Как изглежда въглеродът в чист вид. Въглерод и неговите съединения

Въглеродът е способен да образува няколко алотропни модификации. Това са диамант (най-инертната алотропна модификация), графит, фулерен и карбин.

Въгленът и саждите са аморфен въглерод. Въглеродът в това състояние няма подредена структура и всъщност се състои от малки фрагменти от графитни слоеве. Аморфният въглен, обработен с гореща водна пара, се нарича активен въглен. 1 грам активен въглен, поради наличието на много пори в него, има обща повърхност от повече от триста квадратни метра! Благодарение на способността си да абсорбира различни вещества, активният въглен се използва широко като филтърен пълнител, както и като ентеросорбент при различни видове отравяния.

От химическа гледна точка аморфният въглерод е най-активната му форма, графитът проявява умерена активност, а диамантът е изключително инертно вещество. Поради тази причина химичните свойства на въглерода, обсъдени по-долу, трябва да се припишат предимно на аморфния въглерод.

Редуциращи свойства на въглерода

Като редуциращ агент въглеродът реагира с неметали като кислород, халогени и сяра.

В зависимост от излишъка или липсата на кислород по време на изгарянето на въглища е възможно образуването на въглероден оксид CO или въглероден диоксид CO 2:

Когато въглеродът реагира с флуор, се образува въглероден тетрафлуорид:

Когато въглеродът се нагрява със сяра, се образува въглероден дисулфид CS 2:

Въглеродът е способен да редуцира металите след алуминий в серията активност от техните оксиди. Например:

Въглеродът също реагира с оксиди на активни метали, но в този случай, като правило, не се наблюдава редукция на метала, а образуването на неговия карбид:

Взаимодействие на въглерод с неметални оксиди

Въглеродът влиза в реакция на копропорциониране с въглероден диоксид CO 2:

Един от най-важните процеси от индустриална гледна точка е т.нар преобразуване на парни въглища. Процесът се осъществява чрез преминаване на водна пара през горещи въглища. Получава се следната реакция:

При високи температури въглеродът е способен да редуцира дори такова инертно съединение като силициевия диоксид. В този случай, в зависимост от условията, е възможно образуването на силиций или силициев карбид ( карборунд):

Освен това въглеродът като редуциращ агент реагира с окислителни киселини, по-специално концентрирана сярна и азотна киселина:

Окислителни свойства на въглерода

Химическият елемент въглерод не е силно електроотрицателен, така че простите вещества, които образува, рядко проявяват окислителни свойства спрямо други неметали.

Пример за такива реакции е взаимодействието на аморфен въглерод с водород при нагряване в присъствието на катализатор:

а също и със силиций при температура 1200-1300 o C:

Въглеродът проявява окислителни свойства по отношение на металите. Въглеродът е способен да реагира с активни метали и някои метали с междинна активност. При нагряване възникват реакции:

Активните метални карбиди се хидролизират с вода: както и разтвори на неокисляващи киселини: В този случай се образуват въглеводороди, съдържащи въглерод в същата степен на окисление, както в оригиналния карбид.

Химични свойства на силиция

Силицият може да съществува, подобно на въглерода, в кристално и аморфно състояние и, както в случая с въглерода, аморфният силиций е значително по-химически активен от кристалния силиций.

Понякога аморфният и кристалният силиций се наричат ​​алотропни модификации, което, строго погледнато, не е съвсем вярно. Аморфният силиций по същество е конгломерат от малки частици кристален силиций, произволно разположени една спрямо друга.

Взаимодействие на силиций с прости вещества

неметали

При нормални условия силицийът, поради своята инертност, реагира само с флуор:

Силицият реагира с хлор, бром и йод само при нагряване. Характерно е, че в зависимост от активността на халогена е необходима съответно различна температура:

Така че с хлор реакцията протича при 340-420 o C:

С бром – 620-700 o C:

С йод – 750-810 o C:

Реакцията на силиций с кислород протича, но изисква много силно нагряване (1200-1300 o C) поради факта, че силният оксиден филм затруднява взаимодействието:

При температура 1200-1500 o C силицият бавно взаимодейства с въглерода под формата на графит, за да образува карборунд SiC - вещество с атомна кристална решетка, подобна на диаманта и почти не по-ниска от него по сила:

Силицият не реагира с водород.

метали

Поради ниската си електроотрицателност, силицият може да проявява окислителни свойства само спрямо металите. От металите силицият реагира с активни (алкални и алкалоземни) метали, както и с много метали с междинна активност. В резултат на това взаимодействие се образуват силициди:

Взаимодействие на силиций със сложни вещества

Силицият не реагира с вода дори при кипене, но аморфният силиций взаимодейства с прегрята водна пара при температура около 400-500 o C. В този случай се образуват водород и силициев диоксид:

От всички киселини силицият (в аморфно състояние) реагира само с концентрирана флуороводородна киселина:

Силицият се разтваря в концентрирани алкални разтвори. Реакцията е придружена от отделяне на водород.

(първи електрон)

въглерод(химичен символ C) химичен елемент от 4-та група на главната подгрупа на 2-ри период на периодичната система на Менделеев, пореден номер 6, атомна маса на естествена смес от изотопи 12,0107 g/mol.

История

въглеродпод формата на въглен се използва в древността за топене на метали. Алотропните модификации на въглерода - диамант и графит - са известни отдавна. Елементарната природа на въглерода е установена от А. Лавоазие в края на 1780-те години.

произход на името

Международно наименование: carbō - въглища.

Физични свойства

Въглеродът съществува в различни алотропи с много различни физични свойства. Разнообразието от модификации се дължи на способността на въглерода да образува различни видове химични връзки.

Въглеродни изотопи

Естественият въглерод се състои от два стабилни изотопа - 12 C (98,892%) и 13 C (1,108%) и един радиоактивен изотоп 14 C (β-излъчвател, T ½ = 5730 години), концентриран в атмосферата и горната част на земната кора . Постоянно се образува в долните слоеве на стратосферата в резултат на въздействието на неутрони от космическата радиация върху азотните ядра по реакцията: 14 N (n, p) 14 C, а също така от средата на 50-те години на миналия век, като създаден от човека продукт на атомни електроцентрали и в резултат на тестване на водородни бомби .

Радиовъглеродният метод за датиране, широко използван в кватернерната геология и археология, се основава на образуването и разпадането на 14 C.

Алотропни модификации на въглерода

Схеми на структурата на различни модификации на въглерод
а: диамант, b: графит, ° С: лонсдейлит
д: фулерен—бъкибол C 60, д: фулерен C 540, f: фулерен C 70
ж: аморфен въглерод, ч: въглеродна нанотръба

Алотропия на въглерода

лонсдейлит

фулерени

въглеродни нанотръби

аморфен въглерод

Сажди от въглища

Електронните орбитали на въглероден атом могат да имат различни геометрии в зависимост от степента на хибридизация на неговите електронни орбитали. Има три основни геометрии на въглеродния атом.

Тетраедър -се образува чрез смесване на един s- и три p-електрона (sp 3 хибридизация). Въглеродният атом е разположен в центъра на тетраедъра, свързан чрез четири еквивалентни σ-връзки с въглерод или други атоми във върховете на тетраедъра. Въглеродните алотропни модификации диамант и лонсдейлит съответстват на тази геометрия на въглеродния атом. Въглеродът проявява такава хибридизация, например в метан и други въглеводороди.

триъгълник -се образува чрез смесване на една s- и две p-електронни орбитали (sp²-хибридизация). Въглеродният атом има три еквивалентни σ връзки, разположени в една и съща равнина под ъгъл 120° една спрямо друга. Р-орбиталата, която не участва в хибридизацията, разположена перпендикулярно на равнината на σ връзките, се използва за образуване на π връзка с други атоми. Тази въглеродна геометрия е характерна за графит, фенол и др.

дигонал -се образува чрез смесване на един s- и един p-електрон (sp-хибридизация). В този случай два електронни облака са удължени в една посока и приличат на асиметрични дъмбели. Другите два p електрона образуват π връзка. Въглеродът с тази атомна геометрия образува специална алотропна модификация - карбин.

Графит и диамант

Основните и добре проучени кристални модификации на въглерода са диамант и графит. При нормални условия само графитът е термодинамично стабилен, докато диамантът и други форми са метастабилни. При атмосферно налягане и температури над 1200 К Калмаз започва да се трансформира в графит; над 2100 К трансформацията става за секунди. ΔН 0 преход—1,898 kJ/mol. При нормално налягане въглеродът сублимира при 3780 K. Течният въглерод съществува само при определено външно налягане. Тройни точки: графит-течност-пара T = 4130 K, p = 10,7 MPa. Директният преход на графит към диамант става при 3000 K и налягане 11-12 GPa.

При налягане над 60 GPa се предполага образуването на много плътна модификация C III (плътност с 15–20% по-висока от плътността на диаманта), която има метална проводимост. При високи налягания и сравнително ниски температури (около 1200 K) се образува хексагонална модификация на въглерода с кристална решетка тип вюрцит - лонсдейлит (a = 0,252 nm, c = 0,412 nm, пространствена група P6 3 /tts), плътност 3,51 от силно ориентиран графит g/cm³, тоест същото като това на диаманта. Лонсдейлитът се намира и в метеорити.

