Физични и химични свойства на въглерода. Валентни състояния на въглеродния атом

Обща информация и методи за придобиване

Въглеродът (C) е неметал. Името идва от думата въглища.В природата се среща както в свободно състояние, така и под формата на множество съединения. Като продукти на разлагане на древни образувания има въглища, чийто основен компонент е въглеродът.

Петролът, озокеритът (планински восък) и асфалтът също са въглеродни съединения, които очевидно произхождат от разлагането на древни организми,

Въглеродът е основният компонент на животинския и растителния свят.

Въпреки голямото разнообразие от твърди кондензирани въглеродни системи (въглища, кокс, сажди, графит, диамант и др.), Той има две кристални модификации: хексагонална (равновесна) под формата на графит и кубична (метастабилна) под формата на диамант. Въглеродът, получен чрез термично разлагане на неговите съединения, има плътен черен цвят. Преди това черният въглерод се смяташе за специална аморфна модификация на елемента. Според последните данни фината структура на тази модификация съответства на графит.

Графитът образува доста обширни находища. Добре оформените графитни кристали са редки. Графитът е гъвкав, мек, има лек метален блясък и се отличава със замърсяване. Естественият графит често е замърсен с други елементи (до 20°/o), поради което изкуственият графит с висока чистота се използва за нуждите на съвременните технологии и преди всичко на ядрената енергетика. За производството на изкуствен графит петролният кокс се използва главно като пълнител и каменовъглен катран като свързващо вещество. Като добавки към пълнителя се използват естествен графит и сажди. Понякога някои синтетични смоли, като фуран или фенолни смоли, се използват като свързващо вещество. Производството на изкуствен графит се състои от редица механични операции (раздробяване, смилане, пресяване на кокс във фракции, смесване на кокс със свързващи вещества, формоване на заготовки) и термично отгряване при различни температури и продължителност. Графитизация - крайната топлинна обработка, която превръща въглеродния материал в графит, се извършва при 3000-3100°C.

Въглеродът с форма на диамант е много твърд, абсолютно прозрачен (в чист вид) кристал, който силно пречупва светлината. Естествените фасети на диаманта често са лицата на правилни октаедри; въпреки това има други форми на кубичната система сред тетраедъра nx, което показва, че диамантът принадлежи към тетраедричния хемедър на кубичната система.

В природата диамантите се намират главно в разсипи, тоест в алувиални скали. На редица места са открити диаманти в оливини с вулканичен произход, в така наречените кимберлитови тръби.

В следвоенния период промишленото производство на изкуствени диаманти е създадено като необходима суровина за производството на различни пасти и режещи инструменти.

Физически свойства

Атомни характеристики. Атомният номер на въглерода е 6, атомната маса е 12,01115 amu, атомният обем е 3,42 * 10-6 m 3 / mol. Ковалентният атомен радиус е 0,077 nm; йонен радиус C 4 + 0,02 nm. Конфигурацията на външните електронни обвивки на въглеродния атом е 2n,2 2p 2 . Въглеродът се състои от два стабилни изотопа |2C и |3C, чието съдържание е съответно 98,892 и 1,108%. Известни са радиоактивни изотопи с масови числа 10, 11, 14, 15, чийто период на полуразпад е съответно 19,1 s, 1224 s, 5567 години, 2,4 s.

Алотропни модификации - графит и диамант. Графитът има хексагонална кубична решетка, чиито периоди при стайна температура са: a=0,2456 nm, c=0,6696 nm. Диамантът има кубична решетка с период a = 0,356679 nm. Йонизационни потенциали на въглеродния атом / (eV): 11.264; 24,376; 47,86. Електроотрицателност 2.5. Работна работа на електроните<р=4,7 эВ. Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 0,0034*10 -28 м 2 .

Плътност. При стайна температура рентгеновата плътност на графита е 2,666 Mg/m3, пикнометричната плътност е 2,253 Mg/m3; при същите условия рентгеновата плътност на диаманта е 3,515 Mg/m3, а пикнометричната плътност е 3,514 Mg/m3.

Механични свойства

Диамантът превъзхожда всички други вещества по твърдост, така че може да се смила и като цяло да се обработва само с диамантен прах. Въпреки високата си твърдост, диамантът е много крехък.

Микротвърдостта на диаманта по Knupp при 20 °C е 88200 MPa. Микротвърдост, определена с помощта на конвенционална пирамида, 78500 MPa. Якост на опън при стайна температура а в - = 1760-4-1780 MPa; модул на нормална еластичност при опън E = 1141.1 GPa, в посока t=1202 GPa и в посока t=1052 GPa (данните се отнасят за стайна температура).

Графитът е по-малко твърд от диаманта. По скалата на Моос твърдостта на диаманта е 10, а твърдостта на графита е 1. електрод). В напречна посока a n = 6,18n-8,93 MPa. На нишките от графит можете да получите o B =26- i -28 MPa; якост от 480-500 MPa е постигната върху графитни "мустаци" (данните се отнасят за стайна температура). Графитът издържа сравнително добре на натиск. И така, o ™ на реакторния графит при 20 "C е 20,6-34,3 MPa. В уплътнения графит тази характеристика може да бъде увеличена до 70 MPa. Свиваемост на графита u \u003d 3,24 * 10 -11 Pa-1, свиваемост на диаманта x \u003d 0,23 -Yu - "Pa -1.

