Въглеродът е въглероден атом. Маса на въглерода

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-19 15:25

Един от най-невероятните елементи, които могат да образуват огромно разнообразие от съединения от органична и неорганична природа, е въглеродът. Този елемент е толкова необичаен в своите свойства, че дори Менделеев предсказва голямо бъдеще за него, говорейки за характеристики, които все още не са разкрити.

По-късно беше практически потвърдено. Стана известно, че това е основният биогенен елемент на нашата планета, който е част от абсолютно всички живи същества. Освен това, способни да съществуват във форми, които са коренно различни във всички отношения, но в същото време се състоят само от въглеродни атоми.

Като цяло тази структура има много функции и ние ще се опитаме да се справим с тях в хода на статията.

Въглерод: формула и позиция в системата от елементи

В периодичната система елементът въглерод се намира в IV (според новия модел в 14) група, основната подгрупа. Серийният му номер е 6, а атомното му тегло е 12,011. Обозначението на елемент със знака C показва името му на латински – carboneum. Има няколко различни форми, в които съществува въглерод. Следователно формулата му е различна и зависи от конкретната модификация.

Въпреки това, за писане на реакционни уравнения, нотацията е специфична,разбира се има. Като цяло, когато се говори за вещество в чистата му форма, се приема молекулярната формула на въглерод С, без индексиране.

История на откриване на елементи

Самият този елемент е познат от древността. В крайна сметка един от най-важните минерали в природата са въглищата. Следователно за древните гърци, римляни и други националности той не е бил тайна.

Освен този сорт са използвани също диаманти и графит. Имаше много объркващи ситуации с последното за дълго време, тъй като често, без анализ на състава, такива съединения бяха взети за графит, като:

• сребърен олово;
• железен карбид;
• молибденов сулфид.

Всички те бяха боядисани в черно и поради това се смятаха за графит. По-късно това недоразумение беше изчистено и тази форма на въглерод се превърна в себе си.

От 1725 г. диамантите са от голямо търговско значение, а през 1970 г. технологията за изкуственото им получаване е усвоена. От 1779 г., благодарение на работата на Карл Шееле, химичните свойства, които въглеродът проявява, са изследвани. Това беше началото на поредица от важни открития в областта на този елемент и стана основа за откриване на всичките му най-уникални характеристики.

Въглеродни изотопи и разпространение в природата

Въпреки факта, че въпросният елемент е един от най-важните биогенни, общото му съдържание в масата на земната кора е 0,15%. Това се дължи на факта, че е подложен на постоянна циркулация, естествен цикъл в природата.

Общо взето, има няколкоминерални съединения, съдържащи въглерод. Това са такива естествени породи като:

• доломити и варовици;
• антрацит;
• нефтени шисти;
• природен газ;
• въглища;
• масло;
• лигнит;
• торф;
• битум.

Освен това не бива да забравяме за живите същества, които са просто хранилище на въглеродни съединения. В крайна сметка те образуват протеини, мазнини, въглехидрати, нуклеинови киселини, което означава най-жизненоважните структурни молекули. Като цяло, при преобразуване на сухо телесно тегло от 70 кг, 15 се падат на чист елемент. И така е с всеки човек, да не говорим за животни, растения и други същества.

Ако разгледаме състава на въздуха и водата, тоест хидросферата като цяло и атмосферата, тогава има смес от въглерод-кислород, изразена с формулата CO_{2. Диоксидът или въглеродният диоксид е един от основните газове, които изграждат въздуха. Именно в тази форма масовата част на въглерода е 0,046%. Още повече въглероден диоксид се разтваря във водите на океаните.}

Атомната маса на въглерода като елемент е 12,011 Известно е, че тази стойност се изчислява като средноаритметична стойност между атомните тегла на всички изотопни видове, които съществуват в природата, като се вземе предвид тяхното разпространение (като процент). Това важи и за въпросното вещество. Има три основни изотопа, в които се намира въглерод. Това е:

• ¹²С - масовата му част в огромното мнозинство е 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - радиоактивен, период на полуразпад 5700 години, стабилен бета емитер.

В практиката на определяне на геохронологичната възраст на пробите широко се използва радиоактивният изотоп ¹⁴С, което е индикатор поради дългия му период на разпад.

Алотропни модификации на елемент

Въглеродът е елемент, който съществува като просто вещество в няколко форми. Тоест, той е в състояние да образува най-големия брой известни днес алотропни модификации.

1. Кристални вариации - съществуват под формата на силни структури с правилни решетки от атомен тип. Тази група включва разновидности като:

• диаманти;
• fullerene;
• графити;
• карабини;
• lonsdaleites;
• въглеродни влакна и тръби.

