حالت ظرفیت با پیکربندی 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 ظاهر می شود . این حالت اتم کربن است که مشخصه شبکه الماس است - آرایش فضایی چهار وجهی اوربیتال های هیبریدی، همان طولو انرژی پیوند.

این پدیده به نام شناخته شده است sp 3 -هیبریداسیون،و توابع در حال ظهور sp 3 -hybrid هستند . تشکیل چهار پیوند sp 3 وضعیت پایدارتری نسبت به سه اتم کربن را فراهم می کند r-r-و یک اتصال s-s. علاوه بر هیبریداسیون sp 3، هیبریداسیون sp 2 و sp نیز در اتم کربن مشاهده می شود. . در حالت اول، همپوشانی متقابل رخ می دهد s-و دو اوربیتال p. سه اوربیتال هیبریدی معادل sp 2 تشکیل می شوند که در یک صفحه با زاویه 120 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند. مدار سوم p بدون تغییر است و عمود بر صفحه است sp2.

در طول هیبریداسیون sp، اوربیتال های s و p با هم همپوشانی دارند. زاویه 180 درجه بین دو اوربیتال هیبریدی معادل ایجاد می شود، در حالی که دو اوربیتال p هر اتم بدون تغییر باقی می مانند.

آلوتروپی کربن الماس و گرافیت

در یک کریستال گرافیت، اتم های کربن در صفحات موازی قرار دارند و رئوس شش ضلعی های منظم را اشغال می کنند. هر اتم کربن به سه پیوند هیبریدی sp 2 همسایه متصل است. بین صفحات موازیارتباط به دلیل نیروهای واندروالس انجام می شود. اوربیتالهای آزاد p هر اتم عمود بر صفحات پیوندهای کووالانسی هدایت می شوند. همپوشانی آنها پیوند π اضافی بین اتم های کربن را توضیح می دهد. بنابراین، از حالت ظرفیتی که اتم های کربن در یک ماده در آن قرار دارند، ویژگی های این ماده را تعیین می کند.

خواص شیمیایی کربن

مشخص ترین حالت های اکسیداسیون عبارتند از: +4، +2.

در دمای پایینکربن بی اثر است، اما زمانی که گرم می شود فعالیت آن افزایش می یابد.

کربن به عنوان یک عامل کاهنده:

- با اکسیژن
C 0 + O 2 – t ° = دی اکسید کربن CO 2
با کمبود اکسیژن - احتراق ناقص:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O مونوکسید کربن

- با فلوئور
C + 2F 2 = CF 4

- با بخار آب
C 0 + H 2 O – 1200° = C + 2 O + H 2 گاز آب

- با اکسیدهای فلزی به این ترتیب فلز از سنگ معدن ذوب می شود.
C 0 + 2CuO - t° = 2Cu + C +4 O 2

- با اسیدها - عوامل اکسید کننده:
C 0 + 2H 2 SO 4 (conc.) = C + 4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (conc.) = C + 4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- دی سولفید کربن را با گوگرد تشکیل می دهد:
C + 2S 2 = CS 2.

کربن به عنوان یک عامل اکسید کننده:

- با برخی فلزات کاربید تشکیل می دهد

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- با هیدروژن - متان (و همچنین تعداد زیادی از ترکیبات آلی)

C0 + 2H2 = CH4

- با سیلیکون، کربوراندوم را تشکیل می دهد (در دمای 2000 درجه سانتیگراد در یک کوره الکتریکی):

یافتن کربن در طبیعت

کربن آزاد به شکل الماس و گرافیت وجود دارد. کربن به شکل ترکیبات در مواد معدنی یافت می شود: گچ، مرمر، سنگ آهک - CaCO 3، دولومیت - MgCO 3 * CaCO 3. هیدروکربنات ها - Mg(HCO 3) 2 و Ca(HCO 3) 2، CO 2 بخشی از هوا است. کربن جزء اصلی ترکیبات آلی طبیعی - گاز، نفت، زغال سنگ، ذغال سنگ نارس، و بخشی از مواد آلی، پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات ها، اسیدهای آمینه است که موجودات زنده را تشکیل می دهند.

ترکیبات کربن غیر آلی

نه یون های C4+ و نه C4-- تحت هیچ شرایط عادی فرآیندهای شیمیاییتشکیل نشده است: ترکیبات کربنی حاوی پیوندهای کووالانسیقطبیت متفاوت

مونوکسید کربن CO

مونوکسید کربن؛ بی رنگ، بی بو، کمی محلول در آب، محلول در حلال های آلی، سمی، نقطه جوش = -192 درجه سانتی گراد. t pl. = -205 درجه سانتیگراد.

رسید
1) در صنعت (در مولدهای گاز):
C + O 2 = CO 2

2) در آزمایشگاه - تجزیه حرارتیاسید فرمیک یا اگزالیک در حضور H 2 SO 4 (conc.):
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O

خواص شیمیایی

در شرایط عادی، CO بی اثر است. هنگام گرم شدن - یک عامل کاهنده؛ اکسید غیر نمک ساز

1) با اکسیژن

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) با اکسیدهای فلزی

C + 2 O + CuO = Cu + C + 4 O 2

3) با کلر (در نور)

CO + Cl 2 - hn = COCl 2 (فسژن)

4) با مذاب های قلیایی (تحت فشار) واکنش می دهد.

CO + NaOH = HCOONa (فرمات سدیم)

5) با فلزات واسطه کربونیل تشکیل می دهد

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

مونوکسید کربن (IV) CO2

دی اکسید کربن، بی رنگ، بی بو، حلالیت در آب - 0.9 ولت CO 2 در 1 ولت H 2 O (در شرایط عادی) حل می شود. سنگین تر از هوا؛ t°pl = -78.5 درجه سانتیگراد (CO 2 جامد "یخ خشک" نامیده می شود). از احتراق پشتیبانی نمی کند.

رسید

1. تجزیه حرارتی نمک های اسید کربنیک (کربنات ها). پخت سنگ آهک:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

1. اقدام اسیدهای قویبرای کربنات ها و بی کربنات ها:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2

شیمیاییخواصCO2
اکسید اسید: با اکسیدهای بازی و باز واکنش می دهد و نمک های اسید کربنیک را تشکیل می دهد

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

در دماهای بالا ممکن است خواص اکسید کننده از خود نشان دهد

C + 4 O 2 + 2 Mg – t ° = 2 Mg + 2 O + C 0

واکنش کیفی

ابری بودن آب آهک:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (رسوب سفید) + H 2 O

هنگامی که CO 2 برای مدت طولانی از آب آهک عبور می کند ناپدید می شود، زیرا کربنات کلسیم نامحلول به بی کربنات محلول تبدیل می شود:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2

اسید کربنیک و آننمک

H 2CO 3 -یک اسید ضعیف، فقط در محلول آبی وجود دارد:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

دی بیسیک:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — نمک های اسیدی- بی کربنات ها، هیدروکربنات ها
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- نمکهای متوسط ​​- کربناتها

تمام خواص اسیدها مشخص است.

کربنات ها و بی کربنات ها می توانند به یکدیگر تبدیل شوند:

2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2 NaHCO 3

کربنات های فلزی (به استثنای فلزات قلیایی) هنگامی که حرارت داده می شوند، دکربوکسیله می شوند و اکسید می شوند:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2

واکنش کیفی- "جوش" تحت تأثیر یک اسید قوی:

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

کاربیدها

کاربید کلسیم:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2.

هنگامی که کاربیدهای روی، کادمیوم، لانتانیم و سریم با آب واکنش می دهند، استیلن آزاد می شود:

2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

2 C باشد و Al 4 C 3 با آب تجزیه می شود و متان تشکیل می شود:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4.

در فناوری، از کاربیدهای تیتانیوم TiC، تنگستن W 2 C (آلیاژهای سخت)، سیلیکون SiC (کاربوراندوم - به عنوان ساینده و مواد برای بخاری) استفاده می شود.

سیانور

از گرم کردن سودا در جوی حاوی آمونیاک و مونوکسید کربن به دست می آید:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

هیدروسیانیک اسید HCN یک محصول مهم در صنایع شیمیایی است که به طور گسترده در آن استفاده می شود سنتز آلی. تولید جهانی آن به 200 هزار تن در سال می رسد. ساختار الکترونیکیآنیون سیانید شبیه مونوکسید کربن (II) است، چنین ذرات ایزوالکترونیک نامیده می شوند:

سی = O: [:C = ن:] –

سیانید (0.1-0.2٪ محلول آبی) مورد استفاده در معدن طلا:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0.5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

هنگام جوشاندن محلول های سیانید با گوگرد یا ذوب جامد، تیوسیانات ها:
KCN + S = KSCN.