Химични свойства

В съединенията той проявява степени на окисление -4, +2 и +4.

Въглеродът, независимо от модификацията, има ниска химическа активност. Не се разтваря в обикновени разтворители, но се разтваря добре в разтопени метали, особено в метали IVA - V1IIA от подгрупи на периодичната таблица. Когато стопилките се охладят, въглеродът се утаява или под формата на свободен графит, или под формата на съединения метал-въглерод. Диамантът има много висока химическа устойчивост. Не се влияе от киселини или основи. При нагряване в кислород над 800 °C диамантът изгаря до CO 2 . Ако диамантът се нагрее без достъп на въздух, тогава той се превръща в графит.

Графитът е по-лесно химически атакуван от диаманта; при нагряване в чист кислород той се запалва вече при 637-642 С. Графитът, навлажнен с концентрирана азотна киселина, набъбва при нагряване до червено. При обработка с концентрирана сярна киселина в присъствието на окислители графитът набъбва и става тъмносин. Някои видове черен въглерод се запалват в кислородна атмосфера дори при леко нагряване. Черният въглерод вече взаимодейства с флуора при обикновени температури. При нагряване въглеродът се свързва с много елементи: водород, сяра, силиций, бор и др. В природата се наблюдава голямо разнообразие от въглерод-водородни съединения.

При взаимодействие с кислорода въглеродът образува два прости оксида. Продуктът от пълното изгаряне на въглерода е CO 2 диоксид, при непълно изгаряне се образува CO оксид. Топлината на образуване на CO 2 по време на окисляването на графит D # 0 br = 395,2 kJ / mol, а CO D / / 0 br = 111,5 kJ / / mol, т.е. много по-ниска. CO2 е безцветен, незапалим газ с лека сладникава миризма. Той е 1,529 пъти по-тежък от въздуха, лесно се втечнява при 20 °C и налягане от 5,54 MPa, образувайки безцветна течност. Критична температура C0 2 31,4 °C, критично налягане 7,151 MPa. При нормално налягане CO 2 сублимира при

78,32 °С. CO се образува при изгаряне на въглища с недостатъчен въздушен поток, това е отровен газ, който няма нито мирис, нито цвят; не поддържа горене, но сам по себе си е горим; 0,967 пъти по-лек от въздуха. При атмосферно налягане CO се втечнява при -191,34°C и се втвърдява при -203,84°C.

Въглеродът взаимодейства със сярата. Когато неговите пари се прекарат върху горещ въглен, се образува въглероден дисулфид CS 2 (въглероден дисулфид). Ниските въглеродни сулфиди са нестабилни. Въглеродният дисулфид е безцветна течност със задушлива миризма. Точката на кипене на CS 2 е 46,2 "C, втвърдяването е -110,6 ° C. Налягането на парите на CS 2 при 293 K е 0,0385 MPa. Въглеродният дисулфид е ендотермично съединение, около 64,5 kJ / mol се освобождава по време на разлагането му. CS 2 експлозивен, но експлозивната реакция не се разпространява широко. От други съединения на въглерод със сяра трябва да се отбележи COS, който е безцветен газ без мирис; COS е силно запалим. COS се образува при смесване на сяра и въглероден окис парата се прекарва заедно през гореща тръба. COS се втечнява при ^ 49,9 "C и се втвърдява при -137,8 ° C.

Въглеродът реагира с азота. Когато различни органични продукти (кожа, вълна и др.) се калцинират без достъп на въздух, се образуват съединения, съдържащи едновалентен радикал CN. Най-простата киселина HCN, която е производно на цианида, се нарича циановодородна, а нейните слънчеви цианиди. Циановодородната киселина е безцветна течност, кипяща при 26,66 ° C; при високо разреждане има миризма, подобна на тази на горчиви бадеми. HCN се втвърдява при -14,85°C, изключително токсичен. Калиевите и натриевите цианиди се използват широко в производството на злато, както и в галванопластиката на благородни метали.

Има въглеродни съединения с халогени. Въглеродният флуорид CF 4 е безцветен газ с точка на кипене -128 "C, точка на топене -183,44 ° C. CF 4 се получава или чрез директно взаимодействие на флуор и въглерод, или чрез действието на AgF върху CC1 4 при 300 ° C. Тетрахлорметан SCC - безцветна, незапалима течност с лек характерен мирис. SSC кипи при 76,86 ° C и се втвърдява при -22,77 ° C. При обикновени температури SCC е химически инертен, не реагира с основи или киселини. STS много добре разтваря органични вещества; често се използва като разтворител за мазнини, масла, смоли и др.

Съединенията на въглерод с метали, както и с бор и силиций се наричат ​​карбиди. Карбидите се разделят на два основни класа: водоразградими и водоустойчиви. Разлагащите се във вода карбиди могат да се разглеждат като соли на ацетилена; в съответствие с това съставът съответства на общите формули Me ^ Cr, Me "C 2 и Me 2 (C 2) 3. Ацетилидите се разделят с вода или разредени киселини, за да образуват ацетилен.

