Carbon er Et kulstofatom. Masse af kulstof

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 05:21

Et af de mest fantastiske grundstoffer, der kan danne et stort udvalg af forbindelser af organisk og uorganisk natur, er kulstof. Dette element er så usædvanligt i dets egenskaber, at selv Mendeleev forudsagde en stor fremtid for det, idet han t alte om funktioner, der endnu ikke er blevet afsløret.

Senere blev det praktisk t alt bekræftet. Det blev kendt, at det er det vigtigste biogene element på vores planet, som er en del af absolut alle levende væsener. Desuden i stand til at eksistere i former, der er radik alt forskellige i alle henseender, men som samtidig kun består af kulstofatomer.

Generelt har denne struktur mange funktioner, og vi vil forsøge at behandle dem i løbet af artiklen.

Carbon: formel og position i systemet af elementer

I det periodiske system er grundstoffet kulstof placeret i IV-gruppen (ifølge den nye model i 14), hovedundergruppen. Dens serienummer er 6, og dens atomvægt er 12 011. Betegnelsen for et grundstof med tegnet C angiver dets navn på latin - carboneum. Der er flere forskellige former for kulstof. Dens formel er derfor anderledes og afhænger af den specifikke ændring.

Men for at skrive reaktionsligninger er notationen specifik,selvfølgelig har. Generelt, når man taler om et stof i dets rene form, anvendes molekylformlen for kulstof C uden indeksering.

Elementopdagelseshistorik

Dette element i sig selv har været kendt siden antikken. Et af de vigtigste mineraler i naturen er jo kul. Derfor var han ikke en hemmelighed for de gamle grækere, romere og andre nationaliteter.

Udover denne sort blev der også brugt diamanter og grafit. Der var mange forvirrende situationer med sidstnævnte i lang tid, da sådanne forbindelser ofte, uden analyse af sammensætningen, blev taget for grafit, såsom:

• sølvbly;
• jernkarbid;
• molybdænsulfid.

De var alle malet sorte og blev derfor betragtet som grafit. Senere blev denne misforståelse opklaret, og denne form for kulstof blev sig selv.

Siden 1725 har diamanter været af stor kommerciel betydning, og i 1970 er teknologien til at opnå dem kunstigt blevet mestret. Siden 1779 er de kemiske egenskaber, som kulstof udviser, blevet undersøgt takket være Karl Scheeles arbejde. Dette var begyndelsen på en række vigtige opdagelser inden for dette element og blev grundlaget for at finde ud af alle dets mest unikke egenskaber.

Carbonisotoper og fordeling i naturen

På trods af at det pågældende grundstof er et af de vigtigste biogene, er dets samlede indhold i massen af jordskorpen 0,15 %. Dette skyldes, at det er udsat for konstant cirkulation, en naturlig cyklus i naturen.

Generelt er der fleremineralske forbindelser indeholdende kulstof. Disse er sådanne naturlige racer som:

• dolomitter og kalksten;
• antracit;
• olieskifer;
• naturgas;
• kul;
• olie;
• brunkul;
• tørv;
• bitumen.

Udover dette bør vi ikke glemme levende væsener, som blot er et lager af kulstofforbindelser. De dannede trods alt proteiner, fedtstoffer, kulhydrater, nukleinsyrer, hvilket betyder de mest vitale strukturelle molekyler. Generelt, ved omregning af tør kropsvægt ud af 70 kg, falder 15 på et rent grundstof. Og sådan er det med enhver person, for ikke at nævne dyr, planter og andre skabninger.

Hvis vi betragter sammensætningen af luft og vand, det vil sige hydrosfæren som helhed og atmosfæren, så er der en blanding af kulstof-ilt, udtrykt ved formlen CO_{2. Dioxid eller kuldioxid er en af de vigtigste gasser, der udgør luften. Det er i denne form, at massefraktionen af kulstof er 0,046%. Endnu mere kuldioxid opløses i havenes farvande.}

Atommassen af kulstof som et grundstof er 12.011. Det er kendt, at denne værdi beregnes som det aritmetiske gennemsnit mellem atomvægtene af alle isotopiske arter, der findes i naturen, under hensyntagen til deres udbredelse (som en procentdel)). Dette er også tilfældet for det pågældende stof. Der er tre hovedisotoper, hvori kulstof findes. Dette er:

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

I praksis med at bestemme den geokronologiske alder af prøver, er den radioaktive isotop ¹⁴С meget brugt, hvilket er en indikator på grund af dens lange henfaldsperiode.

Allotropiske modifikationer af et element

Carbon er et grundstof, der eksisterer som et simpelt stof i flere former. Det vil sige, at den er i stand til at danne det største antal allotropiske modifikationer, der kendes i dag.

1. Krystallinske variationer - eksisterer i form af stærke strukturer med regelmæssige atomartede gitter. Denne gruppe omfatter sorter såsom:

• diamanter;
• fullerenes;
• grafitter;
• karabiner;
• lonsdaleites;
• kulfiber og rør.