هنگامی که سیانیدهای فلزات کم فعال گرم می شوند، سیانید به دست می آید: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. محلول های سیانید اکسید می شوند سیانات ها:

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

اسید سیانیک به دو شکل وجود دارد:

H-N=C=O; H-O-C = ن:

در سال 1828، فردریش ویلر (1800-1882) اوره را از سیانات آمونیوم به دست آورد: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 با تبخیر یک محلول آبی.

این رویداد معمولاً به عنوان پیروزی شیمی مصنوعی بر "نظریه حیات گرایی" در نظر گرفته می شود.

یک ایزومر اسید سیانیک وجود دارد - اسید انفجاری

H-O-N=C.
نمک های آن (فولمینات جیوه Hg(ONC) 2) در جرقه زن ضربه ای استفاده می شود.

سنتز اوره(اوره):

CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. در 130 0 C و 100 atm.

اوره یک آمید کربنیک اسید است.

کربنات ها

مهمترین ترکیبات معدنیکربن - نمک های اسید کربنیک (کربنات ها). H 2 CO 3 یک اسید ضعیف است (K 1 = 1.3 10 -4 ؛ K 2 = 5 10 - 11 ). پشتیبانی از بافر کربنات تعادل دی اکسید کربندر جو اقیانوس‌های جهان ظرفیت حائل عظیمی دارند زیرا چنین هستند سیستم باز. واکنش بافر اصلی تعادل در حین تفکیک اسید کربنیک است:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - .

هنگامی که اسیدیته کاهش می یابد، جذب اضافی دی اکسید کربن از جو با تشکیل اسید اتفاق می افتد:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .

با افزایش اسیدیته، سنگ های کربناته (پوسته، گچ و رسوبات سنگ آهک در اقیانوس) حل می شوند. این اتلاف یون های هیدروکربنات را جبران می کند:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (جامد) ↔ Ca 2 + + CO 3 2-

کربنات های جامد به بی کربنات های محلول تبدیل می شوند. این فرآیند انحلال شیمیایی دی اکسید کربن اضافی است که با " اثر گلخانه ای» – گرم شدن کره زمینبه دلیل جذب تابش حرارتی از زمین توسط دی اکسید کربن. حدود یک سوم تولید سودا در جهان (کربنات سدیم Na 2 CO 3) در تولید شیشه استفاده می شود.

ساختار الماس (الف)و گرافیت (ب)

کربن(لاتین کربن) - C، عنصر شیمیایی گروه IV از سیستم تناوبی مندلیف، عدد اتمی 6، جرم اتمی 12.011. در طبیعت به صورت بلورهای الماس، گرافیت یا فولرن و اشکال دیگر یافت می شود و جزء ارگانیک (زغال سنگ، روغن، موجودات جانوری و گیاهی و غیره) است. مواد معدنی(سنگ آهک، جوش شیرین و غیره). کربن گسترده است، اما محتوای آن در پوسته زمین تنها 0.19٪ است.

کربن به طور گسترده ای به شکل مواد ساده استفاده می شود. علاوه بر الماس های گرانبها که موضوع جواهرات است، ارزش عالیدارای الماس صنعتی - برای ساخت ابزارهای سنگ زنی و برش. زغال سنگ و سایر اشکال آمورف کربن برای رنگ زدایی، تصفیه، جذب گاز و در مناطقی از فناوری که جاذب هایی با سطح توسعه یافته مورد نیاز است استفاده می شود. کاربیدها، ترکیبات کربن با فلزات، و همچنین با بور و سیلیکون (به عنوان مثال، Al 4 C 3، SiC، B 4 C) با سختی بالا مشخص می شوند و برای ساخت ابزارهای ساینده و برش استفاده می شوند. کربن بخشی از فولادها و آلیاژها در حالت عنصری و به صورت کاربید است. اشباع سطح ریخته گری فولاد با کربن در دماهای بالا (کربوریزه شدن) به طور قابل توجهی سختی سطح و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد.

پیشینه تاریخی

گرافیت، الماس و کربن آمورف از دوران باستان شناخته شده بودند. مدتهاست که شناخته شده است که گرافیت می تواند برای علامت گذاری مواد دیگر استفاده شود و خود نام "گرافیت" که از کلمه یونانی به معنای "نوشتن" گرفته شده است توسط A. Werner در سال 1789 پیشنهاد شد. با این حال، تاریخچه گرافیت موادی با خواص فیزیکی مشابه اغلب با آن اشتباه گرفته می شدند، مانند مولیبدنیت (سولفید مولیبدن) که در یک زمان گرافیت در نظر گرفته می شد. نام‌های دیگر گرافیت عبارتند از "سرب سیاه"، "آهن کاربید" و "سرب نقره".

در سال 1779، K. Scheele ثابت کرد که گرافیت را می توان با هوا اکسید کرد و دی اکسید کربن را تشکیل داد. الماس برای اولین بار در هند و در برزیل مورد استفاده قرار گرفت سنگهای قیمتیاهمیت تجاری در سال 1725 به دست آورد. سپرده ها در آفریقای جنوبیدر سال 1867 افتتاح شد.

در قرن بیستم تولیدکنندگان اصلی الماس آفریقای جنوبی، زئیر، بوتسوانا، نامیبیا، آنگولا، سیرالئون، تانزانیا و روسیه هستند. الماس های ساخت بشر که فناوری آن در سال 1970 ایجاد شد، برای مقاصد صنعتی تولید می شود.

خواص

چهار تغییر کریستالی شناخته شده کربن وجود دارد:

• گرافیت،
• الماس،
• کارابین،
• lonsdaleite

گرافیت- خاکستری مایل به سیاه، مات، چرب در لمس، پوسته پوسته، توده بسیار نرم با براق فلزی. در دمای اتاق و فشار معمولی (0.1 Mn/m2 یا 1 kgf/cm2)، گرافیت از نظر ترمودینامیکی پایدار است.

الماس- یک ماده بسیار سخت و کریستالی. کریستال ها دارای یک شبکه مکعبی در مرکز هستند. در دمای اتاق و فشار معمولی، الماس ناپایدار است. تبدیل محسوس الماس به گرافیت در دمای بالاتر از 1400 درجه سانتیگراد در خلاء یا در اتمسفر بی اثر مشاهده می شود. در فشار اتمسفر و دمای حدود 3700 درجه سانتیگراد، گرافیت تعالی می یابد.

کربن مایع را می توان در فشارهای بالای 10.5 Mn/m2 (105 kgf/cm2) و دمای بالای 3700 درجه سانتی گراد به دست آورد. کربن جامد (کک، دوده، زغال چوب) نیز با حالتی با ساختار نامنظم مشخص می شود - کربن به اصطلاح "بی شکل"، که اصلاح مستقلی را نشان نمی دهد. ساختار آن بر اساس ساختار گرافیت ریز کریستالی است. گرم کردن برخی از انواع کربن "بی شکل" در دمای بالای 1500-1600 درجه سانتیگراد بدون دسترسی به هوا باعث تبدیل آنها به گرافیت می شود.

خواص فیزیکی کربن "آمورف" بسیار به پراکندگی ذرات و وجود ناخالصی ها بستگی دارد. چگالی، ظرفیت گرمایی، هدایت حرارتی و هدایت الکتریکی کربن "آمورف" همیشه بالاتر از گرافیت است.

کاربینمصنوعی به دست آمده است. این یک پودر سیاه کریستالی ریز است (چگالی 1.9-2 گرم در سانتی متر مکعب). ساخته شده از زنجیره های بلند اتم با، به موازات یکدیگر قرار گرفته اند.

لونسدالیتدر شهاب سنگ ها یافت شده و به طور مصنوعی به دست آمده است. ساختار و خواص آن به طور قطعی مشخص نشده است.