Ултрадисперсни диаманти (нанодиаманти)

През 1980-те години В СССР беше открито, че при условия на динамично натоварване на въглеродсъдържащи материали могат да се образуват диамантени структури, наречени ултрафини диаманти (UDD). В момента терминът „нанодиаманти“ се използва все по-често. Размерът на частиците в такива материали е няколко нанометра. Условията за образуване на UDD могат да се реализират по време на детонацията на експлозиви със значителен отрицателен кислороден баланс, например смеси от TNT с хексоген. Такива условия могат да се реализират и при удари на небесни тела върху повърхността на Земята в присъствието на въглеродсъдържащи материали (органични вещества, торф, въглища и др.). Така в зоната на падане на Тунгуския метеорит бяха открити UDAs в горската почва.

Карбин

Кристалната модификация на въглерода на хексагоналната система с верижна структура от молекули се нарича карбин. Веригите имат или полиенова структура (—C≡C—), или поликумуленова структура (=C=C=). Известни са няколко форми на карбин, които се различават по броя на атомите в елементарната клетка, размерите на клетката и плътността (2,68-3,30 g/cm³). Карбинът се среща в природата под формата на минерала хаоит (бели вени и включвания в графит) и се получава изкуствено чрез окислителна дехидрополикондензация на ацетилен, действието на лазерно лъчение върху графит, от въглеводороди или CCl 4 в нискотемпературна плазма.

Карбинът е финокристален черен прах (плътност 1,9-2 g/cm³) и има полупроводникови свойства. Получава се при изкуствени условия от дълги вериги от атоми въглерод, положени успоредно една на друга.

Карбинът е линеен полимер от въглерод. В молекулата на карбина въглеродните атоми са свързани във вериги последователно чрез тройни и единични връзки (полиенова структура) или постоянно чрез двойни връзки (поликумуленова структура). Това вещество е получено за първи път от съветските химици В. В. Коршак, А. М. Сладков, В. И. Касаточкин и Ю. П. Кудрявцев в началото на 60-те години. V Институт по елементоорганични съединения на Академията на науките на СССР.Карбинът има полупроводникови свойства и под въздействието на светлината неговата проводимост се увеличава значително. Първото практическо приложение се основава на това свойство – във фотоклетките.

Фулерени и въглеродни нанотръби

Въглеродът е известен и под формата на клъстерни частици C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 и други подобни (фулерени), както и графени и нанотръби.

Аморфен въглерод

Структурата на аморфния въглерод се основава на неподредената структура на монокристален (винаги съдържа примеси) графит. Това са кокс, кафяви и черни въглища, сажди, сажди, активен въглен.

Да бъдеш сред природата

Съдържанието на въглерод в земната кора е 0,1% от масата. Свободният въглерод се намира в природата под формата на диамант и графит. По-голямата част от въглерода е под формата на естествени карбонати (варовици и доломити), изкопаеми горива - антрацит (94-97% C), кафяви въглища (64-80% C), битуминозни въглища (76-95% C), нефт шисти (56-78% C), нефт (82-87% C), запалими природни газове (до 99% метан), торф (53-56% C), както и битум и др. В атмосферата и хидросферата намира се под формата на въглероден диоксид CO 2 , във въздуха има 0,046% CO 2 по маса, във водите на реки, морета и океани е ~60 пъти повече. Въглеродът влиза в състава на растенията и животните (~18%).
Човешкото тяло приема въглерод чрез храната (обикновено около 300 g на ден). Общото съдържание на въглерод в човешкото тяло достига около 21% (15 kg на 70 kg телесно тегло). Въглеродът съставлява 2/3 от мускулната маса и 1/3 от костната маса. Екскретира се от тялото предимно чрез издишвания въздух (въглероден диоксид) и урина (урея).
Въглеродният цикъл в природата включва биологичния цикъл, отделянето на CO 2 в атмосферата по време на изгарянето на изкопаеми горива, от вулканични газове, горещи минерални извори, от повърхностните слоеве на океанските води и др. Биологичният цикъл се състои от факта, че че въглеродът под формата на CO 2 се абсорбира от тропосферата от растенията. След това от биосферата се връща отново в геосферата: с растенията въглеродът навлиза в тялото на животните и хората, а след това, когато животинските и растителните материали изгният, в почвата и под формата на CO 2 в атмосферата.

В парообразно състояние и под формата на съединения с азот и водород въглеродът се намира в атмосферата на Слънцето, планетите, намира се в каменни и железни метеорити.

Повечето въглеродни съединения и преди всичко въглеводородите имат подчертан характер на ковалентни съединения. Силата на простите, двойните и тройните връзки на С атомите един с друг, способността да се образуват стабилни вериги и цикли от С атоми определят съществуването на огромен брой въглеродсъдържащи съединения, изучавани в органичната химия.

Химични свойства

При обикновени температури въглеродът е химически инертен; при достатъчно високи температури той се свързва с много елементи и проявява силни редуциращи свойства. Химическата активност на различните форми на въглерода намалява в следния ред: аморфен въглерод, графит, диамант; във въздуха те се възпламеняват съответно при температури над 300–500 °C, 600–700 °C и 850–1000 °C.

Степени на окисление +4, −4, рядко +2 (CO, метални карбиди), +3 (C2N2, халогенианиди); електронен афинитет 1.27 eV; Енергията на йонизация по време на последователния преход от C 0 към C 4+ е съответно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 eV.

Неорганични съединения

Въглеродът реагира с много елементи, за да образува карбиди.

Продуктите на горенето са въглероден оксид CO и въглероден диоксид CO 2. Известен е и нестабилният оксид C 3 O 2 (точка на топене -111 ° C, точка на кипене 7 ° C) и някои други оксиди. Графитът и аморфният въглерод започват да реагират с Н2 при 1200°C, съответно с F2 при 900°C.

CO 2 с вода образува слаба въглена киселина - H 2 CO 3, която образува соли - Карбонати. Най-разпространените карбонати на Земята са калциевите (креда, мрамор, калцит, варовик и други минерали) и магнезиевите (доломити).

Графитът с халогени, алкални метали и други вещества образува съединения на включване. При преминаване на електрически разряд между въглеродни електроди в N2 среда се образува цианоген; при високи температури взаимодействието на въглерод със смес от H2 и N2 произвежда циановодородна киселина. Със сярата въглеродът произвежда въглероден дисулфид CS 2, CS и C 3 S 2 също са известни. Въглеродът образува карбиди с повечето метали, бор и силиций. Реакцията на въглерод с водна пара е важна в промишлеността: C + H 2 O = CO + H 2 (Газификация на твърди горива). При нагряване въглеродът редуцира металните оксиди до метали, което се използва широко в металургията.

Органични съединения

Поради способността на въглерода да образува полимерни вериги, съществува огромен клас съединения на базата на въглерод, които са много по-големи от неорганичните и които се изучават в органичната химия. Сред тях са най-обширните групи: въглеводороди, протеини, мазнини и др.

Въглеродните съединения формират основата на земния живот и техните свойства до голяма степен определят диапазона от условия, при които могат да съществуват такива форми на живот. По броя на атомите в живите клетки делът на въглерода е около 25%, а по масова част е около 18%.

Приложение

Графитът се използва в производството на моливи. Използва се и като смазка при особено високи или ниски температури.

Диамантът, поради изключителната си твърдост, е незаменим абразивен материал. Шлифовъчните приставки на бормашините са покрити с диамант. Освен това шлифованите диаманти се използват като скъпоценни камъни в бижутата. Поради своята рядкост, високи декоративни качества и комбинация от исторически обстоятелства, диамантът неизменно е най-скъпият скъпоценен камък. Изключително високата топлопроводимост на диаманта (до 2000 W/mK) го прави обещаващ материал за полупроводниковата технология като субстрати за процесори. Но относително високата цена (около $50/грам) и трудността при обработката на диаманта ограничават използването му в тази област.
Във фармакологията и медицината се използват широко различни въглеродни съединения - производни на въглеродна киселина и карбоксилни киселини, различни хетероцикли, полимери и други съединения. Така карболенът (активен въглен) се използва за абсорбиране и отстраняване на различни токсини от тялото; графит (под формата на мехлеми) - за лечение на кожни заболявания; радиоактивни въглеродни изотопи—за научни изследвания (радиовъглеродно датиране).

Въглеродът играе огромна роля в човешкия живот. Приложенията му са толкова разнообразни, колкото и самият многостранен елемент.

Въглеродът е в основата на всички органични вещества. Всеки жив организъм се състои предимно от въглерод. Въглеродът е основата на живота. Източникът на въглерод за живите организми обикновено е CO 2 от атмосферата или водата. Чрез фотосинтезата той навлиза в биологични хранителни вериги, в които живите същества се поглъщат едно друго или останките си и по този начин получават въглерод, за да изградят собствените си тела. Биологичният цикъл на въглерода завършва или чрез окисляване и връщане в атмосферата, или чрез погребване под формата на въглища или нефт.