Групата карбиди, устойчиви на вода или разредени киселини, включва съединения на въглерод с преходни метали, както и SiC. Кристалната структура на карбидите, с изключение на SiC, е кубична, от типа NaCl. Такива кабриди понякога се наричат ​​металоподобни съединения, тъй като имат висока електрическа и топлопроводимост и имат метален блясък. Съединението на силиций с въглерод SiC е карборунд. Има много висока твърдост, а кристалната му структура е подобна на диаманта. Топлината на образуване на SiC D # 0 br = 117,43 kJ / mol. Карбидите, устойчиви на вода и неразредени киселини, също включват B 4 C, Cr 4 C, Cr 3 C 2 и някои други.

Области на използване

Въглеродът е получил най-широко приложение в металургичната промишленост, предимно в доменното производство, където се използва способността му да възстановява желязото от рудите. Въглеродът в доменното производство се използва под формата на кокс, който се получава чрез нагряване на въглища без въздух. Металургичният кокс съдържа до 90% C, 1% H, 3% O, 0,5-1% N и 5% пепел, т.е. огнеупорни компоненти. Коксът гори със синкав пламък без сажди, а калоричността му е 30-32 MJ/kg. Графитът се използва като огнеупорен материал за тигли за топене, който е устойчив на бързи температурни промени. Използва се и за направата на моливи, лубрикант, огнеупорна боя и др.

Графитът, който има висока електропроводимост, намира различни приложения в електротехниката и електроформоването (електроди, микрофонни въглища, някои видове графит за лампи с нажежаема жичка и др.). Освен това е един от структурните материали за ядрени реактори. Производството на графит в нашата страна се регулира от GOST 17022-81, който се прилага за основните видове естествен графит. Съгласно този GOST, три степени на смазващ графит GS-1 до 3, две степени на тигелен графит GT, две степени на леярски графит GL, три степени на акумулаторен графит GAK, четири степени на електровъглероден графит GEM, три степени на елементарен графит GE (използвани за производството на галванични елементи) се произвеждат два вида молив графит GK, два вида диамантен графит GAL (за производство на диаманти и други продукти, където се изисква висока инертност, чистота и електропроводимост). Съдържанието на пепел в по-ниските степени на смазочния, електродния и леярския графит е 13-18 ° / o, а в някои случаи до 25% от теглото (например,

В атомната енергетика се използва изкуствен графит, чийто метод е разработен в края на миналия век.

Въглеродът е може би основният и най-удивителен химичен елемент на Земята, защото с негова помощ се образуват огромен брой различни съединения, както неорганични, така и органични. Въглеродът е в основата на всички живи същества, можем да кажем, че въглеродът, заедно с водата и кислорода, е в основата на живота на нашата планета! Въглеродът има различни форми, които не са сходни нито по своите физикохимични свойства, нито по външен вид. Но всичко е въглерод!

История на откриването на въглерода

Въглеродът е познат на човечеството от древни времена. Древните гърци са използвали графит и въглища, а в Индия – диаманти. Вярно е, че подобни на вид съединения често се бъркат с графит. Въпреки това, графитът е бил широко използван в древността, по-специално за писане. Дори името му идва от гръцката дума "графо" - "пиша". Сега графитът се използва в моливите. За първи път с диаманти се търгува в Бразилия през първата половина на 18 век, оттогава са открити много находища, а през 1970 г. е разработена технология за изкуствено производство на диаманти. Такива изкуствени диаманти се използват в индустрията, а естествените от своя страна се използват в бижутерията.

въглерод в природата

Най-значителното количество въглерод се събира в атмосферата и хидросферата под формата на въглероден диоксид. Атмосферата съдържа около 0,046% въглерод и дори повече - в разтворена форма в Световния океан.

Освен това, както видяхме по-горе, въглеродът е основата на живите организми. Например 70 кг човешко тяло съдържа около 13 кг въглерод! Това е само в един човек! Въглеродът също се намира във всички растения и животни. Така че помислете...

Въглеродният цикъл в природата

Алотропни модификации на въглерода

Въглеродът е уникален химичен елемент, който образува така наречените алотропни модификации или по-просто различни форми. Тези модификации са разделени на кристални, аморфни и под формата на клъстери.

Кристалните модификации имат правилната кристална решетка. Тази група включва: диамант, фулерит, графит, лонсдейлит, въглеродни влакна и тръби. По-голямата част от кристалните модификации на въглерода са на първо място в класацията "Най-твърдите материали в света".

Алотропни форми на въглерода: а) лонсдейлит; б) диамант;
в) графит; г) аморфен въглерод; д) C60 (фулерен); е) графен;
ж) еднослойна нанотръба

Аморфните форми се образуват от въглерод с малки примеси от други химични елементи. Основните представители на тази група са: въглища (каменни, дървесни, активирани), сажди, антрацит.

Най-сложните и високотехнологични са въглеродните съединения под формата на клъстери. Клъстерите са специална структура, в която въглеродните атоми са подредени по такъв начин, че образуват куха форма, която е пълна отвътре с атоми на други елементи, като вода. В тази група няма толкова много представители, тя включва въглеродни наноконуси, астралени и дикарбон.

Графит - "тъмната страна" на диаманта

Приложение на карбон

Въглеродът и неговите съединения са от голямо значение за човешкия живот. Въглеродът образува основните видове гориво на Земята - природен газ и нефт. Въглеродните съединения се използват широко в химическата и металургичната промишленост, в строителството, инженерството и медицината. Алотропни модификации под формата на диаманти се използват в бижутерията, фулерит и лонсдейлит в ракетната наука. От въглеродни съединения се правят различни смазочни материали за механизми, техническо оборудване и много други. Днешната промишленост не може без въглерод, той се използва навсякъде!

