الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكربون. حالات التكافؤ لذرة الكربون

المعلومات العامة وطرق الاستحواذ

الكربون (C) هو مادة غير معدنية. يأتي الاسم من كلمة فحم ، وهو موجود في الطبيعة في حالة حرة وفي شكل مركبات عديدة. كمنتجات تحلل من التكوينات القديمة ، هناك أنواع الفحم ، المكون الرئيسي منها هو الكربون.

البترول ، الأوزوسيريت (شمع الجبل) والأسفلت هي أيضًا مركبات كربون ، والتي يبدو أنها نشأت من تحلل الكائنات الحية القديمة ،

الكربون هو المكون الرئيسي لعالم الحيوان والنبات.

على الرغم من التنوع الكبير لأنظمة الكربون المكثف الصلب (الفحم ، وفحم الكوك ، والسخام ، والجرافيت ، والماس ، وما إلى ذلك) ، إلا أنه يحتوي على تعديلين بلوريين: سداسي (توازن) في شكل جرافيت ومكعب (شبه مستقر) في شكل الماس. يتم الحصول على الكربون عن طريق التحلل الحراري لمركباته بلون أسود كثيف. في السابق ، كان الكربون الأسود يعتبر تعديلًا خاصًا غير متبلور للعنصر. وفقًا للبيانات الحديثة ، يتوافق الهيكل الدقيق لهذا التعديل مع الجرافيت.

يشكل الجرافيت رواسب واسعة النطاق. بلورات الجرافيت جيدة التكوين نادرة. الجرافيت مرن وناعم وله بريق معدني خفيف ويتميز بالتلوث. غالبًا ما يكون الجرافيت الطبيعي ملوثًا بعناصر أخرى (تصل إلى 20 درجة / س) ، لذلك ، يتم استخدام الجرافيت الاصطناعي عالي النقاء لاحتياجات التكنولوجيا الحديثة ، وقبل كل شيء ، الطاقة النووية. لإنتاج الجرافيت الاصطناعي ، يستخدم كوك البترول بشكل أساسي كحشو وزفت قطران الفحم كموثق. يتم استخدام الجرافيت الطبيعي وأسود الكربون كإضافات للحشو. في بعض الأحيان ، يتم استخدام بعض الراتنجات الاصطناعية ، مثل الفوران أو الراتنجات الفينولية ، كمواد رابطة. يتكون إنتاج الجرافيت الصناعي من عدد من العمليات الميكانيكية (التكسير ، الطحن ، غربلة فحم الكوك إلى أجزاء ، خلط فحم الكوك مع مواد رابطة ، صب الفراغات) والتليين الحراري عند درجات حرارة ومدد مختلفة. الجرافيت - المعالجة الحرارية النهائية التي تحول مادة الكربون إلى جرافيت ، تتم عند 3000-3100 درجة مئوية.

الكربون ذو الشكل الماسي عبارة عن بلورات صلبة للغاية وشفافة تمامًا (في شكلها النقي) تنكسر الضوء بقوة. غالبًا ما تكون الوجوه الطبيعية للماس هي وجوه الثماني السطوح المنتظمة ؛ ومع ذلك ، هناك أشكال أخرى من النظام التكعيبي بين nx رباعي السطوح ، مما يشير إلى أن الماس ينتمي إلى رباعي السطوح نصفي النظام المكعب.

في الطبيعة ، يوجد الماس بشكل رئيسي في الغرينيات ، أي في الصخور الغرينية. في عدد من الأماكن ، تم العثور على الماس في الزبرجد الزيتوني من أصل بركاني ، في ما يسمى أنابيب الكمبرلايت.

في فترة ما بعد الحرب ، تم إنشاء الإنتاج الصناعي للماس الاصطناعي كمواد خام ضرورية لتصنيع المعاجين وأدوات القطع المختلفة.

الخصائص الفيزيائية

الخصائص الذرية. العدد الذري للكربون هو 6 ، والكتلة الذرية 12.01115 amu ، والحجم الذري 3.42 * 10-6 m 3 / mol. نصف القطر الذري المشترك التكافؤ هو 0.077 نانومتر ؛ نصف القطر الأيوني C 4 + 0.02 نانومتر. تكوين غلاف الإلكترون الخارجي لذرة الكربون هو 2n ، 2 2p 2. يتكون الكربون من نظيرين مستقرين | 2C و | 3C ، وفرة منهما هي 98.892 و 1.108٪ على التوالي. النظائر المشعة ذات الأعداد الكتلية 10 ، 11 ، 14 ، 15 معروفة ، نصف عمرها على التوالي 19.1 ثانية ، 1224 ثانية ، 5567 سنة ، 2.4 ثانية.

تعديلات متآصلة - الجرافيت والماس. يحتوي الجرافيت على شبكة مكعب سداسية الشكل ، تكون فتراتها عند درجة حرارة الغرفة: أ = 0.2456 نانومتر ، ج = 0.6696 نانومتر. الماس لديه شعرية مكعب مع فترة أ = 0.356679 نانومتر. إمكانات التأين لذرة الكربون / (eV): 11.264 ؛ 24.376 ؛ 47.86. الكهربية 2.5. وظيفة عمل الإلكترونات<р=4,7 эВ. Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 0,0034*10 -28 м 2 .

كثافة. في درجة حرارة الغرفة ، تبلغ كثافة الأشعة السينية للجرافيت 2.666 ميغاغرام / م 3 ، وكثافة قياس الحركة هي 2.253 ميغاغرام / م 3 ؛ في ظل نفس الظروف ، تبلغ كثافة الأشعة السينية للماس 3.515 ميغاغرام / م 3 ، وكثافة قياس الحركة هي 3.514 ميغاغرام / م 3.

الخواص الميكانيكية

يتفوق الماس على جميع المواد الأخرى في الصلابة ، لذلك يمكن طحنه ومعالجته بشكل عام فقط بمسحوق الماس. على الرغم من صلابته العالية ، فإن الماس هش للغاية.

الصلابة الدقيقة للماس وفقًا لـ Knupp عند 20 درجة مئوية هي 88200 ميجا باسكال. الصلادة الدقيقة ، تم تحديدها باستخدام هرم تقليدي ، 78500 ميجا باسكال. مقاومة الشد عند درجة حرارة الغرفة - = 1760-4-1780 ميجا باسكال ؛ معامل المرونة العادية في التوتر E = 1141.1 GPa ، في الاتجاه t = 1202 GPa ، وفي الاتجاه t = 1052 GPa (تشير البيانات إلى درجة حرارة الغرفة).

الجرافيت أقل صلابة من الماس. على مقياس موس ، صلابة الماس 10 ، وصلابة الجرافيت 1. قطب كهربائي). في الاتجاه العرضي أ ن = 6.18 ن - 8.93 ميجا باسكال. على خيوط الجرافيت ، يمكنك الحصول على o B = 26- i -28 MPa ؛ تم تحقيق قوة 480-500 ميجا باسكال على "شعيرات" الجرافيت (تشير البيانات إلى درجة حرارة الغرفة). يقاوم الجرافيت الأحمال الانضغاطية جيدًا نسبيًا. لذلك ، o ™ من مفاعل الجرافيت عند 20 "C هو 20.6-34.3 ميجا باسكال. في الجرافيت المكثف ، يمكن زيادة هذه الخاصية إلى 70 ميجا باسكال. انضغاط الجرافيت u \ u003d 3.24 * 10 -11 Pa-1 ، انضغاط الماس x \ u003d 0.23 -Yu - "Pa -1.