خواص کربن
عدد اتمی		6
جرم اتمی		12,011
ایزوتوپ ها:	پایدار	12, 13
	ناپایدار	8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
نقطه ذوب		3550 درجه سانتی گراد
نقطه جوش		4200 درجه سانتی گراد
تراکم		1.9-2.3 g/cm 3 (گرافیت) 3.5-3.53 گرم بر سانتی متر 3 (الماس)
سختی (Mohs)		1-2
محتوای پوسته زمین (جرم.)		0,19%
حالت های اکسیداسیون		-4; +2; +4

آلیاژها

فولاد

کک در متالورژی به عنوان یک عامل کاهنده استفاده می شود. زغال چوب - در فورج ها، برای تولید باروت (75% KNO 3 + 13% C + 12% S)، برای جذب گازها (جذب)، و همچنین در زندگی روزمره. کربن سیاه به عنوان پرکننده لاستیکی، برای تولید رنگ های سیاه - جوهر و جوهر چاپ و همچنین در خشک استفاده می شود. سلول های گالوانیکی. کربن شیشه ای برای ساخت تجهیزات برای محیط های بسیار تهاجمی و همچنین در هوانوردی و فضانوردی استفاده می شود.

کربن فعال مواد مضر را از گازها و مایعات جذب می کند: برای پر کردن ماسک های گاز، سیستم های تصفیه و در پزشکی برای مسمومیت استفاده می شود.

کربن اساس همه مواد آلی است. هر موجود زنده ای عمدتاً از کربن تشکیل شده است. کربن اساس زندگی است. منبع کربن موجودات زنده معمولاً CO 2 از جو یا آب است. در نتیجه فتوسنتز وارد بیولوژیک می شود زنجیره های غذایی، که در آن موجودات زنده یکدیگر یا بقایای یکدیگر را می خورند و از این طریق کربن را برای ساختن بدن خود بدست می آورند. چرخه بیولوژیکی کربن یا با اکسید شدن و بازگشت به اتمسفر یا با دفن شدن به شکل زغال سنگ یا نفت به پایان می رسد.

استفاده از ایزوتوپ رادیواکتیو 14 C به موفقیت کمک کرد زیست شناسی مولکولیدر مطالعه مکانیسم های بیوسنتز و انتقال پروتئین اطلاعات ارثی. تعریف فعالیت خاص 14 درجه سانتیگراد در بقایای آلی حاوی کربن به ما امکان می دهد سن آنها را که در دیرینه شناسی و باستان شناسی استفاده می شود، قضاوت کنیم.

منابع

عناصر و مواد شیمیایی
عناصر شیمیایی	نیتروژن. آرگون. هیدروژن. هلیوم آهن . کلسیم. اکسیژن. سیلیکون منیزیم. منگنز.

محتویات مقاله

کربن، C (کربنئوم)، یک عنصر شیمیایی غیرفلزی از گروه IVA (C، Si، Ge، Sn، Pb) جدول تناوبی عناصر. در طبیعت به صورت بلورهای الماس (شکل 1)، گرافیت یا فولرن و اشکال دیگر یافت می شود و بخشی از مواد آلی (زغال سنگ، روغن، موجودات جانوری و گیاهی و غیره) و غیر آلی (سنگ آهک، جوش شیرین، ... و غیره).

کربن گسترده است، اما محتوای آن در پوسته زمین تنها 0.19٪ است.

کربن به طور گسترده ای به شکل مواد ساده استفاده می شود. علاوه بر الماس های گرانبها که موضوع جواهرسازی است، الماس های صنعتی برای ساخت ابزارآلات سنگ زنی و برش اهمیت زیادی دارند.

زغال سنگ و سایر اشکال آمورف کربن برای رنگ زدایی، تصفیه، جذب گاز و در مناطقی از فناوری که جاذب هایی با سطح توسعه یافته مورد نیاز است استفاده می شود. کاربیدها، ترکیبات کربن با فلزات، و همچنین با بور و سیلیکون (به عنوان مثال، Al 4 C 3، SiC، B 4 C) با سختی بالا مشخص می شوند و برای ساخت ابزارهای ساینده و برش استفاده می شوند. کربن بخشی از فولادها و آلیاژها در حالت عنصری و به صورت کاربید است. اشباع شدن سطح ریخته گری فولاد با کربن در دماهای بالا (سیمان کاری) به طور قابل توجهی سختی سطح و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد. همچنین ببینیدآلیاژها.

اشکال مختلفی از گرافیت در طبیعت وجود دارد. برخی به صورت مصنوعی به دست می آیند. اشکال آمورف (به عنوان مثال، کک و زغال چوب) وجود دارد. دوده، زغال استخوان، سیاه لامپ و سیاه استیلن در اثر سوختن هیدروکربن ها در غیاب اکسیژن تشکیل می شوند. به اصطلاح کربن سفیدبه دست آمده از تصعید گرافیت پیرولیتیک تحت فشار کاهش یافته - اینها بلورهای شفاف ریز برگ های گرافیت با لبه های نوک تیز هستند.

اطلاعات تاریخی

گرافیت، الماس و کربن آمورف از دوران باستان شناخته شده بودند. مدتهاست که شناخته شده است که گرافیت می تواند برای علامت گذاری مواد دیگر استفاده شود و خود نام "گرافیت" که از کلمه یونانی به معنای "نوشتن" گرفته شده است توسط A. Werner در سال 1789 پیشنهاد شد. با این حال، تاریخچه گرافیت موادی با خواص فیزیکی مشابه اغلب با آن اشتباه گرفته می شدند، مانند مولیبدنیت (سولفید مولیبدن) که در یک زمان گرافیت در نظر گرفته می شد. نام‌های دیگر گرافیت عبارتند از "سرب سیاه"، "کاربید آهن" و "سرب نقره". در سال 1779، K. Scheele ثابت کرد که گرافیت را می توان با هوا اکسید کرد و دی اکسید کربن را تشکیل داد.

الماس برای اولین بار در هند مورد استفاده قرار گرفت و در برزیل جواهرات از نظر تجاری در سال 1725 اهمیت یافتند. ذخایر در آفریقای جنوبی در سال 1867 کشف شد. در قرن 20th. تولیدکنندگان اصلی الماس آفریقای جنوبی، زئیر، بوتسوانا، نامیبیا، آنگولا، سیرالئون، تانزانیا و روسیه هستند. الماس های ساخت بشر که فناوری آن در سال 1970 ایجاد شد، برای مقاصد صنعتی تولید می شود.

آلوتروپی.

اگر واحدهای ساختاری یک ماده (اتم برای عناصر تک اتمی یا مولکول برای عناصر و ترکیبات چند اتمی) بتوانند به بیش از یک شکل کریستالی با یکدیگر ترکیب شوند، به این پدیده آلوتروپی می گویند. کربن دارای سه تغییر آلوتروپیک است: الماس، گرافیت و فولرن. در الماس، هر اتم کربن دارای 4 همسایه چهار وجهی است که یک ساختار مکعبی را تشکیل می دهند (شکل 1، الف). این ساختار مربوط به حداکثر کووالانسی پیوند است و هر 4 الکترون هر اتم کربن پیوندهای C-C با استحکام بالا را تشکیل می دهند. هیچ الکترون رسانایی در ساختار وجود ندارد. بنابراین، الماس با عدم رسانایی، هدایت حرارتی کم و سختی بالا مشخص می شود. این سخت ترین ماده شناخته شده است (شکل 2). شکستن پیوند C-C (طول پیوند 1.54 Å، بنابراین شعاع کووالانسی 1.54/2 = 0.77 Å) در یک ساختار چهار وجهی به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارد، بنابراین الماس، همراه با سختی استثنایی، با نقطه ذوب بالا (3550 درجه) مشخص می شود. ج).

شکل آلوتروپیک دیگر کربن گرافیت است که خواص بسیار متفاوتی با الماس دارد. گرافیت یک ماده سیاه نرم است که از کریستال هایی ساخته شده است که به راحتی لایه برداری می شود و با هدایت الکتریکی خوب مشخص می شود. مقاومت الکتریکی 0.0014 اهم سانتی متر). بنابراین از گرافیت در لامپ ها و کوره های قوس الکتریکی استفاده می شود (شکل 3) که در آنها ایجاد دماهای بالا ضروری است. گرافیت با خلوص بالا در راکتورهای هسته ایبه عنوان تعدیل کننده نوترون نقطه ذوب آن در فشار بالا 3527 درجه سانتی گراد است. در فشار معمولی، گرافیت تصعید می شود (انتقال از حالت جامدبه گاز) در 3780 درجه سانتیگراد.