Въглеродът под формата на изкопаеми горива: въглища и въглеводороди (нефт, природен газ) е един от най-важните източници на енергия за човечеството.

Токсичен ефект

Въглеродът е част от атмосферните аерозоли, в резултат на което регионалният климат може да се промени и броят на слънчевите дни може да намалее. Въглеродът навлиза в околната среда под формата на сажди в отработените газове на превозните средства, по време на изгарянето на въглища в топлоелектрически централи, по време на открит добив на въглища, подземна газификация, производство на въглищни концентрати и др. Концентрацията на въглерод над източниците на горене е 100-400 µg/m³, в големите градове 2, 4-15,9 µg/m³, селските райони 0,5-0,8 µg/m³. С газови аерозолни емисии от атомни електроцентрали, (6-15).10 9 Bq/ден 14 CO 2 навлиза в атмосферата.

Високото съдържание на въглерод в атмосферните аерозоли води до повишена заболеваемост сред населението, особено на горните дихателни пътища и белите дробове. Професионални заболявания - предимно антракоза и прахов бронхит. Във въздуха на работната зона, MPC, mg/m³: диамант 8,0, антрацит и кокс 6,0, въглища 10,0, сажди и въглероден прах 4,0; в атмосферния въздух максималната еднократна е 0,15, среднодневната е 0,05 mg/m³.

Токсичният ефект на 14 C, който е включен в протеиновите молекули (особено в ДНК и РНК), се определя от радиационния ефект на бета-частиците и азотните ядра на откат (14 C (β) → 14 N) и ефекта на трансмутация - a промяна в химичния състав на молекулата в резултат на трансформацията на атом С на атом N. Допустима концентрация на 14 С във въздуха на работната зона DK A 1,3 Bq/l, в атмосферния въздух DK B 4,4 Bq/ l, във вода 3.0.10 4 Bq/l, максимално допустим прием през дихателната система 3 ,2.10 8 Bq/год.

Допълнителна информация

— въглеродни съединения
— Радиовъглеродно датиране
— Ортокарбоксилна киселина

Алотропни форми на въглерода:

Диамант
Графен
Графит
Карбин
Лонсдейлит
Въглеродни нанотръби
Фулерени

Аморфни форми:

сажди
Карбоново черно
Въглища

Въглеродни изотопи:

Нестабилен (по-малко от ден): 8C: въглерод-8, 9C: въглерод-9, 10C: въглерод-10, 11C: въглерод-11
Стабилен: 12C: въглерод-12, 13C: въглерод-13
10–10 000 години: 14C: въглерод-14
Нестабилен (по-малко от 24 часа): 15C: въглерод-15, 16C: въглерод-16, 17C: въглерод-17, 18C: въглерод-18, 19C: въглерод-19, 20C: въглерод-20, 21C: въглерод-21, 22C: въглерод-22

Нуклидна таблица

Въглерод, Карбонеум, С (6)
Въглеродът (английски Carbon, френски Carbone, немски Kohlenstoff) под формата на въглища, сажди и сажди е познат на човечеството от незапомнени времена; преди около 100 хиляди години, когато нашите предци са владеели огъня, те са се занимавали с въглища и сажди всеки ден. Вероятно много рано хората са се запознали с алотропните модификации на въглерода - диамант и графит, както и изкопаемите въглища. Не е изненадващо, че изгарянето на вещества, съдържащи въглерод, е един от първите химични процеси, които интересуват човека. Тъй като горящото вещество изчезва, когато се погълне от огън, горенето се счита за процес на разлагане на веществото и следователно въглищата (или въглеродът) не се считат за елемент. Елементът беше огънят, явление, което придружава горенето; В древните учения за елементите огънят обикновено се появява като един от елементите. В началото на XVII - XVIII век. Възниква теорията за флогистона, предложена от Бехер и Стал. Тази теория признава наличието във всяко горимо тяло на специално елементарно вещество - безтегловна течност - флогистон, която се изпарява по време на процеса на горене.

Когато се изгори голямо количество въглища, остава само малко пепел; флогистиката смята, че въглищата са почти чист флогистон. Това е, което обяснява, по-специално, "флогистичния" ефект на въглищата - способността му да възстановява метали от "вар" и руди. По-късните флогистици, Реомюр, Бергман и други, вече започват да разбират, че въглищата са елементарно вещество. „Чистите въглища“ обаче са признати за първи път от Лавоазие, който изучава процеса на изгаряне на въглища и други вещества във въздух и кислород. В книгата „Метод на химическата номенклатура“ на Гитон дьо Морво, Лавоазие, Бертоле и Фуркроа (1787 г.) се появява името „въглерод“ (carbone) вместо френското „чисти въглища“ (charbone pur). Под същото име въглеродът се появява в „Таблицата на простите тела“ в „Елементарния учебник по химия“ на Лавоазие. През 1791 г. английският химик Тенант е първият, който получава свободен въглерод; той прекарва фосфорни пари върху калцинирана креда, което води до образуването на калциев фосфат и въглерод. Отдавна е известно, че при силно нагряване диамантът гори, без да оставя следи. Още през 1751 г. френският крал Франциск I се съгласява да даде диамант и рубин за експерименти с изгаряне, след което тези експерименти дори стават модерни. Оказа се, че само диамантът гори, а рубинът (алуминиев оксид с примес на хром) може да издържи продължително нагряване във фокуса на лещата за запалване без повреда. Лавоазие проведе нов експеримент за изгаряне на диаманти с помощта на голяма запалителна машина и стигна до заключението, че диамантът е кристален въглерод. Вторият алотроп на въглерода - графитът в алхимичния период се счита за модифициран оловен блясък и се нарича plumbago; Едва през 1740 г. Пот открива липсата на оловни примеси в графита. Шееле изучава графита (1779) и като флогистик го смята за специален вид сярно тяло, специален минерален въглен, съдържащ свързана „въздушна киселина“ (CO2) и голямо количество флогистон.

Двадесет години по-късно Guiton de Morveau превръща диаманта в графит и след това във въглена киселина чрез внимателно нагряване.

Международното име Carboneum идва от лат. карбо (въглища). Тази дума има много древен произход. Сравнява се с cremare – изгарям; корен sag, cal, руски гар, гал, гол, санскрит sta означава варя, готвя. Думата "карбо" също се свързва с имената на въглерод в други европейски езици (въглерод, карбон и др.). Немското Kohlenstoff идва от Kohle - въглища (старонемски kolo, шведски kylla - загрявам). Староруският угорати, или угарати (да горя, изгарям) има корена гар, или планини, с възможен преход към гол; въглища в староруски югал или въглища от същия произход. Думата диамант (Diamante) произлиза от старогръцки - неразрушим, непреклонен, твърд, а графит от гръцки - пиша.

В началото на 19в. старата дума въглища в руската химическа литература понякога се заменя с думата „карбонат“ (Scherer, 1807; Severgin, 1815); От 1824 г. Соловьов въвежда името въглерод.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

въглерод- шестият елемент на периодичната система. Обозначение - C от латинското "carboneum". Намира се във втори период, група IVA. Отнася се за неметали. Ядреният заряд е 6.

Въглеродът се среща в природата както в свободно състояние, така и под формата на множество съединения. Свободният въглерод се среща под формата на диамант и графит. В допълнение към изкопаемите въглища, в дълбините на Земята има големи натрупвания на нефт. Солите на въглеродната киселина, особено калциевият карбонат, се намират в огромни количества в земната кора. Във въздуха винаги има въглероден диоксид. И накрая, растителните и животинските организми се състоят от вещества, в образуването на които участва въглеродът. По този начин този елемент е един от най-често срещаните на Земята, въпреки че общото му съдържание в земната кора е само около 0,1% (тегл.).

Атомна и молекулна маса на въглерода

Относителната молекулна маса на дадено вещество (M r) е число, показващо колко пъти масата на дадена молекула е по-голяма от 1/12 масата на въглероден атом, а относителната атомна маса на елемент (A r) е колко пъти средната маса на атомите на даден химичен елемент е по-голяма от 1/12 маса на въглероден атом.

Тъй като въглеродът в свободно състояние съществува под формата на моноатомни молекули С, стойностите на неговите атомни и молекулни маси съвпадат. Те са равни на 12,0064.

Алотропия и алотропни модификации на въглерода

В свободно състояние въглеродът съществува под формата на диамант, който кристализира в кубична и хексагонална (лонсдейлит) система, и графит, който принадлежи към хексагоналната система (фиг. 1). Форми на въглерод като въглен, кокс или сажди имат нарушена структура. Съществуват и синтетично получени алотропни модификации - това са карбин и поликумулен - разновидности на въглерода, изградени от полимери с линейна верига от типа -C= C- или = C = C=.

Ориз. 1. Алотропни модификации на въглерода.