الخواص الكيميائية

في المركبات ، يُظهر حالات الأكسدة -4 و +2 و +4.

الكربون ، بغض النظر عن التعديل ، له نشاط كيميائي منخفض. لا يذوب في المذيبات الشائعة ، ولكنه يذوب جيدًا في المعادن المنصهرة ، خاصة في المعادن IVA - V1IIA من المجموعات الفرعية للجدول الدوري. عندما يتم تبريد المواد المنصهرة ، يترسب الكربون إما في شكل جرافيت حر أو في شكل مركبات كربون معدنية. الماس لديه مقاومة كيميائية عالية جدا. لا يتأثر بالأحماض أو القواعد. عند تسخينه في أكسجين أعلى من 800 درجة مئوية ، يحترق الماس إلى ثاني أكسيد الكربون. إذا تم تسخين الماس دون الوصول إلى الهواء ، فإنه يتحول إلى جرافيت.

يتعرض الجرافيت للهجوم الكيميائي بسهولة أكبر من الماس ؛ عند تسخينه في أكسجين نقي ، يشتعل بالفعل عند 637-642 درجة مئوية ، ويتضخم الجرافيت ، المبلل بحمض النيتريك المركز ، عند تسخينه إلى درجة حرارة حمراء. عند معالجته بحمض الكبريتيك المركز في وجود عوامل مؤكسدة ، يتضخم الجرافيت ويتحول إلى اللون الأزرق الداكن. تشتعل بعض درجات الكربون الأسود في جو الأكسجين حتى عند التسخين الطفيف. يتفاعل الكربون الأسود بالفعل مع الفلور في درجات الحرارة العادية. عند تسخينه ، يتحد الكربون مع العديد من العناصر: الهيدروجين ، والكبريت ، والسيليكون ، والبورون ، وما إلى ذلك. ويلاحظ وجود مجموعة متنوعة من مركبات الكربون والهيدروجين في الطبيعة.

عند التفاعل مع الأكسجين ، يشكل الكربون أكاسدين بسيطين. ناتج الاحتراق الكامل للكربون هو ثاني أكسيد ثاني أكسيد الكربون ، مع احتراق غير كامل ، يتكون أكسيد ثاني أكسيد الكربون. حرارة تكوين ثاني أكسيد الكربون أثناء أكسدة الجرافيت D # 0 br = 395.2 كيلوجول / مول ، و CO D / 0 br = 111.5 كيلوجول / مول ، أي أقل بكثير. ثاني أكسيد الكربون غاز عديم اللون وغير قابل للاشتعال برائحة حلوة خفيفة. إنه أثقل بمقدار 1.529 مرة من الهواء ، ويسيل بسهولة عند 20 درجة مئوية وضغط 5.54 ميجا باسكال ، مكونًا سائلًا عديم اللون. درجة الحرارة الحرجة C0 2 31.4 درجة مئوية ، الضغط الحرج 7.151 ميجا باسكال. عند الضغط الطبيعي ، يتصاعد ثاني أكسيد الكربون عند

78.32 درجة مئوية. يتشكل ثاني أكسيد الكربون أثناء احتراق الفحم مع تدفق هواء غير كافٍ ؛ وهو غاز سام ليس له رائحة ولا لون ؛ لا يدعم الاحتراق ، ولكنه في حد ذاته قابل للاحتراق ؛ 0.967 مرة أخف من الهواء. عند الضغط الجوي ، يسيل ثاني أكسيد الكربون عند -191.34 درجة مئوية ويتصلب عند -203.84 درجة مئوية.

يتفاعل الكربون مع الكبريت. عندما يتم تمرير بخاره فوق الفحم الساخن ، يتشكل ثاني كبريتيد الكربون CS 2 (ثاني كبريتيد الكربون). كبريتيدات الكربون المنخفضة غير مستقرة. ثاني كبريتيد الكربون هو سائل عديم اللون له رائحة خانقة. درجة غليان CS 2 هي 46.2 درجة مئوية ، والتصلب هو -110.6 درجة مئوية. ضغط بخار CS 2 عند 293 كلفن هو 0.0385 ميجا باسكال. ثاني كبريتيد الكربون مركب ماص للحرارة ، يتم إطلاق حوالي 64.5 كيلوجول / مول أثناء تحللها. 2 متفجر ، لكن التفاعل الانفجاري لا ينتشر على نطاق واسع. من المركبات الأخرى للكربون مع الكبريت ، يجب ملاحظة COS ، وهو غاز عديم اللون والرائحة ؛ COS قابل للاشتعال بدرجة كبيرة. يتشكل COS عند خليط من الكبريت وأول أكسيد الكربون يتم تمرير البخار من خلال أنبوب ساخن معًا.

يتفاعل الكربون مع النيتروجين. عندما يتم تحميص العديد من المنتجات العضوية (الجلود ، الصوف ، إلخ) دون الوصول إلى الهواء ، يتم تكوين المركبات المحتوية على الجذر أحادي التكافؤ النفثالينات. أبسط حمض HCN ، وهو مشتق من السيانيد ، يسمى الهيدروسيانيك ، وسيانيد الشمس. حمض الهيدروسيانيك سائل عديم اللون يغلي عند 26.66 درجة مئوية ؛ في حالة التخفيف العالي ، لها رائحة تشبه رائحة اللوز المر. يتصلب HCN عند -14.85 درجة مئوية ، وهو شديد السمية. يستخدم سيانيد البوتاسيوم والصوديوم على نطاق واسع في إنتاج الذهب ، وكذلك في الطلاء الكهربائي للمعادن الثمينة.

هناك مركبات الكربون مع الهالوجينات. فلوريد الكربون CF 4 هو غاز عديم اللون مع درجة غليان -128 درجة مئوية ، ونقطة انصهار تبلغ -183.44 درجة مئوية يتم الحصول على CF 4 إما عن طريق التفاعل المباشر للفلور والكربون أو عن طريق عمل AgF على CC1 4 عند 300 ° C. رابع كلوريد الكربون SCC- سائل عديم اللون وغير قابل للاشتعال برائحة مميزة طفيفة. يغلي SCS عند 76.86 درجة مئوية ويتصلب عند -22.77 درجة مئوية. في درجات الحرارة العادية ، يكون SCC خامل كيميائيًا ، ولا يتفاعل مع القواعد أو الأحماض. يذوب STS المواد العضوية جيدًا ؛ غالبًا ما يستخدم كمذيب للدهون والزيوت والراتنجات وما إلى ذلك.

مركبات الكربون مع المعادن ، وكذلك مع البورون والسيليكون ، تسمى الكربيدات. تنقسم الكربيدات إلى فئتين رئيسيتين: قابلة للتحلل بالماء ومقاومة للماء. يمكن اعتبار الكربيدات القابلة للتحلل في الماء كأملاح الأسيتيلين ؛ وفقًا لهذا ، تتوافق التركيبة مع الصيغ العامة Me ^ Cr و Me "C 2 و Me 2 (C 2) 3. تنقسم الأسيتيل مع الماء أو الأحماض المخففة لتشكيل الأسيتيلين.

تشتمل مجموعة الكربيدات المقاومة للماء أو الأحماض المخففة على مركبات الكربون مع معادن انتقالية ، وكذلك كربيد كربيد. التركيب البلوري للكربيدات ، باستثناء SiC ، هو مكعب من نوع NaCl. تسمى هذه الكبريد أحيانًا مركبات شبيهة بالمعادن ، نظرًا لأنها تتمتع بموصلية كهربائية وحرارية عالية ولها بريق معدني. مركب السيليكون مع كربيد الكربون هو الكربورندوم. لها صلابة عالية جدا ، وهيكلها البلوري مشابه للماس. حرارة تكوين SiC D # 0 br = 117.43 كيلو جول / مول. تشمل الكربيدات المقاومة للماء والأحماض غير المخففة أيضًا B 4 C و Cr 4 C و Cr 3 C 2 وبعض الأنواع الأخرى.