ساختار گرافیت (شکل 1، ب) سیستمی از حلقه های شش ضلعی ذوب شده با طول پیوند 1.42 Å (بسیار کوتاهتر از الماس) است، اما هر اتم کربن دارای سه (به جای چهار، مانند الماس) پیوند کووالانسی با سه همسایه، و پیوند چهارم (3.4) است. Å) برای پیوند کووالانسی بیش از حد طولانی است و لایه های موازی گرافیت را ضعیف به یکدیگر متصل می کند. این چهارمین الکترون کربن است که هدایت حرارتی و الکتریکی گرافیت را تعیین می‌کند - این پیوند طولانی‌تر و کم‌تر فشردگی کمتر گرافیت را تشکیل می‌دهد که در سختی کمتر آن نسبت به الماس منعکس می‌شود (تراکم گرافیت 2.26 گرم بر سانتی‌متر مکعب، الماس). - 3.51 گرم بر سانتی متر 3). به همین دلیل، گرافیت در لمس لغزنده است و به راحتی تکه های ماده را جدا می کند، به همین دلیل است که از آن برای ساخت روان کننده و سرب های مدادی استفاده می شود. درخشش سربی مانند سرب عمدتاً به دلیل وجود گرافیت است.

الیاف کربن استحکام بالایی دارند و می توان از آنها برای ساختن ریون یا سایر نخ های کربن بالا استفاده کرد.

در فشار و دمای بالا در حضور کاتالیزوری مانند آهن، گرافیت می تواند به الماس تبدیل شود. این فرآیند برای تولید صنعتی الماس مصنوعی اجرا می شود. کریستال های الماس روی سطح کاتالیزور رشد می کنند. تعادل گرافیت-الماس در 15000 اتمسفر و 300 کلوین یا در 4000 اتمسفر و 1500 کلوین وجود دارد. الماس های مصنوعی را می توان از هیدروکربن ها نیز به دست آورد.

اشکال آمورف کربن که کریستال تشکیل نمی دهند عبارتند از زغال چوب که از حرارت دادن چوب بدون دسترسی به هوا، لامپ و دوده گازی به دست می آید که در طی احتراق هیدروکربن ها در دمای پایین با کمبود هوا و متراکم شدن روی سطح سرد، زغال استخوان تشکیل می شود. مخلوط به کلسیم فسفات در فرآیند تخریب بافت‌های استخوان و همچنین زغال سنگ (ماده طبیعی با ناخالصی) و کک، باقیمانده خشکی که از کک‌سازی سوخت‌ها با روش تقطیر خشک زغال‌سنگ یا بقایای نفت (زغال‌های قیر) به دست می‌آید. ، یعنی گرمایش بدون دسترسی به هوا کک برای ذوب چدن و ​​در متالورژی آهنی و غیرآهنی استفاده می شود. در طی کک سازی، محصولات گازی نیز تشکیل می شود - گاز کوره کک (H 2، CH 4، CO، و غیره) و محصولات شیمیایی که مواد اولیه برای تولید بنزین، رنگ ها، کودها هستند. داروها، پلاستیک و غیره نموداری از دستگاه اصلی تولید کک - کوره کک - در شکل نشان داده شده است. 3.

انواع مختلف زغال سنگ و دوده سطح توسعه یافته ای دارند و بنابراین به عنوان جاذب برای تصفیه گاز و مایعات و همچنین به عنوان کاتالیزور استفاده می شوند. برای به دست آوردن اشکال مختلف کربن از روش های خاصی استفاده می شود تکنولوژی شیمیایی. گرافیت مصنوعی از کلسینه کردن آنتراسیت یا کک نفتی بین الکترودهای کربنی در دمای 2260 درجه سانتیگراد (فرایند آچسون) تولید می شود و در تولید روان کننده ها و الکترودها به ویژه برای تولید الکترولیتی فلزات استفاده می شود.

ساختار اتم کربن.

هسته پایدارترین ایزوتوپ کربن، جرم 12 (98.9 درصد فراوانی)، دارای 6 پروتون و 6 نوترون (12 نوکلئون) است که در سه ربع مرتب شده اند که هر کدام شامل 2 پروتون و دو نوترون مشابه هسته هلیوم است. دیگری ایزوتوپ پایدارکربن - 13 C (تقریباً 1.1٪) و به مقدار کمی در طبیعت یک ایزوتوپ ناپایدار 14 C با نیمه عمر 5730 سال وجود دارد که دارای ب- تشعشع هر سه ایزوتوپ در چرخه کربن طبیعی ماده زنده به شکل CO 2 شرکت می کنند. پس از مرگ یک موجود زنده، مصرف کربن متوقف می شود و اجسام حاوی C می توانند با اندازه گیری سطح رادیواکتیویته 14 درجه سانتیگراد تعیین شوند ب-14 تشعشع CO 2 با زمان سپری شده از مرگ متناسب است. در سال 1960، W. Libby جایزه نوبل را برای تحقیق در مورد کربن رادیواکتیو دریافت کرد.

در حالت پایه 6 الکترون کربن تشکیل می شود پیکربندی الکترونیکی 1س 2 2س 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0 . چهار الکترون سطح دوم ظرفیت هستند که با موقعیت کربن در گروه IVA جدول تناوبی مطابقت دارد. سانتی متر. سیستم دوره ای عناصر). از آنجایی که انرژی زیادی برای حذف یک الکترون از اتم در فاز گاز مورد نیاز است (تقریباً 1070 کیلوژول بر مول)، کربن تشکیل نمی‌شود. پیوندهای یونیبا عناصر دیگر، زیرا برای تشکیل یک یون مثبت، الکترون حذف می شود. کربن با داشتن الکترونگاتیوی 2.5، میل الکترونی قوی نشان نمی دهد و بر این اساس، یک گیرنده الکترون فعال نیست. بنابراین، مستعد تشکیل ذره ای با بار منفی نیست. اما برخی از ترکیبات کربن با ماهیت جزئی یونی پیوند وجود دارند، به عنوان مثال کاربیدها. در ترکیبات، کربن حالت اکسیداسیون 4 را نشان می دهد. برای اینکه چهار الکترون در تشکیل پیوند شرکت کنند، جفت شدن 2 ضروری است. س-الکترون ها و پرش یکی از این الکترون ها به 2 p z- مداری در این حالت 4 پیوند چهار وجهی با زاویه 109 درجه بین آنها تشکیل می شود. در ترکیبات، الکترون های ظرفیت کربن تنها تا حدی از آن خارج می شوند، بنابراین کربن با استفاده از یک جفت الکترون مشترک، پیوندهای کووالانسی قوی بین اتم های C-C همسایه ایجاد می کند. انرژی شکستن چنین پیوندی 335 کیلوژول بر مول است، در حالی که برای پیوند Si-Si تنها 210 کیلوژول بر مول است، بنابراین زنجیره های طولانی -Si-Si- ناپایدار هستند. ماهیت کووالانسی پیوند حتی در ترکیبات هالوژن های بسیار واکنش پذیر با کربن، CF 4 و CCl 4 حفظ می شود. اتم های کربن قادر به اهدای بیش از یک الکترون از هر اتم کربن برای تشکیل یک پیوند هستند. به این ترتیب پیوندهای دوگانه C=C و سه گانه CєC تشکیل می شوند. عناصر دیگر نیز بین اتم های خود پیوند ایجاد می کنند، اما فقط کربن قادر به تشکیل زنجیره های بلند است. بنابراین، برای کربن، هزاران ترکیب شناخته شده است، به نام هیدروکربن، که در آن کربن به هیدروژن و دیگر اتم های کربن پیوند می خورد و زنجیره های بلند یا ساختارهای حلقه ای را تشکیل می دهد. سانتی متر. شیمی آلی.

در این ترکیبات، امکان جایگزینی هیدروژن با اتم های دیگر، اغلب با اکسیژن، نیتروژن و هالوژن برای تشکیل انواع ترکیبات آلی وجود دارد. مهم استدر میان آنها فلوروکربن ها هستند - هیدروکربن هایی که در آنها هیدروژن با فلوئور جایگزین می شود. چنین ترکیباتی بسیار بی اثر هستند و به عنوان پلاستیک و روان کننده (فلوئوروکربن ها، یعنی هیدروکربن هایی که در آن تمام اتم های هیدروژن با اتم های فلوئور جایگزین می شوند) و به عنوان مبردهای دمای پایین (کلروفلوئوروکربن ها یا فریون ها) استفاده می شوند.