Всички те се различават по структурата на кристалната решетка, в чиито възли има въглероден атом. Оттук и напълно уникалните, различни свойства, както физически, така и химически.

2. Аморфни форми - образуват се от въглероден атом, който е част от някои природни съединения. Тоест това не са чисти сортове, а с примеси на други елементи в малки количества. Тази група включва:

• активен въглен;
• камък и дърво;
• сажди;
• въглеродна нанопяна;
• антрацит;
• стъклен въглерод;
• технически вид вещество.

Те също са обединени от характеристикиструктури на кристалната решетка, обясняващи и проявяващи свойства.

3. Въглеродни съединения под формата на клъстери. Такава структура, в която атомите са затворени в специална конформационна куха отвътре, изпълнена с вода или ядрата на други елементи. Примери:

• въглеродни наноконуси;
• astralens;
• дивъглерод.

Физични свойства на аморфния въглерод

Поради голямото разнообразие от алотропни модификации е трудно да се идентифицират общи физически свойства на въглерода. По-лесно е да се говори за конкретна форма. Например, аморфният въглерод има следните характеристики.

1. В основата на всички форми са фини кристални разновидности на графита.
2. Висок топлинен капацитет.
3. Добри проводими свойства.
4. Плътността на въглерода е около 2 g/cm³.
5. При нагряване над 1600 ⁰C се получава преход към графитни форми.

Разновидностите на сажди, дървени въглища и камъни се използват широко за промишлени цели. Те не са проява на модификация на въглерода в чистата му форма, но го съдържат в много големи количества.

Кристален въглерод

Има няколко варианта, при които въглеродът е вещество, което образува правилни кристали от различни видове, където атомите са свързани последователно. В резултат на това се формират следните модификации.

1. Диамант. Структурата е кубична, в която са свързани четири тетраедъра. В резултат на това всички ковалентни химични връзки на всеки атоммаксимално наситени и издръжливи. Това обяснява физичните свойства: плътността на въглерода е 3300 kg/m³. Висока твърдост, нисък топлинен капацитет, липса на електрическа проводимост - всичко това е резултат от структурата на кристалната решетка. Има технически получени диаманти. Те се образуват при прехода на графита към следващата модификация под въздействието на висока температура и определено налягане. Като цяло, точката на топене на диаманта е толкова висока, колкото силата - около 3500 ⁰C.
2. Графит. Атомите са подредени подобно на структурата на предишното вещество, но само три връзки са наситени, а четвъртата става по-дълга и по-малко силна, свързва "слоевете" на шестоъгълните пръстени на решетката. В резултат на това се оказва, че графитът е мека, мазна черна субстанция на допир. Има добра електрическа проводимост и висока точка на топене - 3525 ⁰C. Възможност за сублимация - сублимация от твърдо състояние в газообразно състояние, заобикаляйки течното състояние (при температура 3700 ⁰С). Плътността на въглерода е 2,26 g/cm^3, , което е много по-ниско от това на диаманта. Това обяснява различните им свойства. Поради слоестата структура на кристалната решетка е възможно да се използва графит за производството на моливи. Когато плъзнете по хартията, люспите се отлепват и оставят черна следа върху хартията.
3. Фулерени. Те са отворени едва през 80-те години на миналия век. Те са модификации, при които въглеродите са свързани помежду си в специална изпъкнала затворена структура, която има в центърапразнота. И формата на кристал - полиедър, правилната организация. Броят на атомите е четен. Най-известната форма на фулерен е С₆₀. Проби от подобно вещество бяха открити по време на изследване:

• метеорити;
• дънни утайки;
• фолгурит;
• шунгит;
• външно пространство, където се съдържа под формата на газове.

Всички разновидности на кристален въглерод са от голямо практическо значение, тъй като имат редица свойства, полезни в инженерството.

Реактивност

Молекулярният въглерод проявява ниска реактивност поради стабилната си конфигурация. Той може да бъде принуден да влезе в реакции само чрез придаване на допълнителна енергия на атома и принуждаване на електроните на външното ниво да се изпарят. В този момент валентността става 4. Следователно в съединенията тя има степен на окисление от + 2, + 4, - 4.

Практически всички реакции с прости вещества, както метали, така и неметали, протичат под въздействието на високи температури. Въпросният елемент може да бъде както окислител, така и редуциращ агент. Последните свойства обаче са особено изразени в него и това е основата за използването му в металургичната и други индустрии.