Alle afviger i strukturen af krystalgitteret, i hvis knudepunkter der er et carbonatom. Derfor de helt unikke, uens egenskaber, både fysiske og kemiske.

2. Amorfe former - de er dannet af et kulstofatom, som er en del af nogle naturlige forbindelser. Det vil sige, at disse ikke er rene sorter, men med urenheder af andre elementer i små mængder. Denne gruppe inkluderer:

• aktiveret kul;
• sten og træ;
• sod;
• carbon nanofoam;
• antracit;
• glasagtig carbon;
• en teknisk slags substans.

De er også forenet af funktionerstrukturer af krystalgitteret, der forklarer og manifesterer egenskaber.

3. Forbindelser af kulstof i form af klynger. Sådan en struktur, hvor atomer er lukket i en speciel konformation hule fra indersiden, fyldt med vand eller kerner af andre elementer. Eksempler:

• kulstof nanokegler;
• astralens;
• dicarbon.

Fysiske egenskaber ved amorft kulstof

På grund af det store udvalg af allotropiske modifikationer er det vanskeligt at identificere nogen almindelige fysiske egenskaber for kulstof. Det er nemmere at tale om en bestemt form. Amorft kulstof har f.eks. følgende egenskaber.

1. I hjertet af alle former er finkrystallinske varianter af grafit.
2. Høj varmekapacitet.
3. Gode ledende egenskaber.
4. Kulstoftæthed er omkring 2 g/cm³.
5. Ved opvarmning til over 1600 ⁰C, sker der en overgang til grafitformer.

Sod-, trækul- og stensorter bruges i vid udstrækning til industrielle formål. De er ikke en manifestation af kulstofmodifikation i sin rene form, men indeholder det i meget store mængder.

Krystallinsk kulstof

Der er flere muligheder, hvor kulstof er et stof, der danner regulære krystaller af forskellige typer, hvor atomer er forbundet i serie. Som et resultat dannes følgende modifikationer.

1. Diamant. Strukturen er kubisk, hvor fire tetraedre er forbundet. Som et resultat, alle kovalente kemiske bindinger af hvert atommaksim alt mættet og holdbart. Dette forklarer de fysiske egenskaber: kulstoftætheden er 3300 kg/m³. Høj hårdhed, lav varmekapacitet, mangel på elektrisk ledningsevne - alt dette er resultatet af strukturen af krystalgitteret. Der er teknisk opnåede diamanter. De dannes under overgangen af grafit til den næste modifikation under påvirkning af høj temperatur og et vist tryk. Generelt er smeltepunktet for diamant lige så højt som styrken - omkring 3500 ⁰C.
2. Grafit. Atomerne er arrangeret på samme måde som strukturen af det foregående stof, dog er kun tre bindinger mættede, og den fjerde bliver længere og mindre stærk, den forbinder "lagene" af gitterets sekskantede ringe. Som et resultat viser det sig, at grafit er et blødt, fedtet sort stof at røre ved. Den har god elektrisk ledningsevne og har et højt smeltepunkt - 3525 ⁰C. I stand til sublimering - sublimering fra en fast tilstand til en gasformig tilstand, uden om den flydende tilstand (ved en temperatur på 3700 ⁰С). Densiteten af kulstof er 2,26 g/cm^3, , hvilket er meget lavere end diamants. Dette forklarer deres forskellige egenskaber. På grund af krystalgitterets lagdelte struktur er det muligt at bruge grafit til fremstilling af blyantledninger. Når de føres hen over papiret, skaller flagerne af og efterlader et sort mærke på papiret.
3. Fullerenes. De blev først åbnet i 80'erne af forrige århundrede. De er modifikationer, hvor kulstof er forbundet i en speciel konveks lukket struktur, som har i midtentomhed. Og formen af en krystal - et polyeder, den korrekte organisation. Antallet af atomer er lige. Den mest berømte form for fulleren er С₆₀. Prøver af et lignende stof blev fundet under forskning:

• meteoritter;
• bundsedimenter;
• folgurite;
• shungite;
• ydre rum, hvor indeholdt i form af gasser.

Alle varianter af krystallinsk kulstof er af stor praktisk betydning, da de har en række egenskaber, der er nyttige i teknik.

Reaktivitet

Molekylært kulstof udviser lav reaktivitet på grund af dets stabile konfiguration. Det kan kun tvinges til at indgå i reaktioner ved at give yderligere energi til atomet og tvinge elektronerne på det ydre niveau til at fordampe. På dette tidspunkt bliver valensen 4. Derfor har den i forbindelser en oxidationstilstand på + 2, + 4, - 4.

Praktisk t alt alle reaktioner med simple stoffer, både metaller og ikke-metaller, forløber under påvirkning af høje temperaturer. Det pågældende grundstof kan både være et oxidationsmiddel og et reduktionsmiddel. De sidstnævnte egenskaber er dog særligt udt alte i den, og dette er grundlaget for dens anvendelse i den metallurgiske og andre industrier.