در دهه 1980، فیزیکدانان آمریکایی ترکیبات کربنی بسیار جالبی را کشف کردند که در آن اتم های کربن به 5 یا 6 گان متصل می شوند و یک مولکول C 60 را به شکل یک توپ توخالی با تقارن کامل یک توپ فوتبال تشکیل می دهند. از آنجایی که این طرح اساس "گنبد ژئودزیکی" است که توسط معمار و مهندس آمریکایی باکمینستر فولر اختراع شد، کلاس جدیدترکیبات "buckminsterfullerenes" یا "fullerenes" نامیده می شدند (و همچنین به طور خلاصه - "phasyballs" یا "buckyballs"). فولرن ها - سومین تغییر کربن خالص (به استثنای الماس و گرافیت)، متشکل از 60 یا 70 (یا حتی بیشتر) اتم - با عمل تابش لیزر بر روی کوچکترین ذرات کربن به دست آمد. فولرن ها بیشتر هستند شکل پیچیدهاز چند صد اتم کربن تشکیل شده است. قطر مولکول C 60 تا 1 نانومتر است. در مرکز چنین مولکولی فضای کافی برای قرار دادن یک اتم بزرگ اورانیوم وجود دارد.

جرم اتمی استاندارد

در سال 1961، اتحادیه بین المللی شیمی محض و کاربردی (IUPAC) و فیزیک، جرم ایزوتوپ کربن 12 C را به عنوان واحد جرم اتمی پذیرفت و مقیاس اکسیژن موجود در جرم اتمی را لغو کرد. جرم اتمی کربن در این سیستم 12.011 است، زیرا میانگین سه ایزوتوپ طبیعی کربن با توجه به فراوانی آنها در طبیعت است. سانتی متر. جرم اتمی

خواص شیمیایی کربن و برخی از ترکیبات آن

مقداری فیزیکی و خواص شیمیاییکربن در مقاله عناصر شیمیایی آورده شده است. واکنش پذیریکربن به تغییر، دما و پراکندگی آن بستگی دارد. در دماهای پایین، همه اشکال کربن کاملاً بی اثر هستند، اما هنگامی که گرم می شوند توسط اکسیژن اتمسفر اکسید می شوند و اکسیدها را تشکیل می دهند:

کربن پراکنده ریز در اکسیژن اضافی می تواند در اثر حرارت یا جرقه منفجر شود. علاوه بر اکسیداسیون مستقیم، روش های مدرن تری نیز برای تولید اکسید وجود دارد.

ساب اکسید کربن

C 3 O 2 از کم آبی اسید مالونیک بیش از P 4 O 10 تشکیل می شود:

C 3 O 2 بوی نامطبوعی دارد و به راحتی هیدرولیز می شود و دوباره اسید مالونیک را تشکیل می دهد.

مونوکسید کربن (II). CO در طول اکسیداسیون هر گونه تغییر کربن در شرایط کمبود اکسیژن تشکیل می شود. واکنش گرمازا است، 111.6 کیلوژول بر مول آزاد می شود. کک با آب در دمای حرارت سفید واکنش می دهد: C + H 2 O = CO + H 2 . مخلوط گاز حاصل را «گاز آب» می نامند و یک سوخت گازی است. CO همچنین در هنگام احتراق ناقص فرآورده های نفتی به مقدار قابل توجهی در اگزوز خودروها یافت می شود.

حالت اکسیداسیون کربن در CO 2 + است و از آنجایی که کربن در حالت اکسیداسیون +4 پایدارتر است، CO به راحتی توسط اکسیژن به CO 2 اکسید می شود: CO + O 2 → CO 2، این واکنش بسیار گرمازا است (283 کیلوژول). /mol). CO در صنعت در مخلوط با H2 و سایر گازهای قابل اشتعال به عنوان سوخت یا عامل کاهنده گاز استفاده می شود. هنگامی که تا 500 درجه سانتیگراد گرم می شود، CO تا حد قابل توجهی C و CO 2 را تشکیل می دهد، اما در 1000 درجه سانتیگراد، تعادل در غلظت های پایین CO 2 برقرار می شود. CO با کلر واکنش می دهد، فسژن تشکیل می دهد - COCl 2، واکنش ها با سایر هالوژن ها به طور مشابه ادامه می یابد، در واکنش با گوگرد کربونیل سولفید COS به دست می آید، با فلزات (M) CO کربونیل هایی با ترکیبات مختلف M(CO) تشکیل می دهد. x، که ترکیبات پیچیده ای هستند. کربونیل آهن زمانی تشکیل می شود که هموگلوبین خون با CO واکنش می دهد و از واکنش هموگلوبین با اکسیژن جلوگیری می کند، زیرا کربونیل آهن ترکیب قوی تری است. در نتیجه، عملکرد هموگلوبین به عنوان حامل اکسیژن به سلول ها مسدود می شود، که سپس می میرند (و سلول های مغز در درجه اول تحت تأثیر قرار می گیرند). (از این رو نام دیگر CO - "مونوکسید کربن"). در حال حاضر 1٪ (حجم) CO در هوا برای انسان خطرناک است اگر آنها بیش از 10 دقیقه در چنین فضایی باشند. برخی از خواص فیزیکی CO در جدول آورده شده است.

دی اکسید کربن یا مونوکسید کربن (IV) CO 2 از احتراق کربن عنصری در اکسیژن اضافی با آزاد شدن گرما (395 کیلوژول بر مول) تشکیل می شود. CO 2 (نام بی اهمیت "دی اکسید کربن" است) همچنین در طی اکسیداسیون کامل CO، فرآورده های نفتی، بنزین، روغن ها و سایر ترکیبات آلی تشکیل می شود. هنگامی که کربنات ها در آب حل می شوند، CO 2 نیز در نتیجه هیدرولیز آزاد می شود:

این واکنش اغلب در عمل آزمایشگاهی برای تولید CO 2 استفاده می شود. این گاز را می توان از طریق تکلیس بی کربنات های فلزی نیز به دست آورد:

در طول برهمکنش فاز گاز بخار فوق گرمبا CO:

به عنوان مثال هنگام سوزاندن هیدروکربن ها و مشتقات اکسیژن آنها:

به طور مشابه، محصولات غذایی در یک موجود زنده اکسید می شوند و گرما و انواع دیگر انرژی را آزاد می کنند. در این مورد، اکسیداسیون در شرایط ملایم از طریق مراحل میانی رخ می دهد، اما محصولات نهایی یکسان هستند - CO 2 و H 2 O، به عنوان مثال، در هنگام تجزیه قندها تحت عمل آنزیم ها، به ویژه در طی تخمیر گلوکز:

تولید در مقیاس بزرگ دی اکسید کربن و اکسیدهای فلزی در صنعت با تجزیه حرارتی کربنات ها انجام می شود:

CaO به مقدار زیادی در فناوری تولید سیمان استفاده می شود. پایداری حرارتی کربنات ها و مصرف گرما برای تجزیه آنها طبق این طرح در سری CaCO 3 افزایش می یابد ( همچنین ببینیدپیشگیری از آتش سوزی و حفاظت در برابر آتش).

ساختار الکترونیکی اکسیدهای کربن

ساختار الکترونیکی هر مونوکسید کربن را می توان با سه طرح به همان اندازه محتمل با آرایش های مختلف جفت الکترون توصیف کرد - سه شکل رزونانس:

تمام اکسیدهای کربن ساختاری خطی دارند.

اسید کربنیک.

هنگامی که CO 2 با آب واکنش می دهد، اسید کربنیک H 2 CO 3 تشکیل می شود. در محلول اشباع CO 2 (0.034 mol/l)، فقط برخی از مولکول ها H 2 CO 3 را تشکیل می دهند و بیشتر CO 2 در حالت هیدراته CO 2 CHH 2 O است.

کربنات ها

کربنات ها از برهمکنش اکسیدهای فلزی با CO 2، به عنوان مثال، Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3 تشکیل می شوند.

به استثنای کربنات های فلزات قلیایی، بقیه عملاً در آب نامحلول هستند و کربنات کلسیم تا حدی در اسید کربنیک یا محلول CO 2 در آب تحت فشار محلول است.