Общо взето, способността за влизане в химическо взаимодействие зависи от три фактора:

• дисперсия на въглерод;
• алотропна модификация;
• реакционна температура.

По този начин в някои случаи има взаимодействие със следнотовещества:

• неметали (водород, кислород);
• метали (алуминий, желязо, калций и други);
• метални оксиди и техните соли.

Не реагира с киселини и основи, много рядко с халогени. Най-важното от свойствата на въглерода е способността да образува дълги вериги помежду си. Те могат да се затварят в цикъл, да образуват клони. Така се образуват органични съединения, които днес наброяват милиони. Основата на тези съединения са два елемента - въглерод, водород. Могат да бъдат включени и други атоми: кислород, азот, сяра, халогени, фосфор, метали и други.

Основни съединения и техните характеристики

Има много различни съединения, които съдържат въглерод. Формулата на най-известния от тях е CO₂ - въглероден диоксид. В допълнение към този оксид обаче има и CO - монооксид или въглероден оксид, както и субоксид C₃O₂.

Сред солите, които съдържат този елемент, най-често срещаните са калциевите и магнезиевите карбонати. И така, калциевият карбонат има няколко синоними в името, тъй като се среща в природата под формата:

• креда;
• мрамор;
• варовик;
• dolomite.

Значението на карбонатите на алкалоземните метали се проявява във факта, че те са активни участници в образуването на сталактити и сталагмити, както и на подземните води.

Въглеродната киселина е друго съединение, което образува въглерод. Формулата му еH₂CO₃. Въпреки това, в обичайната си форма, той е изключително нестабилен и незабавно се разлага на въглероден диоксид и вода в разтвор. Следователно, само неговите соли са известни, а не самата тя, като разтвор.

Въглеродни халогениди - се получават основно индиректно, тъй като директният синтез се извършва само при много високи температури и с нисък добив на продукта. Един от най-разпространените - CCL₄ - въглероден тетрахлорид. Токсично съединение, което може да причини отравяне при вдишване. Получава се чрез реакции на радикално фотохимично заместване на водородни атоми в метан.

Металните карбиди са въглеродни съединения, в които проявява степен на окисление 4. Съществуването на асоциации с бор и силиций също е възможно. Основното свойство на карбидите на някои метали (алуминий, волфрам, титан, ниобий, тантал, хафний) е висока якост и отлична електропроводимост. Борният карбид В₄С е едно от най-твърдите вещества след диаманта (9,5 по Моос). Тези съединения се използват в инженерството, както и в химическата промишленост, като източници за производство на въглеводороди (калциевият карбид с вода води до образуването на ацетилен и калциев хидроксид).

Много метални сплави са направени с помощта на въглерод, като по този начин значително се повишава тяхното качество и технически характеристики (стоманата е сплав от желязо и въглерод).

Специално внимание заслужават множеството органични съединения на въглерода, в които той е основен елемент, способен да се комбинира с едни и същи атоми в дълги вериги с различни структури. Те включват:

• алкани;
• алкени;
• арени;
• протеини;
• въглехидрати;
• нуклеинови киселини;
• алкохоли;
• карбоксилни киселини и много други класове вещества.

Използване на въглерод

Значението на въглеродните съединения и техните алотропни модификации в човешкия живот е много голямо. Можете да посочите няколко от най-глобалните индустрии, за да стане ясно, че това е вярно.

1. Този елемент образува всички видове изкопаеми горива, от които човек получава енергия.
2. Металургичната индустрия използва въглерод като най-силния редуктор за получаване на метали от техните съединения. Карбонатите също са широко използвани тук.
3. Строителството и химическата промишленост консумират огромни количества въглеродни съединения, за да синтезират нови вещества и да получат необходимите продукти.

Можете също да назовете такива сектори на икономиката като:

• ядрена индустрия;
• бижута;
• техническо оборудване (лубриканти, термоустойчиви тигели, моливи и др.);
• определяне на геоложката възраст на скалите - радиоактивен индикатор ¹⁴С;
• въглеродът е отличен адсорбент, което го прави подходящ за направа на филтри.

Обръщение в природата

Масата въглерод, открит в природата, е включена в постоянен цикъл, който се върти всяка секунда около земното кълбо. Така атмосферният източник на въглерод - CO₂, се абсорбирарастения и се освобождава от всички живи същества в процеса на дишане. Веднъж попаднал в атмосферата, той се абсорбира отново и така цикълът не спира. В същото време смъртта на органичните остатъци води до освобождаване на въглерод и неговото натрупване в земята, откъдето той отново се абсорбира от живите организми и се освобождава в атмосферата под формата на газ.