مجالات الاستخدام

تلقى الكربون أوسع تطبيق في صناعة المعادن ، وبشكل أساسي في إنتاج أفران الصهر ، حيث تُستخدم قدرته على استعادة الحديد من الخامات. يستخدم الكربون في إنتاج الأفران العالية في شكل فحم الكوك ، والذي يتم الحصول عليه عن طريق تسخين الفحم بدون هواء. يحتوي فحم الكوك المعدني على ما يصل إلى 90٪ كربون ، 1٪ حاء ، 3٪ O ، 0.5-1٪ نيتروجين و 5٪ رماد ، أي مكونات مقاومة للحريق. يحترق فحم الكوك بلهب مزرق بدون سخام وقيمته الحرارية 30-32 ميجا جول / كجم. يستخدم الجرافيت كمادة مقاومة لصهر البوتقات المقاومة للتغيرات السريعة في درجات الحرارة. كما أنها تستخدم في صناعة أقلام الرصاص ، ومواد التشحيم ، والطلاء المضاد للحريق ، إلخ.

يجد الجرافيت ، الذي يتمتع بموصلية كهربائية عالية ، تطبيقات مختلفة في الهندسة الكهربائية والتشكيل الكهربائي (أقطاب كهربائية ، وميكروفونات كربون ، وبعض درجات الجرافيت للمصابيح المتوهجة ، وما إلى ذلك). كما أنها من المواد الإنشائية للمفاعلات النووية. يتم تنظيم إنتاج الجرافيت في بلدنا بواسطة GOST 17022-81 ، والذي ينطبق على الأنواع الرئيسية من الجرافيت الطبيعي. وفقًا لـ GOST ، ثلاث درجات من الجرافيت التشحيم GS-1 إلى 3 ، درجتان من الجرافيت البوتقة GT ، درجتان من الجرافيت المسبك GL ، ثلاث درجات من الجرافيت المركب GAK ، أربع درجات من الجرافيت الكهربائي GEM ، ثلاث درجات من الجرافيت الأولي GE (المستخدمة في إنتاج الخلايا الجلفانية) يتم إنتاج درجتين من الجرافيت الرصاصي GK ودرجتين من الجرافيت الماسي GAL (لإنتاج الماس والمنتجات الأخرى التي تتطلب خمولًا ونقاءًا وتوصيلًا كهربائيًا عاليًا). محتوى الرماد في الدرجات الدنيا من التشحيم والإلكترود والجرافيت المسبك هو 13-18 درجة / س ، وفي بعض الحالات يصل إلى 25٪ من حيث الوزن (على سبيل المثال ،

في صناعة الطاقة النووية ، يتم استخدام الجرافيت الاصطناعي ، وقد تم تطوير طريقة استخدامه في نهاية القرن الماضي.

ربما يكون الكربون هو العنصر الكيميائي الرئيسي والأكثر إثارة للدهشة على الأرض ، لأنه بمساعدته يتم تكوين عدد كبير من المركبات المختلفة ، غير العضوية والعضوية. الكربون هو أساس كل الكائنات الحية ، يمكننا القول أن الكربون ، إلى جانب الماء والأكسجين ، هو أساس الحياة على كوكبنا! يحتوي الكربون على مجموعة متنوعة من الأشكال التي لا تتشابه سواء في خصائصها الفيزيائية والكيميائية أو في المظهر. لكن كل هذا كربون!

تاريخ اكتشاف الكربون

عرف البشر الكربون منذ العصور القديمة. استخدم الإغريق القدماء الجرافيت والفحم ، واستخدم الماس في الهند. صحيح أن المركبات المتشابهة في المظهر غالبًا ما يتم الخلط بينها وبين الجرافيت. ومع ذلك ، كان الجرافيت يستخدم على نطاق واسع في العصور القديمة ، ولا سيما في الكتابة. حتى اسمها يأتي من الكلمة اليونانية "جرافو" - "أنا أكتب". يستخدم الجرافيت الآن في أقلام الرصاص. تم تداول الماس لأول مرة في البرازيل في النصف الأول من القرن الثامن عشر ، ومنذ ذلك الوقت تم اكتشاف العديد من الرواسب ، وفي عام 1970 تم تطوير تقنية لإنتاج الماس صناعياً. يستخدم هذا الماس الاصطناعي في الصناعة ، بينما يستخدم الماس الطبيعي بدوره في المجوهرات.

الكربون في الطبيعة

يتم جمع أكبر كمية من الكربون في الغلاف الجوي والغلاف المائي في شكل ثاني أكسيد الكربون. يحتوي الغلاف الجوي على حوالي 0.046٪ كربون ، وأكثر من ذلك - في شكل ذائب في المحيط العالمي.

بالإضافة إلى ذلك ، كما رأينا أعلاه ، فإن الكربون هو أساس الكائنات الحية. على سبيل المثال ، يحتوي جسم الإنسان بوزن 70 كجم على حوالي 13 كجم من الكربون! إنه في شخص واحد فقط! ويوجد الكربون أيضًا في جميع النباتات والحيوانات. لذا ضع في اعتبارك ...

دورة الكربون في الطبيعة

التعديلات المتآصلة للكربون

يعد الكربون عنصرًا كيميائيًا فريدًا يشكل ما يسمى بالتعديلات المتآصلة ، أو ، بشكل أكثر بساطة ، أشكالًا مختلفة. تنقسم هذه التعديلات إلى بلورية وغير متبلورة وفي شكل عناقيد.

تعديلات الكريستال لها الشبكة البلورية الصحيحة. تشمل هذه المجموعة: الماس ، والفوليرايت ، والجرافيت ، ولونسداليت ، وألياف الكربون والأنابيب. الغالبية العظمى من التعديلات البلورية للكربون في المرتبة الأولى في تصنيف "أصعب المواد في العالم".

أشكال متآصلة من الكربون: أ) لونسداليت ؛ ب) الماس.
ج) الجرافيت. د) الكربون غير المتبلور. ه) C60 (الفوليرين) ؛ و) الجرافين.
ز) أنبوب نانوي أحادي الطبقة

تتكون الأشكال غير المتبلورة من الكربون مع شوائب صغيرة من عناصر كيميائية أخرى. الممثلون الرئيسيون لهذه المجموعة هم: الفحم (الحجر ، الخشب ، المنشط) ، السخام ، أنثراسايت.

الأكثر تعقيدًا وعالية التقنية هي مركبات الكربون في شكل مجموعات. العناقيد هي بنية خاصة يتم فيها ترتيب ذرات الكربون بطريقة تشكل شكلًا مجوفًا مملوءًا من الداخل بذرات عناصر أخرى ، مثل الماء. لا يوجد الكثير من الممثلين في هذه المجموعة ، فهي تشمل نانوكونات الكربون ، والنجوم ، والديكربون.

الجرافيت - "الجانب المظلم" للماس

تطبيق الكربون

للكربون ومركباته أهمية كبيرة في حياة الإنسان. يشكل الكربون الأنواع الرئيسية للوقود على الأرض - الغاز الطبيعي والنفط. تستخدم مركبات الكربون على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية والمعدنية والبناء والهندسة والطب. تستخدم التعديلات المتآصلة في شكل الماس في المجوهرات ، الفوليريت ولونسديلايت في علم الصواريخ. يتم تصنيع مواد التشحيم المختلفة للآليات والمعدات التقنية وغير ذلك الكثير من مركبات الكربون. الصناعة في الوقت الحاضر لا تستطيع الاستغناء عن الكربون ، فهي تستخدم في كل مكان!