این فرآیندها در آب های زیرزمینی که از لایه سنگ آهک عبور می کنند اتفاق می افتد. در شرایط کم فشار و تبخیر، CaCO 3 از آب های زیرزمینی حاوی Ca(HCO 3) 2 رسوب می کند. به این ترتیب استالاکتیت ها و استالاگمیت ها در غارها رشد می کنند. رنگ این سازندهای زمین‌شناسی جالب با وجود ناخالصی‌های موجود در آب‌های یون‌های آهن، مس، منگنز و کروم توضیح داده می‌شود. دی اکسید کربن با هیدروکسیدهای فلزی و محلول های آنها واکنش می دهد و بی کربنات ها را تشکیل می دهد، به عنوان مثال:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

تتراکلرید CCl 4 ماده ای غیر قابل اشتعال است که به عنوان حلال در فرآیندهای خشکشویی استفاده می شود، اما استفاده از آن به عنوان شعله گیر توصیه نمی شود، زیرا در دماهای بالا فسژن سمی (یک ماده سمی گازی) تشکیل می شود. CCl 4 خود نیز سمی است و اگر به مقدار قابل توجهی استنشاق شود، می تواند باعث مسمومیت کبدی شود. CCl 4 نیز توسط واکنش فتوشیمیایی بین متان CH 4 و Cl 2 تشکیل می شود. در این حالت، تشکیل محصولات کلرزنی ناقص متان - CHCl 3، CH 2 Cl 2 و CH 3 Cl - امکان پذیر است. واکنش ها به طور مشابه با سایر هالوژن ها رخ می دهد.

واکنش های گرافیت

گرافیت به عنوان تغییر کربن که با فواصل زیاد بین لایه های حلقه های شش ضلعی مشخص می شود، وارد واکنش های غیرعادی می شود، به عنوان مثال، فلزات قلیایی، هالوژن ها و برخی نمک ها (FeCl 3) بین لایه ها نفوذ می کنند و ترکیباتی مانند KC 8، KC را تشکیل می دهند. 16 (به نام بینابینی، گنجاندن یا clathrates). عوامل اکسید کننده قوی مانند KClO 3 in محیط اسیدی(سولفوریک یا اسید نیتریک) موادی با حجم زیادی از شبکه کریستالی (تا 6 Å بین لایه ها) تشکیل می دهند که با ورود اتم های اکسیژن و تشکیل ترکیباتی در سطح آنها در نتیجه اکسیداسیون توضیح داده می شود. ، گروه های کربوکسیل (–COOH) تشکیل می شوند - ترکیباتی مانند گرافیت اکسید شده یا ملیتیک (بنزن هگزا کربوکسیلیک) اسید C 6 (COOH) 6. در این ترکیبات، نسبت C:O می تواند از 6:1 تا 6:2.5 متغیر باشد.

کاربیدها

کربن با فلزات، بور و سیلیکون ترکیبات مختلفی به نام کاربیدها را تشکیل می دهد. بیشتر فلزات فعال(زیرگروه های IA-IIIA) کاربیدهای نمک مانند را تشکیل می دهند، به عنوان مثال Na 2 C 2، CaC 2، Mg 4 C 3، Al 4 C 3. در صنعت، کاربید کلسیم از کک و سنگ آهک با استفاده از واکنش های زیر به دست می آید:

کاربیدها رسانای الکتریکی نیستند، تقریباً بی رنگ هستند، برای مثال هیدرولیز می شوند و هیدروکربن تشکیل می دهند.

CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca(OH) 2

استیلن C 2 H 2 حاصل از واکنش به عنوان ماده اولیه در تولید بسیاری از مواد آلی عمل می کند. این فرآیند جالب است زیرا نشان دهنده گذار از مواد خام با طبیعت معدنی به سنتز ترکیبات آلی است. کاربیدهایی که پس از هیدرولیز استیلن را تشکیل می دهند استیلنید نامیده می شوند. در کاربیدهای سیلیکون و بور (SiC و B 4 C)، پیوند بین اتم ها کووالانسی است. فلزات واسطه (عناصر زیرگروه‌های B) هنگامی که با کربن گرم می‌شوند، کاربیدهایی با ترکیب متغیر در شکاف‌های سطح فلز را تشکیل می‌دهند. پیوند در آنها نزدیک به فلز است. برخی از کاربیدهای این نوع، به عنوان مثال WC، W 2 C، TiC و SiC، با سختی و نسوز بالا متمایز می شوند و رسانایی الکتریکی خوبی دارند. به عنوان مثال، NbC، TaC و HfC نسوزترین مواد هستند (mp = 4000-4200 درجه سانتی گراد)، کاربید دینیوبیم Nb 2 C یک ابررسانا در 9.18 K است، TiC و W 2 C از نظر سختی به الماس نزدیک هستند و سختی B. 4 C (آنالوگ ساختاری الماس) 9.5 در مقیاس Mohs است ( سانتی متر. برنج 2). کاربیدهای بی اثر در صورت شعاع فلز واسطه تشکیل می شوند

مشتقات نیتروژن کربن

این گروه شامل اوره NH 2 CONH 2 - یک کود نیتروژن است که به شکل محلول استفاده می شود. اوره از NH 3 و CO 2 با حرارت دادن تحت فشار به دست می آید:

سیانوژن (CN) 2 خواص زیادی شبیه به هالوژن دارد و اغلب شبه هالوژن نامیده می شود. سیانید از اکسیداسیون ملایم یون سیانید با اکسیژن، پراکسید هیدروژن یا یون Cu 2+ بدست می آید: 2CN – ® (CN) 2 + 2e.

یون سیانید که یک دهنده الکترون است، به راحتی تشکیل می شود ترکیبات پیچیدهبا یون های فلزات واسطه مانند CO، یون سیانید سمی است که ترکیبات حیاتی آهن را در یک موجود زنده متصل می کند. یون های کمپلکس سیانید دارای فرمول کلی -0.5 هستند x، کجا X- عدد هماهنگی فلز (عامل کمپلکس کننده)، از نظر تجربی برابر با دو برابر حالت اکسیداسیون یون فلز است. نمونه‌هایی از این یون‌های پیچیده عبارتند از (ساختار برخی از یون‌ها در زیر آورده شده است) یون تتراسیانونیکلات (II) 2-، هگزاسیانوفرات (III) 3-، دی سیانوآرژانتات -:

کربونیل ها

مونوکسید کربن قادر به واکنش مستقیم با بسیاری از فلزات یا یون های فلزی است و ترکیبات پیچیده ای به نام کربونیل تشکیل می دهد، به عنوان مثال Ni(CO) 4، Fe(CO) 5، Fe 2 (CO) 9، 3، Mo(CO) 6، 2. . پیوند در این ترکیبات مشابه پیوند در کمپلکس های سیانو است که در بالا توضیح داده شد. Ni(CO) 4 یک ماده فرار است که برای جدا کردن نیکل از سایر فلزات استفاده می شود. تخریب ساختار چدن و ​​فولاد در سازه ها اغلب با تشکیل کربونیل ها همراه است. هیدروژن می تواند بخشی از کربونیل ها باشد و هیدریدهای کربونیل مانند H 2 Fe (CO) 4 و HCo (CO) 4 را تشکیل می دهد. خواص اسیدیو واکنش با قلیایی:

H 2 Fe (CO) 4 + NaOH → NaHFe (CO) 4 + H 2 O

کربونیل هالیدها نیز شناخته شده اند، برای مثال Fe(CO)X2، Fe(CO) 2X2، Co(CO)I2، Pt(CO)Cl2، که در آن X هر هالوژنی است.

هیدروکربن ها

تعداد زیادی از ترکیبات کربن-هیدروژن شناخته شده است

یکی از شگفت‌انگیزترین عناصری که قادر به تشکیل طیف وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی است، کربن است. این عنصری با چنان ویژگی‌های غیرعادی است که مندلیف آینده بزرگی را برای آن پیش‌بینی کرد و در مورد ویژگی‌هایی صحبت کرد که هنوز آشکار نشده بودند.

بعداً این عملاً تأیید شد. مشخص شد که این عنصر اصلی بیوژنیک سیاره ما است که بخشی از مطلق همه موجودات زنده است. علاوه بر این، می تواند در اشکالی وجود داشته باشد که از همه جهات کاملاً متفاوت است، اما در عین حال فقط از اتم های کربن تشکیل شده است.

به طور کلی، این ساختار دارای ویژگی های بسیاری است که در طول مقاله سعی می کنیم آنها را درک کنیم.

کربن: فرمول و موقعیت در سیستم عناصر

در جدول تناوبی، عنصر کربن در گروه IV (طبق مدل جدید در 14)، زیرگروه اصلی قرار دارد. عدد اتمی آن 6 و وزن اتمی آن 12.011 است. تعیین یک عنصر با علامت C نشان دهنده نام آن به لاتین - carboneum است. کربن به اشکال مختلفی وجود دارد. بنابراین فرمول آن متفاوت است و به اصلاح خاص بستگی دارد.

با این حال، البته، نماد خاصی برای نوشتن معادلات واکنش وجود دارد. به طور کلی، وقتی در مورد یک ماده به شکل خالص آن صحبت می شود، پذیرفته می شود فرمول مولکولیکربن C، بدون نمایه سازی.