Известни са и алотропни модификации на въглерода, които имат следните имена: графен, фулерен, нанотръби, нановлакна, астрален, стъклен въглерод, колосални нанотръби; аморфен въглерод, въглеродни нанопъпки и въглеродна нанопяна.

Въглеродни изотопи

В природата въглеродът съществува под формата на два стабилни изотопа 12 C (98,98%) и 13 C (1,07%). Техните масови числа са съответно 12 и 13. Ядрото на атома на въглеродния изотоп 12 C съдържа шест протона и шест неутрона, а изотопът 13 C съдържа същия брой протони и пет неутрона.

Има един изкуствен (радиоактивен) изотоп на въглерода, 14 C, с период на полуразпад от 5730 години.

Въглеродни йони

Външното енергийно ниво на въглеродния атом има четири електрона, които са валентни електрони:

1s 2 2s 2 2p 2 .

В резултат на химично взаимодействие въглеродът може да загуби своите валентни електрони, т.е. бъде техен донор, и се превръщат в положително заредени йони или приемат електрони от друг атом, т.е. да бъде техен акцептор и да се превърне в отрицателно заредени йони:

C 0 -2e → C 2+ ;

C 0 -4e → C 4+ ;

C 0 +4e → C 4- .

Молекула и въглероден атом

В свободно състояние въглеродът съществува под формата на едноатомни молекули C. Ето някои свойства, характеризиращи въглеродния атом и молекула:

Въглеродни сплави

Най-известните въглеродни сплави в света са стоманата и чугунът. Стоманата е сплав от желязо и въглерод, чието въглеродно съдържание не надвишава 2%. В чугуна (също сплав от желязо и въглерод) съдържанието на въглерод е по-високо - от 2 до 4%.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение	Какъв обем въглероден оксид (IV) ще се отдели (n.s.) при изгаряне на 500 g варовик, съдържащ 0,1 масова част от примесите.
Решение	Нека напишем уравнението на реакцията за изпичане на варовик: CaCO 3 = CaO + CO 2 -. Нека намерим маса от чист варовик. За да направим това, първо определяме неговата масова част без примеси: w чист (CaCO 3) = 1 - w примес = 1 - 0,1 = 0,9. m прозрачен (CaCO 3) = m (CaCO 3) × w прозрачен (CaCO 3); m чист (CaCO 3) = 500 × 0,9 = 450 g. Нека изчислим количеството варовиково вещество: n(CaCO 3) = m прозрачен (CaCO 3) / M(CaCO 3); n(CaCO3) = 450 / 100 = 4,5 mol. Според уравнението на реакцията n(CaCO 3) :n(CO 2) = 1:1, това означава n(CaCO 3) = n(CO 2) = 4,5 mol. Тогава обемът на отделения въглероден окис (IV) ще бъде равен на: V(CO 2) = n(CO 2) × V m; V(CO 2 ) = 4,5 × 22,4 = 100,8 l.
Отговор	100.8 л

ПРИМЕР 2

Упражнение	Колко разтвор, съдържащ 0,05 масови части или 5% хлороводород, е необходим за неутрализиране на 11,2 g калциев карбонат?
Решение	Нека напишем уравнението за реакцията на неутрализация на калциев карбонат с хлороводород: CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2 -. Нека намерим количеството калциев карбонат: M(CaCO 3) = A r (Ca) + A r (C) + 3×A r (O); M(CaCO 3) = 40 + 12 + 3×16 = 52 + 48 = 100 g/mol. n(CaCO3) = m(CaCO3) / M(CaCO3); n(CaCO3) = 11,2 / 100 = 0,112 mol. Съгласно уравнението на реакцията n(CaCO 3) :n(HCl) = 1:2, което означава n(HCl) = 2 × n (CaCO 3) = 2 × 0,224 mol. Нека определим масата на хлороводорода, съдържащ се в разтвора: M(HCl) = Ar (H) + Ar (Cl) = 1 + 35,5 = 36,5 g/mol. m(HCl) = n(HCl) × M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 g. Нека изчислим масата на разтвора на хлороводород: m разтвор (HCl) = m(HCl)× 100 / w(HCl); m разтвор (HCl) = 8,176 × 100 / 5 = 163,52 g.
Отговор	163.52 g

КАРБОН
СЪС (карбонеум), неметален химичен елемент от подгрупа IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) на периодичната система от елементи. 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 бикарбонат, и т.н.). Въглеродът е широко разпространен, но съдържанието му в земната кора е само 0,19% (виж също ДИАМАНТ; 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 газ и в области на технологията, където се изискват адсорбенти с развита повърхност. Карбидите, съединенията на въглерод с метали, както и с бор и силиций (например Al4C3, SiC, B4C) се характеризират с висока твърдост и се използват за производството на абразивни и режещи инструменти. Въглеродът е част от стоманите и сплавите в елементарно състояние и под формата на карбиди. Насищането на повърхността на стоманените отливки с въглерод при високи температури (циментиране) значително повишава повърхностната твърдост и устойчивост на износване.
Вижте също СПЛАВИ. В природата има много различни форми на графит; някои са получени изкуствено; Има аморфни форми (например кокс и въглен). При изгаряне на въглеводороди в отсъствието на кислород се образуват сажди, костен овъглен, лампова черна и ацетиленова черна. Така нареченият бял въглен се получава чрез сублимация на пиролитичен графит при понижено налягане - това са малки прозрачни кристали от графитни листа със заострени ръбове.
Историческа справка.Графит, диамант и аморфен въглерод са известни от древността. Отдавна е известно, че графитът може да се използва за маркиране на други материали, а самото име „графит“, което идва от гръцката дума, означаваща „да пиша“, е предложено от А. Вернер през 1789 г. Въпреки това, историята на графита е сложен; вещества с подобни външни физични свойства често се бъркат с него, като молибденит (молибденов сулфид), по едно време смятан за графит. Други имена за графит включват "черно олово", "карбидно желязо" и "сребърно олово". През 1779 г. К. Шееле установява, че графитът може да се окисли с въздух, за да се образува въглероден диоксид. Диамантите за първи път намират употреба в Индия, а в Бразилия скъпоценните камъни стават търговски важни през 1725 г.; находища в Южна Африка са открити през 1867 г. През 20в. Основните производители на диаманти са Южна Африка, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сиера Леоне, Танзания и Русия. Изкуствените диаманти, чиято технология е създадена през 1970 г., се произвеждат за промишлени цели.
Алотропия.Ако структурните единици на дадено вещество (атоми за едноатомни елементи или молекули за многоатомни елементи и съединения) могат да се комбинират помежду си в повече от една кристална форма, това явление се нарича алотропия. Въглеродът има три алотропни модификации - диамант, графит и фулерен. В диаманта всеки въглероден атом има 4 тетраедрално разположени съседи, образуващи кубична структура (фиг. 1а). Тази структура съответства на максималната ковалентност на връзката и всичките 4 електрона на всеки въглероден атом образуват високоякостни C-C връзки, т.е. В структурата няма електрони на проводимост. Следователно диамантът се характеризира с липса на проводимост, ниска топлопроводимост и висока твърдост; това е най-твърдото известно вещество (фиг. 2). Разкъсването на C-C връзката (дължина на връзката 1,54, следователно ковалентният радиус 1,54/2 = 0,77) в тетраедрична структура изисква много енергия, така че диамантът, заедно с изключителна твърдост, се характеризира с висока точка на топене (3550° C).

Друга алотропна форма на въглерода е графитът, който има много различни свойства от диаманта. Графитът е меко черно вещество, съставено от лесно ексфолиращи се кристали, характеризиращо се с добра електропроводимост (електрическо съпротивление 0,0014 Ohm*cm). Поради това графитът се използва в дъгови лампи и пещи (фиг. 3), в които е необходимо да се създадат високи температури. Графитът с висока чистота се използва в ядрените реактори като модератор на неутрони. Неговата точка на топене при повишено налягане е 3527° C. При нормално налягане графитът сублимира (превръща се от твърдо в газообразно) при 3780° C.