1. Във всички органични съединения въглеродният атом има валентност 4.

2. Въглеродът е способен да образува прости и много сложни молекули (високомолекулни съединения: протеини, каучук, пластмаси).

3. Въглеродните атоми се комбинират не само с други атоми, но и помежду си, образувайки различни въглеродни - въглеродни вериги - прави, разклонени, затворени:

4. За въглеродните съединения е характерно явлението изомерия, т.е. когато веществата имат еднакъв качествен и количествен състав, но различна химична структура и следователно различни свойства. Например: емпиричната формула C 2 H 6 O съответства на две различни структури на вещества:

етилов алкохол, диметилов етер,

течност, t 0 кип. \u003d +78 0 С газ, t 0 кип. \u003d -23,7 0 С

Следователно етиловият алкохол и диметиловият етер са изомери.

5. Водните разтвори на повечето органични вещества са неелектролити, техните молекули не се разлагат на йони.

Изомерия.

През 1823 г. феноменът е открит изомерия- съществуването на вещества с еднакъв състав на молекулите, но с различни свойства. Каква е разликата между изомерите? Тъй като техният състав е един и същ, причината може да се търси само в различен ред на свързване на атомите в една молекула.

Още преди създаването на теорията за химическата структура, A.M. Бутлеров прогнозира, че за C 4 H 10 бутан, който има линейна структура на CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 t 0 (т.к. -0,5 0 C), съществуването на друго вещество със същата молекулна формула, но с различна последователност на свързване на въглеродни атоми в молекула:

изобутан

t 0 кип. - 11.7 0 С

Така, изомери- това са вещества, които имат една и съща молекулна формула, но различна химична структура и следователно различни свойства. Има два основни типа изомерия − структурени пространствен.

Структурнинаречени изомери, имащи различен ред на свързване на атомите в молекулата. Има три вида от него:

Изомерия на въглеродния скелет:

C - C - C - C - C C - C - C - C

Изомерия на множество връзки:

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

Междукласова изомерия:

пропионова киселина

Пространствена изомерия.Пространствените изомери имат едни и същи заместители на всеки въглероден атом. Но те се различават по взаимното си разположение в пространството. Има два вида тази изомерия: геометрична и оптична. Геометричната изомерия е характерна за съединения с равнинна структура на молекулите (алкени, циклоалкани, алкадиени и др.). Ако същите заместители при въглеродни атоми, например с двойна връзка, са от едната страна на равнината на молекулата, тогава това ще бъде цис-изомер, от противоположните страни - транс-изомер:

Оптична изомерия- характеристика на съединения с асиметричен въглероден атом, който е свързан с четири различни заместителя. Оптичните изомери са огледални изображения един на друг. Например:

Електронната структура на атома.

Строежът на атома се изучава в неорганичната химия и физика. Известно е, че атомът определя свойствата на химичния елемент. Атомът се състои от положително заредено ядро, в което е концентрирана цялата му маса, и отрицателно заредени електрони, заобикалящи ядрото.

Тъй като ядрата на реагиращите атоми не се променят по време на химични реакции, физичните и химичните свойства на атомите зависят от структурата на електронните обвивки на атомите. Електроните могат да се движат от един атом към друг, могат да се комбинират и т.н. Затова ще разгледаме подробно въпроса за разпределението на електроните в атома въз основа на квантовата теория за структурата на атомите. Според тази теория електронът едновременно притежава свойствата на частица (маса, заряд) и вълнова функция. За движещите се електрони е невъзможно да се определи точното местоположение. Те се намират в пространството близо до атомното ядро. Може да се определи вероятностнамиране на електрон в различни части на пространството. Електронът е, така да се каже, "размазан" в това пространство под формата на облак (Фигура 1), чиято плътност намалява.

Снимка 1.

Нарича се областта на пространството, в която вероятността за намиране на електрон е максимална (≈ 95%) орбитален.

Според квантовата механика състоянието на електрона в атома се определя от четири квантови числа: основен (н), орбитален (л), магнитен(м)и завъртане(с).

Главно квантово число n - характеризира енергията на електрона, разстоянието на орбиталата от ядрото, т.е. енергийно ниво и приема стойности 1, 2, 3 и т.н. или K, L, M, N и т.н. Стойността n = 1 съответства на най-ниската енергия. С нарастването ненергията на електрона нараства. Максималният брой електрони в енергийното ниво се определя по формулата: N = 2n2, където n е номерът на нивото, следователно, когато:

n=1 N=2 n=3 N=18

n = 2 N = 8 n = 4 N = 32 и т.н.

В рамките на енергийните нива електроните са подредени в поднива (или подобвивки). Броят им съответства на номера на енергийното ниво, но се характеризират орбитално квантово число l,което определя формата на орбиталата. Приема стойности от 0 до n-1. При

n=1 л= 0 n = 2 л= 0, 1 n = 3 л= 0, 1, 2 n = 4 л= 0, 1, 2, 3

Максималният брой електрони в едно подниво се определя по формулата: 2(2l + 1). За поднива се приемат буквени обозначения:

л = 1, 2, 3, 4

Следователно, ако n = 1, л= 0, подниво s.

n = 2 л= 0, 1, подниво s, p.