تاریخچه کشف عنصر

این عنصر خود از زمان های قدیم شناخته شده است. به هر حال یکی از مهمترین مواد معدنی موجود در طبیعت زغال سنگ است. بنابراین، برای یونانیان باستان، رومیان و سایر ملل مخفی نبود.

علاوه بر این تنوع، از الماس و گرافیت نیز استفاده می شد. برای مدت طولانی بسیاری از موقعیت های گیج کننده با دومی وجود داشت، زیرا ترکیباتی مانند اغلب با گرافیت بدون تجزیه و تحلیل ترکیب اشتباه می شدند:

• سرب نقره ای؛
• کاربید آهن؛
• سولفید مولیبدن

همه آنها سیاه رنگ شده بودند و بنابراین گرافیت در نظر گرفته می شدند. بعداً این سوء تفاهم روشن شد و این شکل از کربن خودش شد.

از سال 1725، الماس از اهمیت تجاری زیادی برخوردار شد و در سال 1970، فناوری تولید مصنوعی آنها تسلط یافت. از سال 1779، به لطف کار کارل شیل، خواص شیمیایی نشان داده شده توسط کربن مورد مطالعه قرار گرفته است. این به عنوان آغاز تعدادی از اکتشافات مهم در زمینه این عنصر عمل کرد و مبنایی برای روشن شدن همه ویژگی های منحصر به فرد آن شد.

ایزوتوپ های کربن و توزیع در طبیعت

علیرغم این واقعیت که عنصر مورد بحث یکی از مهمترین عناصر بیوژنیک است، محتوای کل آن در جرم است پوسته زمین 0.15 درصد است. این اتفاق می افتد زیرا در معرض گردش ثابت، چرخه طبیعی طبیعت است.

به طور کلی می توان چند ترکیب معدنی حاوی کربن نام برد. اینها نژادهای طبیعی هستند مانند:

• دولومیت و سنگ آهک؛
• آنتراسیت;
• شیل نفتی;
• گاز طبیعی؛
• زغال سنگ;
• روغن؛
• زغال سنگ قهوه ای؛
• ذغال سنگ نارس؛
• قیرها

علاوه بر این، ما نباید موجودات زنده را که صرفاً مخزنی از ترکیبات کربن هستند، فراموش کنیم. پس از همه، آنها پروتئین، چربی، کربوهیدرات، اسیدهای نوکلئیک، که به معنای حیاتی ترین مولکول های ساختاری است. به طور کلی از 70 کیلوگرم جرم خشک بدن 15 کیلوگرم را عنصر خالص تشکیل می دهد. و این برای هر شخصی است، نه از حیوانات، گیاهان و دیگر موجودات.

اگر آب، یعنی هیدروسفر را به عنوان یک کل و اتمسفر در نظر بگیریم، مخلوطی از کربن-اکسیژن وجود دارد که با فرمول CO 2 بیان می شود. دی اکسید یا دی اکسید کربن یکی از گازهای اصلی تشکیل دهنده هوا است. دقیقا به این شکل کسر جرمیکربن 0.046٪ است. حتی دی اکسید کربن بیشتری در آب های اقیانوس جهانی حل می شود.

جرم اتمی کربن به عنوان یک عنصر 12.011 است. مشخص است که این مقدار به عنوان میانگین حسابی بین وزن اتمی همه انواع ایزوتوپی موجود در طبیعت با در نظر گرفتن فراوانی آنها (به صورت درصد) محاسبه می شود. این در مورد ماده مورد نظر اتفاق می افتد. سه ایزوتوپ اصلی وجود دارد که کربن در آنها وجود دارد. این:

• 12 C - کسر جرمی آن بسیار 98.93٪ است.
• 13 C - 1.07٪;
• 14 C - رادیواکتیو، نیمه عمر 5700 سال، ساطع کننده بتا پایدار.

در عمل تعیین سن زمین شناسی نمونه ها، به طور گسترده ای استفاده می شود ایزوتوپ رادیواکتیو 14 درجه سانتیگراد که به دلیل دوره زوال طولانی آن یک شاخص است.

تغییرات آلوتروپیک عنصر

کربن عنصری است که به عنوان یک ماده ساده به اشکال مختلفی وجود دارد. یعنی قادر به ایجاد بیشترین تعداد تغییرات آلوتروپیک شناخته شده امروزی است.

1. تغییرات کریستالی - به شکل ساختارهای قوی با شبکه های معمولی از نوع اتمی وجود دارد. این گروه شامل انواع زیر است:

• الماس؛
• فولرن ها؛
• گرافیت ها
• کارابین ها
• lonsdaleites;
• و لوله ها

همه آنها شبکه های مختلفی دارند که در گره های آنها یک اتم کربن وجود دارد. از این رو خواص کاملاً منحصر به فرد و غیر مشابه، هم فیزیکی و هم شیمیایی.

2. اشکال آمورف - آنها توسط یک اتم کربن، که بخشی از برخی از ترکیبات طبیعی است، تشکیل می شوند. یعنی اینها انواع خالص نیستند، بلکه با ترکیبات عناصر دیگر در مقادیر کم هستند. در این گروهشامل:

• کربن فعال؛
• سنگ و چوب؛
• دوده؛
• نانوفوم کربنی؛
• آنتراسیت;
• کربن شیشه ای؛
• تنوع فنی یک ماده

آنها همچنین توسط ویژگی های ساختاری شبکه کریستالی که ویژگی ها را توضیح می دهد و نشان می دهد متحد می شوند.

3. ترکیبات کربنی به صورت خوشه ای. این ساختاری است که در آن اتم‌ها به شکل خاصی قفل می‌شوند که از داخل توخالی است و با آب یا هسته‌های عناصر دیگر پر شده است. مثال ها:

• نانو مخروط کربنی؛
• astralens;
• دی کربن

خواص فیزیکی کربن آمورف

به دلیل تنوع عالیتغییرات آلوتروپیک، شناسایی هر گونه ویژگی فیزیکی رایج برای کربن دشوار است. صحبت در مورد یک فرم خاص آسان تر است. به عنوان مثال، کربن آمورف دارای ویژگی های زیر است.

1. همه فرم ها بر اساس انواع ریز کریستالی گرافیت هستند.
2. ظرفیت حرارتی بالا.
3. خواص رسانایی خوب
4. چگالی کربن حدود 2 گرم بر سانتی متر مکعب است.
5. هنگامی که در دمای بالای 1600 درجه سانتیگراد گرم می شود، انتقال به اشکال گرافیت رخ می دهد.

انواع دوده و سنگ به طور گسترده برای اهداف فنی استفاده می شود. آنها مظهر اصلاح کربن به شکل خالص آن نیستند، اما آن را در مقادیر بسیار زیاد دارند.

کربن کریستالی

گزینه های مختلفی وجود دارد که در آنها کربن ماده ای است که کریستال های منظم را تشکیل می دهد انواع مختلف، جایی که اتم ها به صورت سری به هم متصل هستند. در نتیجه تغییرات زیر شکل می گیرد.

1. - مکعب، که در آن چهار چهار ضلعی به هم متصل هستند. در نتیجه، تمام پیوندهای شیمیایی کووالانسی هر اتم تا حد امکان اشباع و قوی هستند. این ویژگی های فیزیکی را توضیح می دهد: چگالی کربن 3300 کیلوگرم بر متر مکعب. سختی بالا، ظرفیت گرمایی کم، عدم هدایت الکتریکی - همه اینها نتیجه ساختار شبکه کریستالی است. الماس های تولید فنی وجود دارد. آنها در طول انتقال گرافیت به اصلاح بعدی تحت تأثیر دمای بالا و فشار معین تشکیل می شوند. به طور کلی، به اندازه قدرت است - حدود 3500 0 C.
2. گرافیت. اتم ها مشابه ساختار ماده قبلی مرتب شده اند، با این حال، تنها سه پیوند اشباع شده است، و چهارمی طولانی تر و ضعیف تر می شود، "لایه های" حلقه های شش ضلعی شبکه را به هم متصل می کند. در نتیجه، معلوم می شود که گرافیت یک ماده سیاه نرم و چرب در لمس است. رسانایی الکتریکی خوبی دارد و نقطه ذوب بالایی دارد - 3525 0 C. قابلیت تصعید - تصعید از حالت جامد به گاز، دور زدن مایع (در دمای 3700 0 C). چگالی کربن 2.26 گرم بر سانتی متر مکعب است که بسیار کمتر از چگالی الماس است. این ویژگی های مختلف آنها را توضیح می دهد. به دلیل ساختار لایه ای شبکه کریستالی، می توان از گرافیت برای ساخت سرب های مدادی استفاده کرد. وقتی از روی کاغذ رد می‌شود، فلس‌ها کنده می‌شوند و لکه‌ای سیاه روی کاغذ می‌گذارند.
3. فولرن ها آنها فقط در دهه 80 قرن گذشته کشف شدند. آنها تغییراتی هستند که در آن کربن ها به یکدیگر متصل می شوند و به یک ساختار بسته محدب خاص با یک فضای خالی در مرکز متصل می شوند. علاوه بر این، شکل کریستال چند وجهی است، سازماندهی مناسب. تعداد اتم ها زوج است. معروف ترین فرم فولرن C 60. نمونه هایی از یک ماده مشابه در طول تحقیقات پیدا شد:

• شهاب سنگ ها؛
• رسوبات پایین؛
• فولگوریت ها;
• شونگیت ها
• فضای بیرونی، جایی که آنها به شکل گازها موجود بودند.