1. في جميع المركبات العضوية ، تبلغ تكافؤ ذرة الكربون 4.

2. الكربون قادر على تكوين جزيئات بسيطة ومعقدة للغاية (مركبات جزيئية عالية: البروتينات ، المطاط ، البلاستيك).

3. لا تتحد ذرات الكربون مع الذرات الأخرى فحسب ، بل تتحد أيضًا مع بعضها البعض ، وتشكل سلاسل كربون - كربون مختلفة - مستقيمة ومتفرعة ومغلقة:

4 - بالنسبة لمركبات الكربون ، فإن ظاهرة التماثل هي خاصية مميزة ، أي عندما تحتوي المواد على نفس التركيب النوعي والكمي ، ولكن لها بنية كيميائية مختلفة ، وبالتالي خصائص مختلفة. على سبيل المثال: الصيغة التجريبية C 2 H 6 O تتوافق مع بنيتين مختلفتين من المواد:

كحول الإيثيل ، ثنائي ميثيل الأثير ،

سائل ، تي 0 كيب. \ u003d +78 0 درجة مئوية غاز ، تي 0 كيب. \ u003d -23.7 0 درجة مئوية

لذلك ، فإن كحول الإيثيل وثنائي ميثيل الأثير هما أيزومرات.

5. المحاليل المائية لمعظم المواد العضوية هي غير إلكتروليتات ، ولا تتحلل جزيئاتها إلى أيونات.

ايزومرية.

في عام 1823 تم اكتشاف هذه الظاهرة ايزومرية- وجود مواد لها نفس تركيب الجزيئات ولكن بخصائص مختلفة. ما هو الفرق بين الايزومرات؟ نظرًا لأن تركيبها هو نفسه ، لا يمكن البحث عن السبب إلا بترتيب مختلف لتوصيل الذرات في الجزيء.

حتى قبل إنشاء نظرية التركيب الكيميائي ، أ. توقع بتليروف أنه بالنسبة لـ C 4 H 10 البيوتان ، الذي له بنية خطية من CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 t 0 (bp. -0.5 0 C) ، وجود مادة أخرى بنفس الصيغة الجزيئية ، ولكن بتسلسل مختلف لتوصيل ذرات الكربون في الجزيء:

الأيزوبيوتان

ر 0 كيب. - 11.7 0 درجة مئوية

لذا، نظائر- هذه مواد لها نفس الصيغة الجزيئية ، لكن لها بنية كيميائية مختلفة ، وبالتالي لها خصائص مختلفة. هناك نوعان رئيسيان من التماثل - الهيكليو مكاني.

الهيكليتسمى أيزومرات ، ولها ترتيب مختلف لاتصال الذرات في الجزيء. هناك ثلاثة أنواع منها:

ايزومرية الهيكل العظمي الكربوني:

ج - ج - ج - ج - ج ج - ج - ج - ج

تماثل الرابطة المتعددة:

C \ u003d C - C - C C - C \ u003d C - C.

التزاوج بين الطبقات:

حمض البروبيونيك

التماثل المكاني.الأيزومرات المكانية لها نفس البدائل في كل ذرة كربون. لكنهم يختلفون في ترتيبهم المتبادل في الفضاء. هناك نوعان من هذا التماثل: هندسي وبصري. التماثل الهندسي هو خاصية مميزة للمركبات التي لها بنية مستوية من الجزيئات (الألكينات ، الألكانات الحلقية ، الألكاديين ، إلخ). إذا كانت نفس البدائل في ذرات الكربون ، على سبيل المثال ، مع رابطة مزدوجة ، موجودة على جانب واحد من مستوى الجزيء ، فسيكون هذا هو cis-isomer ، على الجانبين المتقابلين - الأيزومر العابر:

التماثل البصري- خاصية المركبات التي تحتوي على ذرة كربون غير متماثلة ، والتي ترتبط بأربعة بدائل مختلفة. الأيزومرات البصرية هي صور معكوسة لبعضها البعض. فمثلا:

الهيكل الإلكتروني للذرة.

تمت دراسة بنية الذرة في الكيمياء والفيزياء غير العضوية. من المعروف أن الذرة تحدد خصائص العنصر الكيميائي. تتكون الذرة من نواة موجبة الشحنة ، حيث تتركز كل كتلتها ، وإلكترونات سالبة الشحنة تحيط بالنواة.

نظرًا لأن نوى الذرات المتفاعلة لا تتغير أثناء التفاعلات الكيميائية ، فإن الخصائص الفيزيائية والكيميائية للذرات تعتمد على بنية غلاف الإلكترون للذرات. يمكن للإلكترونات أن تنتقل من ذرة إلى أخرى ، ويمكنها أن تتحد ، وهكذا. لذلك ، سننظر بالتفصيل في مسألة توزيع الإلكترونات في الذرة على أساس النظرية الكمومية لبنية الذرات. وفقًا لهذه النظرية ، يتمتع الإلكترون في وقت واحد بخصائص الجسيم (الكتلة والشحنة) والدالة الموجية. لتحريك الإلكترونات ، من المستحيل تحديد الموقع الدقيق. تقع في الفضاء بالقرب من النواة الذرية. يمكن أن يعرف احتمالاإيجاد إلكترون في أجزاء مختلفة من الفضاء. الإلكترون ، كما كان ، "ملطخ" في هذا الفضاء على شكل سحابة (الشكل 1) ، والتي تقل كثافتها.

الصورة 1.

تسمى منطقة الفضاء التي يكون فيها احتمال العثور على الإلكترون بحد أقصى (≈ 95٪) المداري.

وفقًا لميكانيكا الكم ، يتم تحديد حالة الإلكترون في الذرة بأربعة أرقام كم: رئيسي (ن)، المداري (ل), مغناطيسي(م)و غزل(س).

عدد الكم الرئيسين - يميز طاقة الإلكترون ، مسافة المدار من النواة ، أي مستوى الطاقة ويأخذ القيم 1 ، 2 ، 3 ، إلخ. أو K ، L ، M ، N ، إلخ. القيمة ن = 1 تقابل أدنى طاقة. مع الزيادة نتزداد طاقة الإلكترون. يتم تحديد الحد الأقصى لعدد الإلكترونات في مستوى الطاقة بالصيغة: ن = 2 ن 2، حيث n هو رقم المستوى ، لذلك ، عندما:

ن = 1 ن = 2 ن = 3 ن = 18

ن = 2 ن = 8 ن = 4 ن = 32 وما إلى ذلك.

ضمن مستويات الطاقة ، يتم ترتيب الإلكترونات في مستويات فرعية (أو طبقات فرعية). عددهم يتوافق مع عدد مستوى الطاقة ، لكنهم يتميزون رقم الكم المداري ل ،الذي يحدد شكل المدار. يأخذ القيم من 0 إلى n-1. في

ن = 1 ل= 0 ن = 2 ل= 0 ، 1 ن = 3 ل= 0 ، 1 ، 2 ن = 4 ل= 0, 1, 2, 3

يتم تحديد الحد الأقصى لعدد الإلكترونات في المستوى الفرعي بالصيغة: 2 (2l + 1). بالنسبة للمستويات الفرعية ، يتم قبول تعيينات الحروف:

ل = 1, 2, 3, 4

لذلك ، إذا كانت n = 1 ، ل= 0 ، المستوى الفرعي s.