Структурата на графита (фиг. 1b) е система от кондензирани шестоъгълни пръстени с дължина на връзката 1,42 (много по-къса, отколкото в диаманта), но всеки въглероден атом има три (а не четири, както в диаманта) ковалентни връзки с три съседни , а четвъртата връзка (3,4) е твърде дълга за ковалентна връзка и слабо свързва паралелни графитни слоеве един с друг. Това е четвъртият електрон на въглерода, който определя термичната и електрическата проводимост на графита - тази по-дълга и по-малко силна връзка формира по-малката компактност на графита, което се отразява в по-ниската му твърдост в сравнение с диаманта (плътност на графита 2,26 g/cm3, диамант - 3,51 g/cm3 cm3). По същата причина графитът е хлъзгав на допир и лесно отделя люспи от веществото, поради което се използва за направата на лубрикант и глифи за моливи. Оловният блясък на оловото се дължи главно на наличието на графит. Въглеродните влакна имат висока якост и могат да се използват за производство на коприна или други прежди с високо съдържание на въглерод. При високо налягане и температура в присъствието на катализатор като желязо, графитът може да се трансформира в диамант. Този процес се прилага за промишлено производство на изкуствени диаманти. На повърхността на катализатора растат диамантени кристали. Равновесието графит-диамант съществува при 15 000 atm и 300 K или при 4000 atm и 1500 K. Изкуствените диаманти могат да бъдат получени и от въглеводороди. Аморфните форми на въглерод, които не образуват кристали, включват въглен, получен чрез нагряване на дървесина без достъп до въздух, лампа и газови сажди, образувани по време на нискотемпературно изгаряне на въглеводороди с липса на въздух и кондензиране върху студена повърхност, костен овъглен - добавка към калциев фосфат в процеса на тъкани за разрушаване на костите, както и въглища (естествено вещество с примеси) и кокс, сух остатък, получен от коксуването на горива по метода на суха дестилация на въглища или петролни остатъци (битуминозни въглища), т.е. отопление без достъп на въздух. Коксът се използва за топене на чугун и в черната и цветна металургия. При коксуването се получават и газообразни продукти - коксов газ (H2, CH4, CO и др.) и химически продукти, които са суровини за производството на бензин, бои, торове, лекарства, пластмаси и др. Схема на основното устройство за производство на кокс - коксова пещ - е показана на фиг. 3. Различни видове въглища и сажди имат развита повърхност и затова се използват като адсорбенти за пречистване на газ и течности, а също и като катализатори. За получаване на различни форми на въглерод се използват специални методи на химическа технология. Изкуственият графит се произвежда чрез калциниране на антрацит или петролен кокс между въглеродни електроди при 2260 ° C (процес на Acheson) и се използва в производството на смазочни материали и електроди, по-специално за електролитно производство на метали.
Структура на въглеродния атом.Ядрото на най-стабилния въглероден изотоп, маса 12 (98,9% изобилие), има 6 протона и 6 неутрона (12 нуклона), подредени в три квартета, всеки от които съдържа 2 протона и два неутрона, подобно на ядрото на хелия. Друг стабилен изотоп на въглерода е 13C (приблизително 1,1%), а в следи от количества в природата съществува нестабилен изотоп 14C с период на полуразпад 5730 години, който има b-лъчение. И трите изотопа участват в нормалния въглероден цикъл на живата материя под формата на CO2. След смъртта на живия организъм, консумацията на въглерод спира и C-съдържащите обекти могат да бъдат датирани чрез измерване на нивото на 14C радиоактивност. Намаляването на b-радиацията 14CO2 е пропорционално на времето, изминало от смъртта. През 1960 г. У. Либи получава Нобелова награда за изследването си с радиоактивен въглерод.
Вижте също ДАТИРАНЕ ПО РАДИОАКТИВНОСТ. В основното състояние 6 електрона въглерод образуват електронната конфигурация 1s22s22px12py12pz0. Четири електрона от второ ниво са валентни, което съответства на позицията на въглерода в група IVA на периодичната таблица (виж ПЕРИОДИЧНА СИСТЕМА НА ЕЛЕМЕНТИТЕ). Тъй като е необходима голяма енергия за отстраняване на електрон от атом в газовата фаза (приблизително 1070 kJ/mol), въглеродът не образува йонни връзки с други елементи, тъй като това би изисквало отстраняването на електрон, за да се образува положителен йон. Имайки електроотрицателност от 2,5, въглеродът не проявява силен електронен афинитет и съответно не е активен акцептор на електрони. Следователно, той не е склонен да образува частица с отрицателен заряд. Но някои въглеродни съединения съществуват с частично йонен характер на връзката, например карбиди. В съединенията въглеродът проявява степен на окисление 4. За да могат четири електрона да участват в образуването на връзки, е необходимо да се сдвоят 2s електроните и да се прехвърли един от тези електрони на 2pz орбитала; в този случай се образуват 4 тетраедрични връзки с ъгъл между тях 109°. В съединенията валентните електрони на въглерода са само частично изтеглени от него, така че въглеродът образува силни ковалентни връзки между съседни C-C атоми, използвайки обща електронна двойка. Енергията на разкъсване на такава връзка е 335 kJ/mol, докато за Si-Si връзката е само 210 kJ/mol, така че дългите -Si-Si- вериги са нестабилни. Ковалентният характер на връзката се запазва дори в съединения на силно реактивни халогени с въглерод, CF4 и CCl4. Въглеродните атоми са способни да дарят повече от един електрон от всеки въглероден атом, за да образуват връзка; Така се образуват двойни C=C и тройни CєC връзки. Други елементи също образуват връзки между своите атоми, но само въглеродът е способен да образува дълги вериги. Следователно за въглерода са известни хиляди съединения, наречени въглеводороди, в които въглеродът е свързан с водород и други въглеродни атоми, за да образува дълги вериги или пръстенни структури.
Вижте ОРГАНИЧНА ХИМИЯ. В тези съединения е възможно водородът да се замени с други атоми, най-често с кислород, азот и халогени, за да се образуват различни органични съединения. Важни сред тях са флуоровъглеводородите - въглеводороди, в които водородът е заменен с флуор. Такива съединения са изключително инертни и се използват като пластмаси и смазочни материали (флуоровъглеводороди, т.е. въглеводороди, в които всички водородни атоми са заменени с флуорни атоми) и като нискотемпературни хладилни агенти (хлорфлуорвъглеводороди или фреони). През 80-те години на миналия век американски физици откриха много интересни въглеродни съединения, в които въглеродните атоми са свързани в 5- или 6-ъгълници, образувайки молекула C60 във формата на куха топка с перфектната симетрия на футболна топка. Тъй като този дизайн е в основата на „геодезичния купол“, изобретен от американския архитект и инженер Бъкминстър Фулър, новият клас съединения е наречен „бакминстърфулерени“ или „фулерени“ (и също, по-накратко, „фазиболс“ или „бъкиболс“ ). Фулерените - третата модификация на чистия въглерод (с изключение на диамант и графит), състояща се от 60 или 70 (или дори повече) атома - са получени чрез въздействието на лазерно лъчение върху най-малките частици въглерод. Фулерените с по-сложни форми се състоят от няколкостотин въглеродни атома. Диаметърът на молекулата C60 CARBON е 1 nm. В центъра на такава молекула има достатъчно място, за да побере голям атом на уран.
Вижте също ФУЛЕРЕНИ.
Стандартна атомна маса.През 1961 г. Международният съюз по чиста и приложна химия (IUPAC) и физика приема масата на въглеродния изотоп 12C като единица за атомна маса, премахвайки съществуващата преди това кислородна скала на атомните маси. Атомната маса на въглерода в тази система е 12,011, тъй като е средната от трите естествено срещащи се изотопа на въглерода, като се има предвид тяхното изобилие в природата.
Вижте АТОМНА МАСА. Химични свойства на въглерода и някои от неговите съединения. Някои физични и химични свойства на въглерода са дадени в статията ХИМИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ. Реактивността на въглерода зависи от неговата модификация, температура и дисперсия. При ниски температури всички форми на въглерод са доста инертни, но при нагряване се окисляват от атмосферния кислород, образувайки оксиди:

Фино диспергиран въглерод в излишък на кислород може да експлодира при нагряване или от искра. В допълнение към директното окисляване има по-модерни методи за получаване на оксиди. Въглероден субоксид C3O2 се образува чрез дехидратиране на малонова киселина върху P4O10:

C3O2 има неприятна миризма и лесно се хидролизира, като отново се образува малонова киселина.
Въглеродният оксид (II) CO се образува по време на окисляването на всяка модификация на въглерода при липса на кислород. Реакцията е екзотермична, отделят се 111,6 kJ/mol. Коксът реагира с вода при температура на бяла топлина: C + H2O = CO + H2; получената газова смес се нарича "воден газ" и е газообразно гориво. CO се образува и при непълно изгаряне на петролни продукти, намира се в забележими количества в автомобилните изгорели газове, получава се при термична дисоциация на мравчена киселина:

Степента на окисление на въглерода в CO е +2 и тъй като въглеродът е по-стабилен в степен на окисление +4, CO лесно се окислява от кислород до CO2: CO + O2 (r) CO2, тази реакция е силно екзотермична (283 kJ/ mol). CO се използва в промишлеността в смес с H2 и други запалими газове като гориво или газообразен редуциращ агент. При нагряване до 500° C CO образува C и CO2 в забележима степен, но при 1000° C се установява равновесие при ниски концентрации на CO2. CO реагира с хлор, образувайки фосген - COCl2, реакциите с други халогени протичат по подобен начин, при реакция със серен карбонил сулфид се получава COS, с метали (M) CO образува карбонили с различни състави M (CO) x, които са сложни съединения. Железният карбонил се образува, когато кръвният хемоглобин реагира с CO, предотвратявайки реакцията на хемоглобина с кислорода, тъй като железният карбонил е по-силно съединение. В резултат на това се блокира функцията на хемоглобина като преносител на кислород към клетките, които след това умират (като основно се засягат мозъчните клетки). (Оттук и друго име за CO - „въглероден окис“). Вече 1% (об.) CO във въздуха е опасно за хората, ако са в такава атмосфера за повече от 10 минути. Някои физични свойства на CO са дадени в таблицата. Въглероден диоксид или въглероден оксид (IV) CO2 се образува при изгаряне на елементарен въглерод в излишък на кислород с отделяне на топлина (395 kJ/mol). CO2 (тривиалното име е "въглероден диоксид") също се образува при пълното окисление на CO, петролни продукти, бензин, масла и други органични съединения. Когато карбонатите се разтварят във вода, CO2 също се освобождава в резултат на хидролиза:

Тази реакция често се използва в лабораторната практика за получаване на CO2. Този газ може да се получи и чрез калциниране на метални бикарбонати:

При газофазовото взаимодействие на прегрята пара с CO:

При изгаряне на въглеводороди и техните кислородни производни, например:

По същия начин хранителните продукти се окисляват в живия организъм, освобождавайки топлина и други видове енергия. В този случай окислението протича при меки условия през междинни етапи, но крайните продукти са едни и същи - CO2 и H2O, както например при разграждането на захарите под действието на ензими, по-специално при ферментацията на глюкозата:

Мащабното производство на въглероден диоксид и метални оксиди се извършва в промишлеността чрез термично разлагане на карбонати:

CaO се използва в големи количества в технологията за производство на цимент. Термичната стабилност на карбонатите и консумацията на топлина за тяхното разлагане по тази схема се увеличават в серията CaCO3 (виж също ПРОТИВОПОЖАРНА ПРЕДОТВРАТЯВАНЕ И ПРОТИВОПОЖАРНА ЗАЩИТА). Електронна структура на въглеродните оксиди. Електронната структура на всеки въглероден окис може да се опише с три еднакво вероятни схеми с различно подреждане на електронни двойки - три резонансни форми:

Всички въглеродни оксиди имат линейна структура.
Карбонова киселина.Когато CO2 реагира с вода, се образува въглена киселина H2CO3. В наситен разтвор на CO2 (0,034 mol/l) само някои от молекулите образуват H2CO3, а по-голямата част от CO2 е в хидратирано състояние CO2*H2O.
Карбонати.Карбонатите се образуват при взаимодействието на метални оксиди с CO2, например Na2O + CO2 -> NaHCO3, които при нагряване се разлагат до освобождаване на CO2: 2NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O + CO2 Натриевият карбонат или содата се произвежда в содата промишленост в големи количества, главно по метода на Solvay:

Друг метод е получаването на сода от CO2 и NaOH

Карбонатният йон CO32- има плоска структура с ъгъл O-C-O 120° и дължина на връзката CO 1,31
(виж също АЛКАЛНО ПРОИЗВОДСТВО).
Въглеродни халогениди.Въглеродът реагира директно с халогени при нагряване, за да образува тетрахалогениди, но скоростта на реакцията и добивът на продукта са ниски. Следователно въглеродните халиди се получават по други методи, например чрез хлориране на въглероден дисулфид се получава CCl4: CS2 + 2Cl2 -> CCl4 + 2S CCl4 тетрахлоридът е незапалимо вещество, използвано като разтворител в процеси на химическо чистене, но не се препоръчва да се използва като пламъкогасител, тъй като при висока температура се образува отровен фосген (газообразно токсично вещество). Самият CCl4 също е отровен и, ако се вдиша в значителни количества, може да причини отравяне на черния дроб. СCl4 се образува и при фотохимичната реакция между метан СH4 и Сl2; в този случай е възможно образуването на продукти от непълно хлориране на метан - CHCl3, CH2Cl2 и CH3Cl. Реакциите протичат по подобен начин с други халогени.
Реакции на графит.Графитът, като модификация на въглерода, характеризираща се с големи разстояния между слоевете от шестоъгълни пръстени, влиза в необичайни реакции, например алкални метали, халогени и някои соли (FeCl3) проникват между слоевете, образувайки съединения като KC8, KC16 ( наречени интерстициални съединения, включвания или клатрати). Силни окислители като KClO3 в кисела среда (сярна или азотна киселина) образуват вещества с голям обем на кристалната решетка (до 6 между слоевете), което се обяснява с въвеждането на кислородни атоми и образуването на съединения върху повърхност на която в резултат на окисление се образуват карбоксилни групи (-COOH) - съединения като окислен графит или мелитова (бензен хексакарбоксилна) киселина C6(COOH)6. В тези съединения съотношението С:О може да варира от 6:1 до 6:2,5.
Карбиди.Въглеродът образува различни съединения, наречени карбиди с метали, бор и силиций. Най-активните метали (IA-IIIA подгрупи) образуват солеподобни карбиди, например Na2C2, CaC2, Mg4C3, Al4C3. В промишлеността калциевият карбид се получава от кокс и варовик чрез следните реакции:

Карбидите са неелектропроводими, почти безцветни, хидролизират до образуване на въглеводороди, например CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 Ацетиленът C2H2, образуван при реакцията, служи като суровина при производството на много органични вещества. Този процес е интересен, защото представлява преход от суровини от неорганичен характер към синтез на органични съединения. Карбидите, които образуват ацетилен при хидролиза, се наричат ​​ацетилениди. В силициевите и борните карбиди (SiC и B4C) връзката между атомите е ковалентна. Преходните метали (елементи от В-подгрупи) при нагряване с въглерод също образуват карбиди с променлив състав в пукнатини на металната повърхност; връзката в тях е близка до металната. Някои карбиди от този тип, например WC, W2C, TiC и SiC, се отличават с висока твърдост и огнеупорност и имат добра електропроводимост. Например NbC, TaC и HfC са най-огнеупорните вещества (т.т. = 4000-4200 ° C), диниобиевият карбид Nb2C е свръхпроводник при 9,18 K, TiC и W2C са близки по твърдост до диаманта, а твърдостта на B4C (a структурен аналог на диаманта) е 9,5 по скалата на Mohs (виж фиг. 2). Инертни карбиди се образуват, ако радиусът на преходния метал Азотни производни на въглерода.Тази група включва урея NH2CONH2 - азотен тор, използван под формата на разтвор. Уреята се получава от NH3 и CO2 чрез нагряване под налягане:

Цианогенът (CN)2 има много свойства, подобни на халогените и често се нарича псевдохалоген. Цианидът се получава чрез леко окисление на цианиден йон с кислород, водороден прекис или Cu2+ йон: 2CN- -> (CN)2 + 2e. Цианидният йон, като донор на електрони, лесно образува комплексни съединения с йони на преходни метали. Подобно на CO, цианидният йон е отрова, свързваща жизненоважни железни съединения в живия организъм. Цианидните комплексни йони имат общата формула []-0,5x, където x е координационното число на метала (комплексообразувател), емпирично равно на два пъти степента на окисление на металния йон. Примери за такива комплексни йони са (структурата на някои йони е дадена по-долу) тетрацианоникелат(II) йон []2-, хексацианоферат(III) []3-, дицианоаргентат []-:

Карбонили.Въглеродният окис е способен да реагира директно с много метали или метални йони, образувайки сложни съединения, наречени карбонили, например Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, []3, Mo(CO)6, [] 2. Свързването в тези съединения е подобно на свързването в циано комплексите, описани по-горе. Ni(CO)4 е летливо вещество, използвано за отделяне на никел от други метали. Влошаването на структурата на чугуна и стоманата в конструкциите често се свързва с образуването на карбонили. Водородът може да бъде част от карбонили, образувайки карбонилни хидриди, като H2Fe(CO)4 и HCo(CO)4, които проявяват киселинни свойства и реагират с алкали: H2Fe(CO)4 + NaOH -> NaHFe(CO)4 + H2O Известни също карбонилни халиди, например Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, където X е всеки халоген
(виж също ОРГАНОМЕТАЛНИ СЪЕДИНЕНИЯ).
Въглеводороди.Известни са огромен брой въглерод-водородни съединения
(виж ОРГАНИЧНА ХИМИЯ).
ЛИТЕРАТУРА
Суняев З.И. Петролен въглерод. М., 1980 Химия на свръхкоординиран въглерод. М., 1990

Енциклопедия на Collier. - Отворено общество. 2000 .