Максималният брой електрони в поднивата:

N s = 2 N d = 10

N p = 6 N f = 14 и т.н.

Не може да има повече от този брой електрони на поднива. Формата на електронния облак се определя от стойността л. При
л= 0 (s-орбитала) електронният облак има сферична форма и няма пространствена ориентация.

Фигура 2.

При l = 1 (p-орбитала) електронният облак има формата на дъмбел или формата на "осмица":

Фигура 3

Магнитно квантово число mхарактеризира
разположение на орбиталите в пространството. Може да приема стойностите на всякакви числа от –l до +l, включително 0. Броят на възможните стойности на магнитното квантово число за дадена стойност ле равно на (2 л+ 1). Например:

л= 0 (s-орбитала) m = 0, т.е. S орбиталата има само една позиция в пространството.

л= 1 (p-орбитала) m = -1, 0, +1 (3 стойности).

л= 2 (d-орбитала) m = -2, -1, 0, +1, +2 и т.н.

p и d орбиталите имат съответно 3 и 5 състояния.

Орбиталите p са издължени по координатните оси и се означават с p x , p y , p z -орбитали.

Спиново квантово число s- характеризира въртенето на електрона около собствената си ос по и обратно на часовниковата стрелка. Може да има само две стойности +1/2 и -1/2. Структурата на електронната обвивка на атома е представена чрез електронна формула, която показва разпределението на електроните по енергийни нива и поднива. В тези формули енергийните нива се означават с числата 1, 2, 3, 4 ..., поднивата - с буквите s, p, d, f. Броят на електроните в едно подниво се записва като степен. Например: максималният брой електрони на s 2 , p 6 , d 10 , f 14 .

Електронните формули често се изобразяват графично, които показват разпределението на електроните не само по нива и поднива, но и по орбитали, означени с правоъгълник. Поднивата са разделени на квантови клетки.

Свободна квантова клетка

Клетка с несдвоен електрон

Клетка със сдвоени електрони

Има една квантова клетка на s-подниво.

На p-подниво има 3 квантови клетки.

На d-подниво има 5 квантови клетки.

На f-подниво има 7 квантови клетки.

Определя се разпределението на електроните в атомите принцип на Паулии Правилото на Гунд. Според принципа на Паули: един атом не може да има електрони с еднакви стойности на четирите квантови числа.В съответствие с принципа на Паули в една енергийна клетка може да има един, максимум два електрона с противоположни спинове. Запълването на клетките става съгласно принципа на Хунд, според който електроните първо се намират един по един във всяка отделна клетка, след което, когато всички клетки на дадено подниво са заети, започва сдвояването на електрони.

Последователността на запълване на атомни електронни орбитали се определя от правилата на В. Клечковски в зависимост от сумата (n + л):

първо се попълват онези поднива, за които това количество е по-малко;

за същите стойности на сумата (n + л) първо, поднивото се запълва с по-малка стойност н.

Например:

а) разгледайте запълването на поднива 3d и 4s. Нека дефинираме сумата (n + л):

y 3d(n + л) = 3 + 2 = 5, y 4s (n + л) = 4 + 0 = 4, така че първо се запълва поднивото 4s и след това поднивото 3d.

б) за поднива 3d, 4p, 5s, сумата от стойностите (n + л) = 5. В съответствие с правилото на Клечковски пълненето започва с по-малка стойност на n, т.е. 3d → 4p → 5s. Запълването на енергийните нива и поднивата на атомите с електрони става в следната последователност: валентност n = 2 n = 1

Be има сдвоена двойка електрони в подниво 2s 2. За да се донесе енергия отвън, тази двойка електрони може да бъде разделена и атомът може да бъде направен валентен. В този случай се получава преминаването на електрона от едно подниво на друго подниво. Този процес се нарича възбуждане на електрона.Графичната формула Be във възбудено състояние ще изглежда така:

и валентността е 2.

В състояние на връзка въглероде част от така наречените органични вещества, т.е. много вещества, които се намират в тялото на всяко растение и животно. Той е под формата на въглероден диоксид във водата и въздуха и под формата на соли на въглеродния диоксид и органични остатъци в почвата и масата на земната кора. Разнообразието от вещества, които изграждат тялото на животните и растенията, е известно на всички. Восък и масло, терпентин и смола, памучна хартия и протеини, растителна клетъчна тъкан и животинска мускулна тъкан, винена киселина и нишесте - всички тези и много други вещества, включени в тъканите и соковете на растенията и животните, са въглеродни съединения. Областта на въглеродните съединения е толкова обширна, че представлява специален клон на химията, т.е. химията на въглеродните или, по-добре, въглеводородните съединения.

Тези думи от „Основи на химията“ на Д. И. Менделеев служат като подробен епиграф към нашия разказ за жизненоважния елемент – въглерода. Тук обаче има една теза, която от гледна точка на съвременната наука за материята може да се аргументира, но за това по-долу.

Вероятно пръстите на ръцете ще са достатъчни, за да се преброят химичните елементи, на които не е посветена поне една научна книга. Но независима научно-популярна книга - не някаква брошура на 20 непълни страници с корица от опаковъчна хартия, а доста солиден обем от почти 500 страници - има само един елемент в актива - въглерод.