ن = 2 ل= 0 ، 1 ، المستوى الفرعي s ، ص.

الحد الأقصى لعدد الإلكترونات في المستويات الفرعية:

N s = 2 N د = 10

N p = 6 N f = 14 ، إلخ.

لا يمكن أن يكون هناك أكثر من هذه الأعداد من الإلكترونات في المستويات الفرعية. يتم تحديد شكل سحابة الإلكترون من خلال القيمة ل. في
ل= 0 (s-orbital) سحابة الإلكترون لها شكل كروي وليس لها اتجاه مكاني.

الشكل 2.

عند l = 1 (p-orbital) ، تكون سحابة الإلكترون على شكل دمبل أو على شكل "شكل ثمانية":

الشكل 3

عدد الكم المغناطيسي ميميز
ترتيب المدارات في الفضاء. يمكن أن تأخذ قيم أي أرقام من –l إلى + l ، بما في ذلك 0. عدد القيم المحتملة لرقم الكم المغناطيسي لقيمة معينة ليساوي (2 ل+ 1). فمثلا:

ل= 0 (s-orbital) م = 0 ، أي المدار s له موقع واحد فقط في الفضاء.

ل= 1 (المدار p) م = -1 ، 0 ، +1 (3 قيم).

ل= 2 (مداري) م = -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2 ، إلخ.

المدارات p و d لها 3 و 5 حالات ، على التوالي.

المدارات p ممدودة على طول محاور الإحداثيات ويتم الإشارة إليها بواسطة p x و p y و p z -orbitals.

عدد الكم تدور s- يميز دوران الإلكترون حول محوره في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة. يمكن أن تحتوي على قيمتين فقط +1/2 و -1/2. يتم تمثيل بنية الغلاف الإلكتروني للذرة بواسطة صيغة إلكترونية توضح توزيع الإلكترونات على مستويات الطاقة والمستويات الفرعية. في هذه الصيغ ، يُشار إلى مستويات الطاقة بالأرقام 1 ، 2 ، 3 ، 4 ... ، المستويات الفرعية - بالأحرف s ، p ، d ، f. يتم كتابة عدد الإلكترونات في المستوى الفرعي كقوة. على سبيل المثال: الحد الأقصى لعدد الإلكترونات لكل ثانية 2 ، ص 6 ، د 10 ، ص 14.

غالبًا ما يتم تصوير الصيغ الإلكترونية بشكل بياني ، والتي تُظهر توزيع الإلكترونات ليس فقط في المستويات والمستويات الفرعية ، ولكن أيضًا في المدارات ، يُشار إليها بمستطيل. تنقسم المستويات الفرعية إلى خلايا كمومية.

خلية كمية حرة

خلية بها إلكترون غير متزاوج

خلية بها إلكترونات مقترنة

توجد خلية كمية واحدة في المستوى الفرعي s.

توجد 3 خلايا كمومية في المستوى الفرعي p.

هناك 5 خلايا كمية على المستوى الفرعي d.

توجد 7 خلايا كمومية في المستوى الفرعي f.

يتم تحديد توزيع الإلكترونات في الذرات مبدأ باوليو حكم جوند. وفقًا لمبدأ باولي: لا يمكن أن تحتوي الذرة على إلكترونات بنفس القيم لجميع الأرقام الكمومية الأربعة.وفقًا لمبدأ باولي ، يمكن أن يوجد في خلية الطاقة إلكترون واحد أو إلكترونان كحد أقصى مع دوران متعاكس. يحدث حشو الخلايا وفقًا لمبدأ Hund ، والذي وفقًا لموجبه يتم تحديد موقع الإلكترونات أولاً واحدة تلو الأخرى في كل خلية فردية ، ثم عندما يتم شغل جميع الخلايا في مستوى فرعي معين ، يبدأ اقتران الإلكترونات.

يتم تحديد تسلسل ملء مدارات الإلكترون الذري بواسطة قواعد V.Clechkovsky ، اعتمادًا على المجموع (n + ل):

أولاً ، يتم ملء تلك المستويات الفرعية ، حيث يكون هذا المبلغ أصغر ؛

لنفس قيم المجموع (n + ل) أولاً ، يتم تعبئة المستوى الفرعي بقيمة أصغر ن.

فمثلا:

أ) ضع في اعتبارك ملء المستويات الفرعية ثلاثية الأبعاد و 4 ثانية. دعونا نحدد المجموع (n + ل):

y 3d (n + ل) = 3 + 2 = 5 ، ص 4 ث (ن + ل) = 4 + 0 = 4 ، لذلك يتم ملء المستوى الفرعي 4s أولاً ثم المستوى الفرعي ثلاثي الأبعاد.

ب) للمستويات الفرعية 3d ، 4p ، 5s ، مجموع القيم (n + ل) = 5. وفقًا لقاعدة Klechkovsky ، يبدأ الحشو بقيمة أصغر من n ، أي 3d → 4p → 5s. يحدث ملء مستويات الطاقة والمستويات الفرعية للذرات بالإلكترونات في التسلسل التالي: التكافؤ n = 2 n = 1

أن يكون لديك زوج من الإلكترونات في المستوى الفرعي 2s 2. لجلب الطاقة من الخارج ، يمكن فصل هذا الزوج من الإلكترونات ويمكن جعل الذرة التكافؤ. في هذه الحالة ، يحدث انتقال الإلكترون من مستوى فرعي إلى مستوى فرعي آخر. هذه العملية تسمى إثارة الإلكترون.ستبدو الصيغة الرسومية كن في حالة الإثارة كما يلي:

و التكافؤ 2.

في حالة اتصال كربونهي جزء مما يسمى بالمواد العضوية ، أي العديد من المواد الموجودة في جسم كل نبات وحيوان. وهو على شكل ثاني أكسيد الكربون في الماء والهواء ، وعلى شكل أملاح ثاني أكسيد الكربون والمخلفات العضوية في التربة وكتلة القشرة الأرضية. إن تنوع المواد التي يتكون منها جسم الحيوانات والنباتات معروف للجميع. الشمع والزيت ، زيت التربنتين والراتنج ، ورق القطن والبروتين ، أنسجة الخلايا النباتية وأنسجة العضلات الحيوانية ، حمض الطرطريك والنشا - كل هذه والعديد من المواد الأخرى الموجودة في أنسجة وعصائر النباتات والحيوانات هي مركبات كربونية. إن مجال مركبات الكربون كبير جدًا لدرجة أنه يشكل فرعًا خاصًا من الكيمياء ، أي كيمياء الكربون أو مركبات الهيدروكربون الأفضل.

هذه الكلمات المأخوذة من كتاب أساسيات الكيمياء لـ D. ومع ذلك ، هناك أطروحة واحدة هنا ، والتي من وجهة نظر علم المادة الحديث ، يمكن مناقشتها ، ولكن أكثر من ذلك أدناه.

ربما تكون أصابع اليدين كافية لحساب العناصر الكيميائية التي لم يخصص لها كتاب علمي واحد على الأقل. لكن كتابًا علميًا شهيرًا ومستقلًا - ليس نوعًا من الكتيبات في 20 صفحة غير مكتملة مع غلاف ورقي ، ولكن حجمًا صلبًا جدًا يقارب 500 صفحة - يحتوي على عنصر واحد فقط في الأصل - الكربون.