همه انواع کربن کریستالی مهم هستند اهمیت عملی، زیرا دارای تعدادی خواص مفید در فناوری هستند.

فعالیت شیمیایی

کربن مولکولی کم است فعالیت شیمیاییبه دلیل پیکربندی پایدار آن تنها با دادن انرژی اضافی به اتم و وادار کردن الکترون ها می توان آن را وادار به واکنش کرد سطح خارجیبخار کردن در این مرحله ظرفیت 4 می شود بنابراین در ترکیبات دارای حالت اکسیداسیون + 2، + 4، - 4 است.

تقریبا تمام واکنش ها با مواد سادهاعم از فلزات و غیر فلزات، تحت تأثیر دمای بالا رخ می دهند. عنصر مورد نظر می تواند یک عامل اکسید کننده یا یک عامل کاهنده باشد. با این حال، خواص اخیر به ویژه در آن برجسته است، و این همان چیزی است که بر اساس استفاده از آن در صنایع متالورژی و سایر صنایع است.

به طور کلی، توانایی ورود به واکنش شیمیاییبه سه عامل بستگی دارد:

• پراکندگی کربن؛
• اصلاح آلوتروپیک؛
• دمای واکنش

بنابراین، در برخی موارد، تعامل با مواد زیر رخ می دهد:

• غیر فلزات (هیدروژن، اکسیژن)؛
• فلزات (آلومینیوم، آهن، کلسیم و غیره)؛
• اکسیدهای فلزی و نمکهای آنها

با اسیدها و قلیاها واکنش نمی دهد، به ندرت با هالوژن ها. مهمترین خاصیت کربن توانایی تشکیل زنجیرهای بلند در بین خود است. آنها می توانند در یک چرخه بسته شوند و شاخه هایی تشکیل دهند. به این ترتیب تشکیل ترکیبات آلی رخ می دهد که امروزه به میلیون ها نفر می رسد. اساس این ترکیبات دو عنصر است - کربن و هیدروژن. ترکیب ممکن است شامل اتم های دیگری نیز باشد: اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن، فسفر، فلزات و غیره.

اتصالات اساسی و ویژگی های آنها

بسیاری از ترکیبات مختلف حاوی کربن هستند. فرمول معروف ترین آنها CO 2 - دی اکسید کربن است. با این حال، علاوه بر این اکسید، CO - مونوکسید یا مونوکسید کربن و همچنین ساب اکسید C 3 O 2 نیز وجود دارد.

در میان نمک های حاوی این عنصر، متداول ترین آنها کربنات کلسیم و منیزیم است. بنابراین، کربنات کلسیم چندین مترادف در نام خود دارد، زیرا در طبیعت به شکل زیر وجود دارد:

• گچ؛
• سنگ مرمر؛
• سنگ آهک؛
• دولومیت

اهمیت کربنات های فلزات قلیایی خاکی در این واقعیت آشکار می شود که آنها در تشکیل استالاکتیت ها و استالاگمیت ها و همچنین آب های زیرزمینی مشارکت فعال دارند.

اسید کربنیکترکیب دیگری است که کربن را تشکیل می دهد. فرمول آن H 2 CO 3 است. با این حال، در شکل معمول خود بسیار ناپایدار است و بلافاصله به دی اکسید کربن و آب در محلول تجزیه می شود. بنابراین، تنها املاح آن شناخته شده است و نه خود به عنوان محلول.

هالیدهای کربن عمدتاً به طور غیرمستقیم به دست می آیند، زیرا سنتزهای مستقیم فقط در دماهای بسیار بالا و با بازده محصول کم اتفاق می افتد. یکی از رایج ترین آنها CCL 4 - تتراکلرید کربن است. یک ترکیب سمی که در صورت استنشاق می تواند باعث مسمومیت شود. با واکنش های جانشینی فتوشیمیایی رادیکال در متان به دست می آید.

کاربیدهای فلزی ترکیبات کربنی هستند که در آنها حالت اکسیداسیون 4 را نشان می دهد. همچنین ممکن است ترکیباتی با بور و سیلیکون وجود داشته باشد. خاصیت اصلی کاربیدهای برخی از فلزات (آلومینیوم، تنگستن، تیتانیوم، نیوبیم، تانتالم، هافنیوم) استحکام بالا و هدایت الکتریکی عالی است. کاربید بور B 4 C یکی از سخت ترین مواد بعد از الماس است (9.5 به گفته Mohs). این ترکیبات در فناوری و همچنین صنایع شیمیایی به عنوان منابع هیدروکربن مورد استفاده قرار می گیرند (کاربید کلسیم با آب منجر به تشکیل استیلن و هیدروکسید کلسیم می شود).

بسیاری از آلیاژهای فلزی با استفاده از کربن ساخته می شوند و در نتیجه کیفیت آنها به میزان قابل توجهی افزایش می یابد مشخصات فنی(فولاد آلیاژی از آهن و کربن است).

ترکیبات کربن آلی متعددی سزاوار توجه ویژه هستند، که در آنها عنصری اساسی است که قادر به ترکیب با اتم های مشابه برای تشکیل زنجیره های بلند از ساختارهای مختلف است. این موارد عبارتند از:

• آلکان ها
• آلکن ها
• عرصه ها؛
• پروتئین ها؛
• کربوهیدرات ها؛
• اسیدهای نوکلئیک؛
• الکل ها
• اسیدهای کربوکسیلیک و بسیاری از کلاس های دیگر از مواد.

کاربرد کربن

اهمیت ترکیبات کربن و تغییرات آلوتروپیک آن در زندگی انسان بسیار زیاد است. شما می توانید چندین مورد از جهانی ترین صنایع را نام ببرید تا مشخص شود که واقعاً چنین است.

1. این عنصر همه انواع سوخت آلی را تشکیل می دهد که انسان از آن انرژی می گیرد.
2. صنعت متالورژی از کربن به عنوان یک عامل کاهنده قوی برای به دست آوردن فلزات از ترکیبات آنها استفاده می کند. کربنات ها نیز در اینجا به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.
3. ساخت و ساز و صنایع شیمیایی مقادیر زیادی از ترکیبات کربن را برای سنتز مواد جدید و تولید محصولات لازم مصرف می کنند.

همچنین می‌توانید بخش‌هایی از اقتصاد را نام ببرید:

• صنعت هسته ای؛
• جواهرات سازی;
• تجهیزات فنی (روان کننده ها، بوته های مقاوم در برابر حرارت، مدادها و غیره)؛
• تعیین سن زمین شناسی سنگ ها - نشانگر رادیواکتیو 14 درجه سانتیگراد.
• کربن یک جاذب عالی است که امکان استفاده از آن را برای ساخت فیلترها فراهم می کند.

چرخه در طبیعت

توده کربن موجود در طبیعت در یک چرخه ثابت گنجانده شده است که به صورت چرخه ای در هر ثانیه در سراسر آن اتفاق می افتد به کره زمین. بنابراین، منبع اتمسفر کربن، CO 2، توسط گیاهان جذب شده و توسط همه موجودات زنده در طول تنفس آزاد می شود. هنگامی که وارد جو می شود، دوباره جذب می شود و بنابراین چرخه ادامه می یابد. در این حالت، مرگ بقایای آلی منجر به آزاد شدن کربن و تجمع آن در زمین می شود و از آنجا دوباره توسط موجودات زنده جذب شده و به شکل گاز در جو منتشر می شود.