Синоними:

Вижте какво е "CARBON" в други речници:

Таблица на нуклидите Обща информация Име, символ Въглерод 14, 14C Алтернативни имена радиовъглерод, радиовъглерод Неутрони 8 Протони 6 Свойства на нуклида Атомна маса ... Wikipedia

Таблица на нуклидите Обща информация Име, символ Въглерод 12, 12C Неутрони 6 Протони 6 Свойства на нуклида Атомна маса 12.0000000(0) ... Wikipedia

Таблица на нуклидите Обща информация Име, символ Въглерод 13, 13C Неутрони 7 Протони 6 Свойства на нуклидите Атомна маса 13.0033548378(10) ... Wikipedia

- (лат. Carboneum) C, химикал. елемент от IV група на периодичната система на Менделеев, атомен номер 6, атомна маса 12.011. Основните кристални модификации са диамант и графит. При нормални условия въглеродът е химически инертен; на високо...... Голям енциклопедичен речник

Въглеродът в периодичната таблица на елементите се намира във втория период в група IVA. Електронна конфигурация на въглероден атом ls 2 2s 2 2p 2 .Когато се възбуди, лесно се постига електронно състояние, в което има четири несдвоени електрона в четирите външни атомни орбитали:

Това обяснява защо въглеродът в съединенията обикновено е четиривалентен. Равенството на броя на валентните електрони във въглеродния атом на броя на валентните орбитали, както и уникалното съотношение на заряда на ядрото и радиуса на атома, му дава способността еднакво лесно да прикрепя и отдава електрони , в зависимост от свойствата на съдружника (Точка 9.3.1). В резултат на това въглеродът се характеризира с различни степени на окисление от -4 до +4 и лекотата на хибридизация на неговите атомни орбитали според типа sp 3, sp 2И sp 1по време на образуването на химични връзки (раздел 2.1.3):

Всичко това дава възможност на въглерода да образува единични, двойни и тройни връзки не само помежду си, но и с атоми на други органогенни елементи. Образуваните в този случай молекули могат да имат линейна, разклонена или циклична структура.

Поради мобилността на общите електрони -МО, образувани с участието на въглеродни атоми, те се изместват към атома на по-електроотрицателен елемент (индуктивен ефект), което води до полярността не само на тази връзка, но и на молекулата като цяло. Въпреки това, въглеродът, поради средната стойност на електроотрицателността (0E0 = 2,5), образува слабо полярни връзки с атоми на други органогенни елементи (Таблица 12.1). Ако има системи от спрегнати връзки в молекулите (раздел 2.1.3), делокализацията на подвижните електрони (МО) и несподелените електронни двойки се случва с изравняване на електронната плътност и дължините на връзките в тези системи.

От гледна точка на реактивността на съединенията, поляризуемостта на връзките играе важна роля (раздел 2.1.3). Колкото по-голяма е поляризуемостта на една връзка, толкова по-висока е нейната реактивност. Зависимостта на поляризуемостта на въглеродсъдържащите връзки от тяхната природа се отразява в следната серия:

Всички разгледани данни за свойствата на въглеродсъдържащите връзки показват, че въглеродът в съединенията образува, от една страна, доста силни ковалентни връзки помежду си и с други органогени, а от друга страна, общите електронни двойки на тези връзки са доста лабилен. В резултат на това може да настъпи както повишаване на реактивността на тези връзки, така и стабилизиране. Именно тези характеристики на въглеродсъдържащите съединения правят въглерода органоген номер едно.

Киселинно-алкални свойства на въглеродните съединения.Въглеродният оксид (4) е киселинен оксид, а съответният му хидроксид - въглеродната киселина H2CO3 - е слаба киселина. Молекулата на въглеродния окис (4) е неполярна и следователно е слабо разтворима във вода (0,03 mol/l при 298 K). В този случай първо в разтвора се образува хидратът CO2 H2O, в който CO2 се намира в кухината на асоциацията на водните молекули, след което този хидрат бавно и обратимо се превръща в H2CO3. Повечето от въглеродния окис (4), разтворен във вода, е под формата на хидрат.

В тялото, в червените кръвни клетки, под действието на ензима карбоанхидраза, равновесието между CO2 хидрат H2O и H2CO3 се установява много бързо. Това ни позволява да пренебрегнем наличието на CO2 под формата на хидрат в еритроцита, но не и в кръвната плазма, където няма карбоанхидраза. Полученият H2CO3 се дисоциира при физиологични условия до хидрокарбонатен анион и в по-алкална среда до карбонатен анион:

Въглеродната киселина съществува само в разтвор. Образува две серии соли - хидрокарбонати (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) и карбонати (Na2CO3, CaCO3). Хидрокарбонатите са по-разтворими във вода от карбонатите. Във водни разтвори солите на въглеродната киселина, особено карбонатите, лесно се хидролизират при аниона, създавайки алкална среда:

Вещества като сода за хляб NaHC03; креда CaCO3, бял магнезий 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O, хидролизирани до образуване на алкална среда, се използват като антиациди (киселинни неутрализатори) за намаляване на повишената киселинност на стомашния сок:

Комбинацията от въглена киселина и бикарбонатен йон (H2CO3, HCO3(-)) образува бикарбонатна буферна система (раздел 8.5) - хубава буферна система на кръвната плазма, която осигурява постоянно pH на кръвта при pH = 7,40 ± 0,05.

Наличието на калциеви и магнезиеви хидрокарбонати в природните води причинява тяхната временна твърдост. Когато такава вода се вари, нейната твърдост се елиминира. Това се дължи на хидролизата на аниона HCO3(-), термичното разлагане на въглеродната киселина и утаяването на калциеви и магнезиеви катиони под формата на неразтворими съединения CaCO3 и Mg(OH)2:

Образуването на Mg(OH)2 се причинява от пълна хидролиза на магнезиевия катион, което се случва при тези условия поради по-ниската разтворимост на Mg(0H)2 в сравнение с MgCO3.

В медицинската и биологичната практика, в допълнение към въглеродната киселина, трябва да се работи с други въглеродсъдържащи киселини. Това е преди всичко голямо разнообразие от различни органични киселини, както и циановодородната киселина HCN. От гледна точка на киселинните свойства силата на тези киселини е различна:

Тези разлики се дължат на взаимното влияние на атомите в молекулата, природата на дисоцииращата връзка и стабилността на аниона, т.е. способността му да делокализира заряда.

Циановодородна киселина или циановодород, HCN - безцветна, силно летлива течност (T kip = 26 °C) с мирис на горчиви бадеми, смесва се с вода във всяко съотношение. Във водни разтвори се държи като много слаба киселина, чиито соли се наричат ​​цианиди. Цианидите на алкалните и алкалоземните метали са разтворими във вода, но се хидролизират при аниона, поради което техните водни разтвори миришат на циановодородна киселина (мирис на горчиви бадеми) и имат pH > 12:

При продължително излагане на CO2, съдържащ се във въздуха, цианидът се разлага до освобождаване на циановодородна киселина:

В резултат на тази реакция калиевият цианид (калиев цианид) и неговите разтвори губят своята токсичност при дългосрочно съхранение. Цианидният анион е една от най-мощните неорганични отрови, тъй като е активен лиганд и лесно образува стабилни комплексни съединения с ензими, съдържащи Fe 3+ и Cu2(+) като комплексообразуващи йони (Раздел. 10.4).

Редокс свойства.Тъй като въглеродът в съединенията може да проявява всякаква степен на окисление от -4 до +4, по време на реакцията свободният въглерод може както да отдава, така и да получава електрони, действайки съответно като редуциращ агент или окислител, в зависимост от свойствата на втория реагент:

Когато силните окислители взаимодействат с органични вещества, може да настъпи непълно или пълно окисление на въглеродните атоми на тези съединения.

При условия на анаеробно окисление с липса или липса на кислород, въглеродните атоми на органично съединение, в зависимост от съдържанието на кислородни атоми в тези съединения и външни условия, могат да се превърнат в CO 2, CO, C и дори CH 4 и други органогените се превръщат в H2O, NH3 и H2S.

В тялото пълното окисление на органичните съединения с кислород в присъствието на оксидазни ензими (аеробно окисление) се описва с уравнението:

От дадените уравнения на окислителните реакции става ясно, че в органичните съединения само въглеродните атоми променят степента на окисление, докато атомите на другите органогени запазват степента си на окисление.

По време на реакции на хидрогениране, т.е. добавяне на водород (редуциращ агент) към множествена връзка, въглеродните атоми, които я образуват, намаляват своето окислително състояние (действат като окислители):

Реакциите на органично заместване с появата на нова междувъглеродна връзка, например в реакцията на Wurtz, също са редокс реакции, при които въглеродните атоми действат като окислители, а металните атоми действат като редуциращи агенти:

Подобно нещо се наблюдава при реакциите на образуване на органометални съединения:

В същото време, в реакциите на алкилиране с появата на нова междувъглеродна връзка, ролята на окислител и редуктор се играе съответно от въглеродните атоми на субстрата и реагента:

В резултат на реакциите на добавяне на полярен реагент към субстрата чрез множествена междувъглеродна връзка, един от въглеродните атоми понижава степента на окисление, проявявайки свойствата на окислител, а другият повишава степента на окисление, действайки като редуциращ агент:

В тези случаи протича вътрешномолекулна окислително-редукционна реакция на въглеродните атоми на субстрата, т.е. дисмутация,под въздействието на реагент, който не проявява редокс свойства.

Типични реакции на вътрешномолекулна дисмутация на органични съединения, дължащи се на техните въглеродни атоми, са реакциите на декарбоксилиране на аминокиселини или кетокиселини, както и реакциите на пренареждане и изомеризация на органични съединения, които бяха обсъдени в раздела. 9.3. Дадените примери за органични реакции, както и реакции от разд. 9.3 убедително показват, че въглеродните атоми в органичните съединения могат да бъдат както окислители, така и редуциращи агенти.