Като цяло литературата за въглерода е най-богата. Това са, първо, всички книги и статии на органични химици без изключение; второ, почти всичко, свързано с полимери; трето, безброй публикации, свързани с изкопаемите горива; четвърто, значителна част от биомедицинската литература...

Затова няма да се опитваме да прегърнем необятността (не случайно авторите на популярната книга за елемент № 6 го нарекоха „Неизчерпаем“!), а ще се съсредоточим само върху основното от основното - ще се опитаме да видим въглерода от три гледни точки.

Въглеродът е един от малкото елементи„Без семейство, без племе“. Историята на човешкия контакт с това вещество датира от праисторически времена. Името на откривателя на въглерода е неизвестно и също така не е известно коя от формите на елементарен въглерод - диамант или графит - е открита по-рано. И двете се случиха твърде отдавна. Само едно може да се каже със сигурност: преди диаманта и преди графита е открито вещество, което преди няколко десетилетия се смяташе за третата, аморфна форма на елементарния въглерод - въглищата. Но в действителност въгленът, дори въгленът, не е чист въглерод. Съдържа водород, кислород и следи от други елементи. Вярно, те могат да бъдат премахнати, но дори и тогава въглищният въглерод няма да стане независима модификация на елементарния въглерод. Това е установено едва през втората четвърт на нашия век. Структурният анализ показа, че аморфният въглерод по същество е същият графит. Това означава, че не е аморфен, а кристален; само кристалите му са много малки и има повече дефекти по тях. След това те започнаха да вярват, че въглеродът на Земята съществува само в две елементарни форми - под формата на графит и диамант.

Мислили ли сте някога за причините за резкия "вододел" на свойствата, който протича във втория кратък период на периодичната таблица по линията, разделяща въглерода от азота, който го следва? Азотът, кислородът, флуорът са газообразни при нормални условия. Въглеродът - във всякаква форма - е твърдо вещество. Точката на топене на азота е минус 210,5°C, а въглеродът (под формата на графит под налягане над 100 atm) е около плюс 4000°C...

Дмитрий Иванович Менделеев е първият, който предполага, че тази разлика се дължи на полимерната структура на въглеродните молекули. Той написа: "Ако въглеродът образува молекула C 2, като O 2, това ще бъде газ." И по-нататък: „Способността на въглищните атоми да се свързват един с друг и да дават сложни молекули се проявява във всички въглеродни съединения. В нито един от елементите няма такава способност за усложняване, развита до такава степен, както при въглерода. Досега няма основа за определяне на степента на полимеризация на молекула въглища, графит, диамант, само може да се мисли, че те съдържат C p, където n е голяма стойност.

Въглерод и неговите полимери

Това предположение е потвърдено в наше време. И графитът, и диамантът са полимери, съставени от едни и същи въглеродни атоми.

Според уместната забележка на професор Ю.В. Ходаков, „въз основа на естеството на силите, които трябва да бъдат преодолени, професията на резача на диаманти може да се припише на химическите професии“. Наистина, фрезата трябва да преодолее не относително слаби сили на междумолекулно взаимодействие, а силите на химическо свързване, които комбинират въглеродни атоми в диамантена молекула. Всеки диамантен кристал, дори огромен, шестстотин грама Кулинан, е по същество една молекула, молекула на много правилен, почти идеално конструиран, триизмерен полимер.

Графитът е друг въпрос. Тук полимерното подреждане се простира само в две посоки - по равнината, а не в пространството. В парче графит тези равнини образуват доста плътен пакет, чиито слоеве са свързани помежду си не чрез химически сили, а чрез по-слаби сили на междумолекулно взаимодействие. Ето защо е толкова лесно - дори от контакт с хартия - графитът се ексфолира. В същото време е много трудно да се счупи графитна плоча в напречна посока - тук противодейства химическата връзка.

Именно характеристиките на молекулярната структура обясняват огромната разлика в свойствата на графита и диаманта. Графитът е отличен проводник на топлина и електричество, докато диамантът е изолатор. Графитът изобщо не пропуска светлина - диамантът е прозрачен. Без значение как се окислява диамантът, само CO 2 ще бъде продуктът на окислението. И чрез окисляване на графит могат да се получат няколко междинни продукта, ако е необходимо, по-специално графитна (променлив състав) и мелитова C6(COOH)6 киселини. Кислородът, така да се каже, се вклинява между слоевете на графитен пакет и окислява само някои въглеродни атоми. В диамантения кристал няма слаби места и следователно е възможно пълно окисление или пълно неокисление - няма трети начин ...

И така, има "пространствен" полимер от елементарен въглерод, има "равнинен". По принцип отдавна се предполага съществуването на "едномерен" линеен полимер на въглерода, но той не е открит в природата.

Засега не е намерен. Няколко години след синтеза линеен въглероден полимер е открит в метеоритен кратер в Германия. А първите съветски химици В.В.Коршак, А.М.Сладков, В.И.Касаточкин и Ю.П. Кудрявцев. Линейният полимер на въглерода е наречен карбин. Външно изглежда като черен финокристален прах, има полупроводникови свойства и под действието на светлината електрическата проводимост на карабина значително се увеличава. Карабината разкри и напълно неочаквани свойства. Оказа се например, че когато кръвта влезе в контакт с нея, тя не образува съсиреци - кръвни съсиреци, така че влакната, покрити с карбин, започнаха да се използват при производството на изкуствени кръвоносни съдове, които не се отхвърлят от тялото.