بشكل عام ، الأدبيات المتعلقة بالكربون هي الأغنى. هذه ، أولاً ، جميع كتب ومقالات الكيميائيين العضويين دون استثناء ؛ ثانياً ، كل ما يتعلق بالبوليمرات تقريبًا ؛ ثالثا ، عدد لا يحصى من المنشورات المتعلقة بالوقود الأحفوري. رابعًا ، جزء مهم من أدبيات الطب الحيوي ...

لذلك ، لن نحاول احتضان الضخامة (ليس من قبيل المصادفة أن مؤلفي الكتاب الشعبي حول العنصر رقم 6 أطلقوا عليه "لا ينضب"!) ، لكننا سنركز فقط على الشيء الرئيسي من النقطة الرئيسية - سنحاول رؤية الكربون من ثلاث وجهات نظر.

الكربون هو أحد العناصر القليلة"بلا عائلة ، بلا قبيلة". يعود تاريخ الاتصال البشري بهذه المادة إلى عصور ما قبل التاريخ. اسم مكتشف الكربون غير معروف ، كما أنه من غير المعروف أيضًا أي من أشكال الكربون الأولي - الماس أو الجرافيت - تم اكتشافه سابقًا. كلاهما حدث منذ فترة طويلة جدا. يمكن تحديد شيء واحد فقط: قبل الماس وقبل الجرافيت ، تم اكتشاف مادة ، والتي كانت قبل بضعة عقود تعتبر الشكل الثالث غير المتبلور من الكربون الأولي - الفحم. لكن في الواقع ، الفحم ، حتى الفحم ، ليس كربونًا نقيًا. يحتوي على الهيدروجين والأكسجين وآثار عناصر أخرى. صحيح أنه يمكن إزالتها ، ولكن حتى ذلك الحين لن يصبح الكربون الفحم تعديلاً مستقلاً للكربون الأولي. تم تأسيس هذا فقط في الربع الثاني من قرننا. أظهر التحليل الإنشائي أن الكربون غير المتبلور هو أساسًا الجرافيت نفسه. هذا يعني أنه ليس غير متبلور ، ولكنه بلوري ؛ فقط بلوراتها صغيرة جدًا وهناك المزيد من العيوب فيها. بعد ذلك ، بدأوا يعتقدون أن الكربون على الأرض موجود فقط في شكلين أوليين - في شكل الجرافيت والماس.

هل فكرت يومًا في أسباب "مستجمعات المياه" الحادة للخصائص التي تجري في الفترة القصيرة الثانية من الجدول الدوري على طول الخط الذي يفصل الكربون عن النيتروجين الذي يتبعه؟ النيتروجين والأكسجين والفلور غازية في الظروف العادية. الكربون - في أي شكل - مادة صلبة. درجة انصهار النيتروجين هي 210.5 درجة مئوية تحت الصفر ، والكربون (على شكل جرافيت تحت ضغط يزيد عن 100 ضغط جوي) حوالي 4000 درجة مئوية ...

كان ديمتري إيفانوفيتش مندليف أول من اقترح أن هذا الاختلاف يرجع إلى التركيب البوليمري لجزيئات الكربون. كتب: "إذا شكل الكربون جزيء C 2 ، مثل O 2 ، فسيكون غازًا". وفضلاً عن ذلك: تتجلى قدرة ذرات الفحم على الاندماج مع بعضها البعض وإعطاء جزيئات معقدة في جميع مركبات الكربون. في أي من العناصر لا تتطور مثل هذه القدرة على التعقيد إلى حد كما هو الحال في الكربون. حتى الآن ، لا يوجد أساس لتحديد درجة بلمرة جزيء الفحم ، الجرافيت ، الماس ، يمكن للمرء فقط أن يعتقد أنها تحتوي على C p ، حيث n هي قيمة كبيرة.

الكربون وبوليمراته

تم تأكيد هذا الافتراض في عصرنا. كل من الجرافيت والماس عبارة عن بوليمرات مكونة من ذرات الكربون نفسها.

وفقًا للملاحظة المناسبة للبروفيسور Yu.V. خوداكوف ، "بناءً على طبيعة القوى التي يجب التغلب عليها ، يمكن أن تُنسب مهنة قطع الماس إلى المهن الكيماوية". في الواقع ، يجب على القاطع أن يتغلب ليس على القوى الضعيفة نسبيًا للتفاعل بين الجزيئات ، ولكن قوى الترابط الكيميائي ، التي تجمع ذرات الكربون في جزيء ماسي. أي بلورة ماسية ، حتى لو كانت كولينان ضخمة ، ستمائة جرام ، هي في الأساس جزيء واحد ، جزيء من بوليمر ثلاثي الأبعاد شديد الانتظام ، شبه كامل التركيب.

الجرافيت أمر آخر. هنا يمتد الترتيب البوليمري في اتجاهين فقط - على طول المستوى ، وليس في الفضاء. في قطعة من الجرافيت ، تشكل هذه الطائرات حزمة كثيفة إلى حد ما ، لا ترتبط طبقاتها ببعضها البعض عن طريق القوى الكيميائية ، ولكن من خلال قوى ضعيفة للتفاعل بين الجزيئات. هذا هو السبب في أنها سهلة للغاية - حتى من ملامسة الورق - لتقشير الجرافيت. في الوقت نفسه ، من الصعب جدًا كسر لوحة الجرافيت في الاتجاه العرضي - وهنا تتعارض الرابطة الكيميائية.

إن ميزات التركيب الجزيئي هي التي تفسر الاختلاف الكبير في خصائص الجرافيت والماس. الجرافيت موصل ممتاز للحرارة والكهرباء ، بينما الماس عازل. لا ينقل الجرافيت الضوء على الإطلاق - الماس شفاف. بغض النظر عن كيفية تأكسد الماس ، سيكون ثاني أكسيد الكربون فقط هو منتج الأكسدة. وعن طريق أكسدة الجرافيت ، يمكن الحصول على العديد من المنتجات الوسيطة ، إذا رغبت في ذلك ، على وجه الخصوص الجرافيت (تكوين متغير) وحمض Mellitic C 6 (COOH) 6. الأكسجين ، كما كان ، محشور بين طبقات حزمة الجرافيت ويؤكسد فقط بعض ذرات الكربون. لا توجد نقاط ضعف في بلورة الماس ، وبالتالي من الممكن حدوث أكسدة كاملة أو عدم أكسدة كاملة - لا توجد طريقة ثالثة ...

لذلك ، هناك بوليمر "مكاني" من الكربون الأولي ، وهناك واحد "مستو". من حيث المبدأ ، تم افتراض وجود بوليمر خطي "أحادي البعد" للكربون ، ولكن لم يتم العثور عليه في الطبيعة.

لم يتم العثور على الوقت الحاضر. بعد سنوات قليلة من التوليف ، تم العثور على بوليمر كربون خطي في فوهة نيزكية في ألمانيا. وأول الكيميائيين السوفييت ف.ف. كودريافتسيف. تم تسمية البوليمر الخطي للكربون كاربين. ظاهريًا ، يبدو وكأنه مسحوق بلوري أسود ناعم ، وله خصائص أشباه الموصلات ، وتحت تأثير الضوء ، تزداد الموصلية الكهربائية للكاربين بشكل كبير. كشف الكاربين أيضًا عن خصائص غير متوقعة تمامًا. اتضح ، على سبيل المثال ، أنه عندما يتلامس الدم معه ، فإنه لا يشكل جلطات - جلطات دموية ، لذلك بدأ استخدام الألياف المغلفة بالكاربين في تصنيع الأوعية الدموية الاصطناعية التي لا يرفضها الجسم.