Generelt afhænger evnen til at indgå i kemisk interaktion af tre faktorer:

• dispersion af kulstof;
• allotropisk modifikation;
• reaktionstemperatur.

Derfor er der i nogle tilfælde en interaktion med følgendestoffer:

• ikke-metaller (brint, oxygen);
• metaller (aluminium, jern, calcium og andre);
• metaloxider og deres s alte.

Reagerer ikke med syrer og baser, meget sjældent med halogener. Den vigtigste af kulstoffets egenskaber er evnen til at danne lange kæder med hinanden. De kan lukke i en cyklus, danne grene. Sådan er dannelsen af organiske forbindelser, som i dag tæller millioner. Grundlaget for disse forbindelser er to elementer - kulstof, brint. Andre atomer kan også inkluderes: oxygen, nitrogen, svovl, halogener, fosfor, metaller og andre.

Hovedforbindelser og deres egenskaber

Der er mange forskellige forbindelser, der indeholder kulstof. Formlen for den mest berømte af dem er CO₂ - kuldioxid. Ud over dette oxid er der dog også CO - monoxid eller kulilte samt suboxid C₃O₂.

Blandt de s alte, der indeholder dette grundstof, er de mest almindelige calcium- og magnesiumkarbonater. Så calciumcarbonat har flere synonymer i navnet, da det forekommer i naturen i formen:

• kridt;
• marmor;
• kalksten;
• dolomit.

Vigtigheden af jordalkalimetalkarbonater kommer til udtryk i, at de er aktive deltagere i dannelsen af drypsten og stalagmitter samt grundvand.

Carbonsyre er en anden forbindelse, der danner kulstof. Dens formel erH₂CO₃. Men i sin sædvanlige form er det ekstremt ustabilt og nedbrydes straks til kuldioxid og vand i opløsning. Derfor kendes kun dets s alte, og ikke sig selv, som en opløsning.

Carbonhalogenider - opnås hovedsageligt indirekte, da direkte syntese kun finder sted ved meget høje temperaturer og med et lavt udbytte af produktet. En af de mest almindelige - CCL₄ - carbontetrachlorid. En giftig forbindelse, der kan forårsage forgiftning ved indånding. Opnået ved reaktioner med radikal fotokemisk substitution af hydrogenatomer i metan.

Metalcarbider er kulstofforbindelser, hvor de udviser en oxidationstilstand på 4. Eksistensen af associationer med bor og silicium er også mulig. Den vigtigste egenskab ved carbider af nogle metaller (aluminium, wolfram, titanium, niobium, tantal, hafnium) er høj styrke og fremragende elektrisk ledningsevne. Borcarbid В₄С er et af de hårdeste stoffer efter diamant (9,5 ifølge Mohs). Disse forbindelser bruges i teknik såvel som i den kemiske industri som kilder til produktion af kulbrinter (calciumcarbid med vand fører til dannelse af acetylen og calciumhydroxid).

Mange metallegeringer er fremstillet ved hjælp af kulstof, hvilket øger deres kvalitet og tekniske egenskaber betydeligt (stål er en legering af jern og kulstof).

Særlig opmærksomhed fortjener adskillige organiske kulstofforbindelser, hvori det er et grundlæggende element, der er i stand til at kombinere med de samme atomer til lange kæder af forskellige strukturer. Disse omfatter:

• alkaner;
• alkener;
• arenaer;
• proteiner;
• kulhydrater;
• nukleinsyrer;
• alkoholer;
• carboxylsyrer og mange andre klasser af stoffer.

Brug af kulstof

Betydningen af kulstofforbindelser og dets allotrope modifikationer i menneskers liv er meget stor. Du kan nævne nogle af de mest globale industrier for at gøre det klart, at dette er sandt.

1. Dette grundstof danner alle typer fossile brændstoffer, som en person modtager energi fra.
2. Den metallurgiske industri bruger kulstof som det stærkeste reduktionsmiddel til at opnå metaller fra deres forbindelser. Carbonater er også meget brugt her.
3. Byggeri og den kemiske industri bruger enorme mængder kulstofforbindelser for at syntetisere nye stoffer og opnå de nødvendige produkter.

Du kan også navngive sådanne sektorer af økonomien som:

• nuklear industri;
• smykker;
• teknisk udstyr (smøremidler, varmebestandige digler, blyanter osv.);
• bestemmelse af bjergarters geologiske alder - radioaktivt sporstof ¹⁴С;
• carbon er en fremragende adsorbent, som gør den velegnet til fremstilling af filtre.

Cirkulation i naturen

Massen af kulstof, der findes i naturen, er inkluderet i en konstant cyklus, der cykler hvert sekund rundt om kloden. Således absorberes den atmosfæriske kulstofkilde - CO₂,planter og frigives af alle levende væsener i respirationsprocessen. Når det først er i atmosfæren, absorberes det igen, og så stopper cyklussen ikke. Samtidig fører døden af organiske rester til frigivelse af kulstof og dets ophobning i jorden, hvorfra det så igen absorberes af levende organismer og frigives til atmosfæren i form af gas.