Според откривателите на карбина, най-трудно за тях е било да определят с какви връзки въглеродните атоми са свързани във верига. Може да има редуващи се единични и тройни връзки (-C = C-C=C -C=), или може да има само двойни връзки (=C=C=C=C=)... И може да има и двете едновременно . Само няколко години по-късно Коршак и Сладков успяха да докажат, че в карабина няма двойни връзки. Въпреки това, тъй като теорията допускаше съществуването на линеен въглероден полимер само с двойни връзки, беше направен опит да се получи тази разновидност - по същество четвъртата модификация на елементарния въглерод.

Въглерод в минералите

Това вещество е получено в Института по елементоорганични съединения на Академията на науките на СССР. Новият линеен въглероден полимер е наречен поликумулен. И сега са известни най-малко осем линейни полимера на въглерода, които се различават един от друг по структурата на кристалната решетка. В чуждестранната литература всички те се наричат ​​карабини.

Този елемент винаги е четиривалентен, но тъй като е точно в средата на периода, степента му на окисление при различни обстоятелства е или +4, или -4.При реакции с неметали той е електроположителен, с метали - напротив. Дори в случаите, когато връзката не е йонна, а ковалентна, въглеродът остава верен на себе си - формалната му валентност остава равна на четири.

Има много малко съединения, в които въглеродът поне формално проявява валентност, различна от четири. Само едно такова съединение е общоизвестно, CO, въглероден оксид, в който въглеродът изглежда двувалентен. Точно така изглежда, защото в действителност има по-сложен тип връзка. Въглеродните и кислородните атоми са свързани чрез 3-ковалентна поляризирана връзка и структурната формула на това съединение е написана, както следва: O + \u003d C ".

През 1900 г. М. Гомберг получава органичното съединение трифенилметил (C 6 H 5) 3 C. Изглежда, че въглеродният атом тук е тривалентен. Но по-късно се оказа, че този път необичайната валентност е чисто формална. Трифенилметилът и неговите аналози са свободни радикали, но за разлика от повечето радикали, те са доста стабилни.

В исторически план много малко въглеродни съединения са останали "под покрива" на неорганичната химия. Това са въглеродни оксиди, карбиди - неговите съединения с метали, както и бор и силиций, карбонати - соли на най-слабата въглеродна киселина, въглероден дисулфид CS 2, цианидни съединения. Трябва да се утешим с факта, че както често се случва (или се е случвало) в производството, "валът" компенсира недостатъците в номенклатурата. Всъщност най-голямата част от въглерода на земната кора не се съдържа в растителни и животински организми, не във въглища, нефт и всички други органични вещества, взети заедно, а само в две неорганични съединения - варовик CaCO 3 и доломит MgCa (CO 3 ) 2. Въглеродът е част от още няколко десетки минерали, просто си спомнете CaCO 3 мрамор (с добавки), Cu 2 (OH) 2 CO 3 малахит, ZnCO 3 смитсонит, цинков минерал ... Има въглерод както в магмените скали, така и в кристалните шисти.

Минералите, съдържащи карбиди, са много редки. По правило това са вещества с особено дълбок произход; следователно учените приемат, че в ядрото на земното кълбо има въглерод.

За химическата промишленост въглеродът и неговите неорганични съединения представляват значителен интерес - по-често като суровини, по-рядко като структурни материали.

Много устройства в химическата промишленост, като топлообменници, са направени от графит. И това е естествено: графитът има голяма термична и химическа устойчивост и в същото време провежда топлина много добре. Между другото, благодарение на същите свойства, графитът се превърна във важен материал за струйната технология. Кормилата са изработени от графит, работещи директно в пламъка на дюзовия апарат. Практически е невъзможно да се запали графит във въздуха (дори в чист кислород това не е лесно), а за да се изпари графит, е необходима температура, много по-висока от тази, която се развива дори в ракетен двигател. И освен това, при нормално налягане графитът, подобно на гранита, не се топи.

Трудно е да си представим съвременното електрохимично производство без графит. Графитните електроди се използват не само от електрометалурзите, но и от химиците. Достатъчно е да припомним, че в електролизерите, използвани за производство на сода каустик и хлор, анодите са графитни.

Използване на въглерод

Много книги са написани за използването на въглеродни съединения в химическата промишленост. Калциевият карбонат, варовик, служи като суровина при производството на вар, цимент, калциев карбид. Друг минерал - доломитът - е "прародителят" на голяма група доломитни огнеупорни материали. Натриев карбонат и бикарбонат - калцинирана сода и сода за пиене. Един от основните потребители на калцинирана сода е била и остава стъкларската промишленост, която се нуждае от около една трета от световното производство на Na 2 CO 3 .

И накрая, малко за карбидите. Обикновено, когато казват карбид, те имат предвид калциев карбид - източник на ацетилен и следователно многобройни продукти на органичния синтез. Но калциевият карбид, макар и най-известният, в никакъв случай не е единственото много важно и необходимо вещество от тази група. Борният карбид B 4 C е важен материал за атомните

технология, силициевият карбид SiC или карборундът е най-важният абразивен материал. Карбидите на много метали се характеризират с висока химическа устойчивост и изключителна твърдост; карборундът, например, е само малко по-нисък от диаманта. Твърдостта му по скалата на Mooca е 9,5-9,75 (диамант - 10). Но карборундът е по-евтин от диаманта. Получава се в електрически пещи при температура около 2000 ° C от смес от кокс и кварцов пясък.