وفقًا لمكتشفي الكاربين ، كان أصعب شيء بالنسبة لهم هو تحديد نوع الروابط التي ترتبط بها ذرات الكربون في سلسلة. يمكن أن يكون لها روابط فردية وثلاثية متناوبة (-C = C-C = C -C =) ، أو يمكن أن يكون لها روابط مزدوجة فقط (= C = C = C = C =) ... ويمكن أن يكون لها كلاهما في نفس الوقت . بعد سنوات قليلة فقط تمكن كورشاك وسلادكوف من إثبات عدم وجود روابط مزدوجة في الكاربين. ومع ذلك ، نظرًا لأن النظرية سمحت بوجود بوليمر كربون خطي مع روابط مزدوجة فقط ، فقد جرت محاولة للحصول على هذا التنوع - في جوهره ، التعديل الرابع للكربون الأولي.

الكربون في المعادن

تم الحصول على هذه المادة في معهد مركبات العناصر العضوية التابع لأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. تم تسمية بوليمر الكربون الخطي الجديد polycumulene. والآن يُعرف ما لا يقل عن ثمانية بوليمرات خطية من الكربون ، تختلف عن بعضها البعض في بنية الشبكة البلورية. في الأدب الأجنبي ، يطلق عليهم جميعًا القربينات.

هذا العنصر دائمًا رباعي التكافؤ ، ولكن نظرًا لأنه يقع في منتصف الفترة ، فإن حالة الأكسدة في ظروف مختلفة إما +4 أو -4.في التفاعلات مع غير المعادن ، يكون موجبًا للكهرباء ، مع المعادن - على العكس من ذلك. حتى في الحالات التي لا تكون فيها الرابطة أيونية ، ولكنها تساهمية ، يظل الكربون صادقًا مع نفسه - حيث يظل التكافؤ الرسمي مساويًا لأربعة.

هناك عدد قليل جدًا من المركبات التي يظهر فيها الكربون بشكل رسمي على الأقل تكافؤًا غير أربعة. واحد فقط من هذه المركبات معروف بشكل عام ، CO ، أول أكسيد الكربون ، حيث يبدو أن الكربون ثنائي التكافؤ. يبدو بالضبط ، لأنه في الواقع يوجد نوع أكثر تعقيدًا من الاتصال. ترتبط ذرات الكربون والأكسجين برابطة استقطاب تساهمية ثلاثية ، وتتم كتابة الصيغة الهيكلية لهذا المركب على النحو التالي: O + \ u003d C ".

في عام 1900 ، حصل M. Gomberg على المركب العضوي ثلاثي فينيل ميثيل (C 6 H 5) 3 C. ويبدو أن ذرة الكربون هنا ثلاثية التكافؤ. لكن اتضح لاحقًا أن التكافؤ غير العادي كان رسميًا تمامًا هذه المرة. ثلاثي فينيل ميثيل ونظائره من الجذور الحرة ، ولكن على عكس معظم الجذور ، فهي مستقرة تمامًا.

تاريخيًا ، بقي عدد قليل جدًا من مركبات الكربون "تحت سقف" الكيمياء غير العضوية. هذه هي أكاسيد الكربون ، الكربيدات - مركباتها مع المعادن ، وكذلك البورون والسيليكون ، الكربونات - أملاح حمض الكربونيك الأضعف ، ثاني كبريتيد الكربون CS 2 ، مركبات السيانيد. علينا أن نواسي أنفسنا بحقيقة أنه ، كما يحدث غالبًا (أو يحدث) في الإنتاج ، فإن "العمود" يعوض أوجه القصور في المصطلحات. في الواقع ، لا يوجد الجزء الأكبر من الكربون الموجود في قشرة الأرض في الكائنات الحية النباتية والحيوانية ، وليس في الفحم والزيت وجميع المواد العضوية الأخرى مجتمعة ، ولكن في مركبين غير عضويين فقط - الحجر الجيري CaCO 3 ودولوميت MgCa (CO 3 ) 2. الكربون هو جزء من بضع عشرات من المعادن الأخرى ، فقط تذكر رخام CaCO 3 (مع الإضافات) ، Cu 2 (OH) 2 CO 3 Malachite ، ZnCO 3 smithsonite معدن الزنك ... يوجد الكربون في كل من الصخور النارية والصخور البلورية.

المعادن المحتوية على الكربيدات نادرة جدًا. كقاعدة عامة ، هذه مواد ذات أصل عميق بشكل خاص ؛ لذلك ، يفترض العلماء أن هناك كربونًا في قلب الكرة الأرضية.

بالنسبة للصناعة الكيميائية ، يعتبر الكربون ومركباته غير العضوية ذات أهمية كبيرة - في كثير من الأحيان كمواد خام ، وفي كثير من الأحيان كمواد هيكلية.

العديد من الأجهزة في الصناعات الكيميائية ، مثل المبادلات الحرارية ، مصنوعة من الجرافيت. وهذا أمر طبيعي: يتمتع الجرافيت بمقاومة حرارية وكيميائية كبيرة وفي نفس الوقت يوصل الحرارة بشكل جيد للغاية. بالمناسبة ، بفضل نفس الخصائص ، أصبح الجرافيت مادة مهمة لتقنية الطائرات النفاثة. الدفات مصنوعة من الجرافيت ، وتعمل مباشرة في لهب جهاز الفوهة. من المستحيل عملياً إشعال الجرافيت في الهواء (حتى في الأكسجين النقي ، ليس من السهل القيام بذلك) ، ومن أجل تبخر الجرافيت ، هناك حاجة إلى درجة حرارة أعلى بكثير من تلك التي تتطور حتى في محرك الصاروخ. وإلى جانب ذلك ، تحت الضغط الطبيعي ، لا يذوب الجرافيت ، مثل الجرانيت.

من الصعب تخيل الإنتاج الكهروكيميائي الحديث بدون الجرافيت. لا يقتصر استخدام أقطاب الجرافيت على علماء المعادن فحسب ، بل يستخدمه الكيميائيون أيضًا. يكفي أن نتذكر أنه في المحلل الكهربائي المستخدم لإنتاج الصودا الكاوية والكلور ، تكون الأنودات من الجرافيت.

استخدام الكربون

تمت كتابة العديد من الكتب حول استخدام مركبات الكربون في الصناعة الكيميائية. تستخدم كربونات الكالسيوم والحجر الجيري كمواد خام في إنتاج الجير والأسمنت وكربيد الكالسيوم. معدن آخر - الدولوميت - هو "سلف" مجموعة كبيرة من حراريات الدولوميت. كربونات وبيكربونات الصوديوم - رماد الصودا وصودا الشرب. أحد أهم مستهلكي رماد الصودا كان ولا يزال صناعة الزجاج ، والتي تحتاج إلى حوالي ثلث الإنتاج العالمي من Na 2 CO 3.

وأخيراً ، القليل عن الكربيدات. عادة ، عندما يقولون كربيد ، فإنهم يقصدون كربيد الكالسيوم - مصدر الأسيتيلين ، وبالتالي العديد من منتجات التخليق العضوي. لكن كربيد الكالسيوم ، على الرغم من أنه الأكثر شهرة ، ليس بأي حال من الأحوال المادة الوحيدة المهمة والضرورية لهذه المجموعة. كربيد البورون B 4 C مادة مهمة للذرات

التكنولوجيا ، كربيد السيليكون كربيد السيليكون أو الكربوراندوم هي المواد الكاشطة الأكثر أهمية. تتميز كربيدات العديد من المعادن بمقاومة كيميائية عالية وصلابة استثنائية ؛ الكربوراندوم ، على سبيل المثال ، أقل شأنا من الماس. صلابته على مقياس Mooca هي 9.5-9.75 (الماس - 10). لكن الكربوراندوم أرخص من الماس. يتم الحصول عليها في أفران كهربائية عند درجة حرارة حوالي 2000 درجة مئوية من خليط من فحم الكوك ورمل الكوارتز.