Въглероден атом в съединение- окислител, ако в резултат на реакцията се увеличава броят на връзките му с атоми на по-малко електроотрицателни елементи (водород, метали), тъй като привличайки общите електрони на тези връзки към себе си, въпросният въглероден атом намалява окисляването си състояние.

Въглероден атом в съединение- редуциращ агент, ако в резултат на реакцията се увеличава броят на връзките му с атоми на повече електроотрицателни елементи(C, O, N, S), тъй като чрез изтласкване на споделените електрони на тези връзки, въпросният въглероден атом повишава степента си на окисление.

По този начин много реакции в органичната химия, поради редокс двойствеността на въглеродните атоми, са редокс. Въпреки това, за разлика от подобни реакции в неорганичната химия, преразпределението на електрони между окислителя и редуциращия агент в органичните съединения може да бъде придружено само от изместване на общата електронна двойка на химическата връзка към атома, действащ като окислител. В този случай тази връзка може да се запази, но в случаите на силна поляризация може да бъде прекъсната.

Комплексообразуващи свойства на въглеродните съединения.Въглеродният атом в съединенията няма самотни електронни двойки и следователно само въглеродни съединения, съдържащи множество връзки с негово участие, могат да действат като лиганди. Особено активни в процесите на образуване на комплекси са електроните на полярната тройна връзка на въглеродния окис (2) и аниона на циановодородната киселина.

В молекулата на въглеродния окис (2) въглеродните и кислородните атоми образуват една и една -връзка поради взаимното припокриване на техните две 2p-атомни орбитали според механизма на обмен. Третата връзка, т.е. друга връзка, се образува съгласно донорно-акцепторния механизъм. Акцепторът е свободната 2p атомна орбитала на въглеродния атом, а донорът е кислородният атом, който осигурява несподелена двойка електрони от 2p орбитала:

Повишеното съотношение на свързване осигурява на тази молекула висока стабилност и инертност при нормални условия по отношение на киселинно-алкални (CO е необразуващ сол оксид) и редокс свойства (CO е редуциращ агент при T > 1000 K). В същото време го прави активен лиганд в реакции на комплексообразуване с атоми и катиони на d-метали, предимно с желязо, с което образува железен пентакарбонил, летлива токсична течност:

Способността за образуване на комплексни съединения с d-метални катиони е причината за токсичността на въглеродния оксид (Н) за живите системи (Раздел. 10.4) поради появата на обратими реакции с хемоглобин и оксихемоглобин, съдържащ Fe 2+ катион, с образуването на карбоксихемоглобин:

Тези равновесия се изместват към образуването на карбоксихемоглобин ННbСО, чиято стабилност е 210 пъти по-голяма от тази на оксихемоглобин ННbО2. Това води до натрупване на карбоксихемоглобин в кръвта и съответно до намаляване на нейната способност да пренася кислород.

Анионът на циановодородната киселина CN- също съдържа лесно поляризируеми електрони, поради което ефективно образува комплекси с d-метали, включително жизнени метали, които са част от ензими. Следователно цианидите са силно токсични съединения (раздел 10.4).

Въглероден цикъл в природата.Въглеродният цикъл в природата се основава главно на реакциите на окисление и редукция на въглерода (фиг. 12.3).

Растенията усвояват (1) въглероден окис (4) от атмосферата и хидросферата. Част от растителната маса се консумира (2) от хора и животни. Дишането на животните и разлагането на техните останки (3), както и дишането на растенията, гниенето на мъртвите растения и изгарянето на дървесината (4) връщат CO2 в атмосферата и хидросферата. Процесът на минерализация на останките от растения (5) и животни (6) с образуването на торф, изкопаеми въглища, нефт, газ води до прехода на въглерода в природни ресурси. Киселинно-алкалните реакции (7) протичат в същата посока, протичащи между CO2 и различни скали с образуването на карбонати (средни, киселинни и основни):

Тази неорганична част от цикъла води до загуба на CO2 в атмосферата и хидросферата. Човешката дейност при изгарянето и преработката на въглища, нефт, газ (8), дърва за огрев (4), напротив, изобилно обогатява околната среда с въглероден окис (4). Дълго време имаше увереност, че благодарение на фотосинтезата концентрацията на CO2 в атмосферата остава постоянна. Понастоящем обаче увеличаването на съдържанието на CO2 в атмосферата поради човешката дейност не се компенсира от естественото му намаляване. Общото изпускане на CO2 в атмосферата нараства експоненциално с 4-5% годишно. Според изчисленията през 2000 г. съдържанието на CO2 в атмосферата ще достигне приблизително 0,04% вместо 0,03% (1990 г.).

След като разгледахме свойствата и характеристиките на въглеродсъдържащите съединения, водещата роля на въглерода трябва още веднъж да се подчертае

Ориз. 12.3.Въглероден цикъл в природа

Органоген № 1: първо, въглеродните атоми образуват скелета на молекулите на органичните съединения; второ, въглеродните атоми играят ключова роля в окислително-редукционните процеси, тъй като сред атомите на всички органогени въглеродът е най-характерният с окислително-редукционна двойственост. За повече информация относно свойствата на органичните съединения вижте модул IV „Основи на биоорганичната химия“.

Обща характеристика и биологична роля на р-елементите от IVA група.Електронни аналози на въглерода са елементи от група IVA: силиций Si, германий Ge, калай Sn и олово Pb (виж таблица 1.2). Радиусите на атомите на тези елементи естествено се увеличават с увеличаване на атомния номер, а тяхната йонизационна енергия и електроотрицателност естествено намаляват (раздел 1.3). Следователно първите два елемента от групата: въглеродът и силицийът са типични неметали, а германият, калайът и оловото са метали, тъй като те се характеризират най-много със загуба на електрони. В серията Ge - Sn - Pb металните свойства се увеличават.

От гледна точка на редокс свойствата, елементите C, Si, Ge, Sn и Pb при нормални условия са доста стабилни по отношение на въздух и вода (металите Sn и Pb - поради образуването на оксиден филм на повърхността ). В същото време оловните съединения (4) са силни окислители:

Комплексообразуващите свойства са най-характерни за оловото, тъй като неговите Pb 2+ катиони са силни комплексообразователи в сравнение с катионите на други р-елементи от група IVA. Оловните катиони образуват силни комплекси с биолиганди.

Елементите от група IVA се различават рязко както по съдържанието си в организма, така и по биологичната си роля. Въглеродът играе основна роля в живота на тялото, където съдържанието му е около 20%. Съдържанието на други елементи от IVA група в тялото е в рамките на 10 -6 -10 -3%. В същото време, ако силицият и германият несъмнено играят важна роля в живота на тялото, тогава калайът и особено оловото са токсични. По този начин, с увеличаване на атомната маса на елементи от група IVA, токсичността на техните съединения се увеличава.

Прахът, състоящ се от частици от въглища или силициев диоксид SiO2, когато систематично е изложен на белите дробове, причинява заболявания - пневмокониоза. При въглищния прах това е антракоза, професионално заболяване на миньорите. При вдишване на прах, съдържащ Si02, възниква силикоза. Механизмът на развитие на пневмокониозата все още не е установен. Предполага се, че при продължителен контакт на силикатни пясъчни зърна с биологични течности се образува полисилициева киселина Si02 yH2O в гелообразно състояние, чието отлагане в клетките води до тяхната смърт.

Токсичният ефект на оловото е известен на човечеството от много дълго време. Използването на олово за направата на съдове и водопроводни тръби доведе до масови отравяния на хора. В момента оловото продължава да бъде един от основните замърсители на околната среда, тъй като изпускането на оловни съединения в атмосферата възлиза на над 400 000 тона годишно. Оловото се натрупва главно в скелета под формата на слабо разтворим фосфат Pb3(PO4)2, а при деминерализиране на костите има редовно токсично действие върху организма. Следователно оловото се класифицира като кумулативна отрова. Токсичността на оловните съединения се свързва предимно с неговите комплексообразуващи свойства и висок афинитет към биолиганди, особено тези, съдържащи сулфхидрилни групи (-SH):

Образуването на комплексни съединения на оловни йони с протеини, фосфолипиди и нуклеотиди води до тяхната денатурация. Често оловните йони инхибират металоензимите EM 2+, измествайки жизнените метални катиони от тях:

Оловото и неговите съединения са отрови, които действат предимно върху нервната система, кръвоносните съдове и кръвта. В същото време оловните съединения влияят върху протеиновия синтез, енергийния баланс на клетките и техния генетичен апарат.

В медицината следните външни антисептици се използват като адстрингенти: оловен ацетат Pb(CH3COO)2 ZH2O (оловни лосиони) и оловен (2) оксид PbO (оловен гипс). Оловните йони на тези съединения реагират с протеини (албумин) в цитоплазмата на микробните клетки и тъкани, образувайки гелообразни албуминати. Образуването на гелове убива микробите и освен това затруднява проникването им в тъканните клетки, което намалява локалната възпалителна реакция.