Според известния съветски учен академик И.Л. Knunyants, органичната химия може да се разглежда като един вид мост, хвърлен от науката от неживата природа към нейната най-висша форма - живота. И само преди век и половина най-добрите химици от онова време сами вярваха и учеха своите последователи, че органичната химия е наука за веществата, образувани с участието и под ръководството на някаква странна „материя“ - жизнена сила. Но скоро тази сила беше изпратена на бунището на естествените науки. Синтезът на няколко органични вещества - урея, оцетна киселина, мазнини, захароподобни вещества - го направи просто ненужен.

Появява се класическата дефиниция на К. Шорлемер, която не губи значението си дори 100 години по-късно: „Органичната химия е химията на въглеводородите и техните производни, т.е. продуктите, образувани, когато водородът се замени с други атоми или групи от атоми.“

И така, органиката е химията дори не на един елемент, а само на един клас съединения на този елемент. Но каква класа! Клас, разделен не само на групи и подгрупи - на самостоятелни науки. Те произлизат от органиката, биохимията, химията на синтетичните полимери, химията на биологично активните и медицински съединения, отделени от органиката...

Вече са известни милиони органични съединения (въглеродни съединения!) и около сто хиляди съединения на всички останали елементи заедно.

Добре известно е, че животът е изграден на въглеродна основа. Но защо точно въглеродът – единадесетият най-разпространен елемент на Земята – се е заел с трудната задача да бъде в основата на целия живот?

Отговорът на този въпрос е двусмислен. Първо, "в нито един от елементите не е развита такава способност за усложняване до такава степен, както при въглерода." На второ място, въглеродът може да се комбинира с повечето елементи и по много различни начини. Трето, връзката между въглеродните атоми, както и с атомите на водорода, кислорода, азота, сярата, фосфора и други елементи, които съставляват органичните вещества, могат да бъдат унищожени под въздействието на природни фактори. Следователно въглеродът непрекъснато циркулира в природата: от атмосферата към растенията, от растенията към животинските организми, от живите към мъртвите,

от мъртвите към живите...

Четирите валенции на въглероден атом са като четири ръце. И ако два такива атома са свързани, тогава вече има шест „рамена“. Или - четири, ако два електрона се изразходват за образуването на двойка (двойна връзка). Или - само две, ако връзката, както при ацетилена, е тройна. Но тези връзки (те се наричат ​​ненаситени) са като бомба в джоба ви или джин в бутилка. За момента те са скрити, но в точния момент се освобождават, за да вземат жертвите си в бурна, хазартна игра на химически взаимодействия и трансформации. Голямо разнообразие от структури се образуват в резултат на тези "игри", ако в тях участва въглерод. Редакторите на "Детска енциклопедия" изчислиха, че от 20 въглеродни атома и 42 водородни атома могат да се получат 366 319 различни въглеводороди, 366 319 вещества със състав C 20 H42. И ако в „играта“ няма шест дузини участници, а няколко хиляди; ако сред тях има представители не на два "отбора", а, да речем, на осем!

Където има въглерод, има разнообразие. Където има въглерод, има и трудности. И най-различни дизайни в молекулярната архитектура. Прости вериги, както в бутан CH3-CH2-CH2-CH3 или полиетилен -CH2-CH2-CH2-CH2-, и разклонени структури, най-простият от тях е изобутанът.

C (carboneum), неметален химичен елемент от група IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) от периодичната таблица на елементите. В природата се среща под формата на диамантени кристали (фиг. 1), графит или фулерен и други форми и е част от органични (въглища, нефт, животински и растителни организми и др.) и неорганични вещества (варовик, сода за хляб и др. .). Въглеродът е широко разпространен, но съдържанието му в земната кора е само 0,19% ( Вижте същоДИАМАНТ; ФУЛЕРЕНИ).

Въглеродът се използва широко под формата на прости вещества. В допълнение към скъпоценните диаманти, които са предмет на бижута, индустриалните диаманти са от голямо значение за производството на шлифовъчни и режещи инструменти. Въглен и други аморфни форми на въглерод се използват за обезцветяване, пречистване, адсорбция на газове, в области на техниката, където се изискват адсорбенти с развита повърхност. Карбидите, съединенията на въглерода с метали, както и с бор и силиций (например Al 4 C 3, SiC, B 4 C) се характеризират с висока твърдост и се използват за производство на абразивни и режещи инструменти. Въглеродът присъства в стоманите и сплавите в елементарно състояние и под формата на карбиди. Насищането на повърхността на стоманените отливки с въглерод при висока температура (циментиране) значително повишава повърхностната твърдост и устойчивост на износване. Вижте същоСПЛАВИ.

В природата има много различни форми на графит; някои са получени изкуствено; налични са аморфни форми (напр. кокс и въглен). При изгаряне на въглеводороди в отсъствието на кислород се образуват сажди, костен въглен, лампова черна, ацетиленова черна. Т.нар бял въглеродполучени чрез сублимация на пиролитичен графит при понижено налягане, това са най-малките прозрачни кристали от графитни листа със заострени ръбове.

Суняев З.И. Петролен въглерод. М., 1980
Химия на хиперкоординирания въглерод. М., 1990

Намерете "CARBON" на