وفقًا للعالم السوفيتي الشهير الأكاديمي أ. Knunyants ، يمكن اعتبار الكيمياء العضوية كنوع من الجسر الذي ألقاه العلم من الطبيعة غير الحية إلى أعلى أشكالها - الحياة. وقبل قرن ونصف فقط ، كان أفضل الكيميائيين في ذلك الوقت يؤمنون ويعلمون أتباعهم أن الكيمياء العضوية هي علم المواد التي تشكلت بمشاركة وتوجيه من "مادة" غريبة - قوة الحياة. ولكن سرعان ما تم إرسال هذه القوة إلى سلة مهملات العلوم الطبيعية. توليفات العديد من المواد العضوية - اليوريا ، وحمض الخليك ، والدهون ، والمواد الشبيهة بالسكر - جعلتها ببساطة غير ضرورية.

ظهر التعريف الكلاسيكي لـ K. Schorlemmer ، والذي لم يفقد معناه حتى بعد 100 عام: "الكيمياء العضوية هي كيمياء الهيدروكربونات ومشتقاتها ، أي المنتجات التي تتشكل عندما يتم استبدال الهيدروجين بذرات أخرى أو مجموعات من الذرات."

إذن ، المواد العضوية هي كيمياء ولا حتى عنصر واحد ، بل فئة واحدة فقط من مركبات هذا العنصر. لكن أي فئة! فصل مقسم ليس فقط إلى مجموعات ومجموعات فرعية - إلى علوم مستقلة. لقد خرجوا من المواد العضوية ، والكيمياء الحيوية ، وكيمياء البوليمرات الاصطناعية ، وكيمياء المركبات النشطة بيولوجيًا والطبية المنفصلة عن المواد العضوية ...

الملايين من المركبات العضوية (مركبات الكربون!) وحوالي مائة ألف مركب من جميع العناصر الأخرى مجتمعة معروفة الآن.

من المعروف أن الحياة مبنية على أساس الكربون. ولكن لماذا بالضبط الكربون - العنصر الحادي عشر الأكثر وفرة على الأرض - أخذ على عاتقه المهمة الصعبة المتمثلة في أن يكون أساس كل أشكال الحياة؟

الجواب على هذا السؤال غامض. أولاً ، "لا تتطور مثل هذه القدرة على التعقيد إلى حد مثل الكربون في أي من العناصر". ثانيًا ، يمكن للكربون أن يتحد مع معظم العناصر ، وبطرق متنوعة. ثالثًا ، يمكن تدمير الرابطة بين ذرات الكربون ، وكذلك مع ذرات الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت والفوسفور والعناصر الأخرى التي تتكون منها المواد العضوية ، تحت تأثير العوامل الطبيعية. لذلك ، يدور الكربون باستمرار في الطبيعة: من الغلاف الجوي إلى النباتات ، ومن النباتات إلى الكائنات الحية ، ومن الأحياء إلى الميتة ،

من الموتى الى الاحياء ...

التكافؤات الأربعة لذرة الكربون تشبه أربعة أيادي. وإذا تم توصيل ذرتين من هذه الذرات ، فهناك بالفعل ستة "أذرع". أو - أربعة ، إذا تم إنفاق إلكترونين على تكوين زوج (رابطة مزدوجة). أو - اثنان فقط ، إذا كانت الرابطة ، كما في الأسيتيلين ، ثلاثية. لكن هذه الروابط (تسمى غير مشبعة) تشبه قنبلة في جيبك أو جني في زجاجة. إنهم مختبئون في الوقت الحالي ، لكن في اللحظة المناسبة يتحررون لإحداث خسائر في لعبة قمار عاصفة من التفاعلات والتحولات الكيميائية. تتشكل مجموعة متنوعة من الهياكل نتيجة لهذه "الألعاب" إذا كان الكربون متورطًا فيها. حسب محررو "موسوعة الأطفال" أنه من 20 ذرة كربون و 42 ذرة هيدروجين ، يمكن الحصول على 366319 مادة هيدروكربونية مختلفة ، 366319 مادة من التركيبة C 20 H42. وإذا لم يكن هناك ستة عشرات من المشاركين في "اللعبة" ، فهناك عدة آلاف ؛ إذا كان من بينهم ممثلون ليس "فريقين" ، لكن لنقل ثمانية!

حيثما يوجد الكربون ، يوجد تنوع. عندما يوجد الكربون ، توجد صعوبات. ومختلف التصاميم في العمارة الجزيئية. سلاسل بسيطة ، كما في البيوتان CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 أو البولي إيثيلين -CH 2 -CH 2 -CH 2 - CH 2 - ، والهياكل المتفرعة ، أبسطها هو الأيزوبيوتان.

C (carboneum) ، عنصر كيميائي غير معدني من المجموعة IVA (C ، Si ، Ge ، Sn ، Pb) من الجدول الدوري للعناصر. يحدث في الطبيعة على شكل بلورات الماس (الشكل 1) ، والجرافيت أو الفوليرين وأشكال أخرى ، وهو جزء من العضوية (الفحم ، والزيت ، والكائنات الحيوانية والنباتية ، وما إلى ذلك) والمواد غير العضوية (الحجر الجيري ، وصودا الخبز ، إلخ. .). ينتشر الكربون على نطاق واسع ، لكن محتواه في قشرة الأرض لا يتعدى 0.19٪ ( أنظر أيضاالماس؛ فوليرينيس).

يستخدم الكربون على نطاق واسع في شكل مواد بسيطة. بالإضافة إلى الماس الثمين ، وهو موضوع المجوهرات ، فإن الماس الصناعي له أهمية كبيرة في صناعة أدوات الطحن والقطع. يستخدم الفحم وغيره من أشكال الكربون غير المتبلورة لإزالة اللون ، والتنقية ، وامتصاص الغازات ، في مجالات التكنولوجيا التي تتطلب مواد ماصة ذات سطح مطور. تتميز الكربيدات ، مركبات الكربون مع المعادن ، وكذلك مع البورون والسيليكون (على سبيل المثال ، Al 4 C 3 ، SiC ، B 4 C) بصلابة عالية وتستخدم لصنع أدوات الكشط والقطع. يوجد الكربون في الفولاذ والسبائك في الحالة الأولية وفي شكل كربيدات. إن تشبع سطح المسبوكات الفولاذية بالكربون عند درجة حرارة عالية (تدعيم) يزيد بشكل كبير من صلابة السطح ومقاومة التآكل. أنظر أيضاسبائك.

هناك العديد من أشكال الجرافيت المختلفة في الطبيعة. يتم الحصول على بعضها بشكل مصطنع ؛ تتوفر أشكال غير متبلورة (مثل فحم الكوك والفحم). يتكون السخام وفحم العظام والأسود المصباح والأسيتيلين الأسود عند حرق الهيدروكربونات في غياب الأكسجين. ما يسمى الكربون الأبيضتم الحصول عليها عن طريق تسامي الجرافيت الحراري تحت ضغط منخفض ، وهي أصغر بلورات شفافة من أوراق الجرافيت ذات الحواف المدببة.

Sunyaev Z.I. الكربون البترولي. م ، 1980
كيمياء الكربون المفرط التنسيق. م ، 1990

ابحث عن "CARBON" في