Un dels elements més sorprenents que poden formar una gran varietat de compostos de naturalesa orgànica i inorgànica és el carboni. Aquest element és tan inusual en les seves propietats que fins i tot Mendeleiev li va predir un gran futur, parlant de característiques que encara no s'han revelat.
Després es va confirmar pràcticament. Es va saber que és el principal element biogènic del nostre planeta, que forma part de absolutament tots els éssers vius. A més, és capaç d'existir en formes radicalment diferents en tots els aspectes, però que al mateix temps consisteixen només en àtoms de carboni.
En general, aquesta estructura té moltes característiques, i intentarem tractar-les al llarg de l'article.
Carboni: fórmula i posició en el sistema d'elements
En el sistema periòdic, l'element carboni es troba al grup IV (segons el nou model en 14), el subgrup principal. El seu número de sèrie és 6 i el seu pes atòmic és 12 011. La designació d'un element amb el signe C indica el seu nom en llatí - carboneum. Hi ha diverses formes diferents en què existeix el carboni. Per tant, la seva fórmula és diferent i depèn de la modificació específica.
No obstant això, per escriure equacions de reacció, la notació és específica,per descomptat tenir. En general, quan es parla d'una substància en la seva forma pura, s'adopta la fórmula molecular del carboni C, sense indexació.
Historial de descoberta d'elements
Aquest element en si és conegut des de l'antiguitat. Després de tot, un dels minerals més importants de la natura és el carbó. Per tant, per als antics grecs, romans i altres nacionalitats, no era un secret.
A més d'aquesta varietat, també es van utilitzar diamants i grafit. Hi va haver moltes situacions confuses amb aquest últim durant molt de temps, ja que sovint, sense anàlisi de la composició, aquests compostos es prenen per al grafit, com ara:
- plom de plata;
- carbur de ferro;
- sulfur de molibdè.
Tots estaven pintats de negre i, per tant, es consideraven grafit. Més tard, aquest malentès es va aclarir i aquesta forma de carboni es va convertir en ella mateixa.
Des de l'any 1725, els diamants tenen una gran importància comercial, i l'any 1970 s'ha dominat la tecnologia d'obtenció d'ells de manera artificial. Des de 1779, gràcies al treball de Karl Scheele, s'han estudiat les propietats químiques que presenta el carboni. Aquest va ser l'inici d'una sèrie de descobriments importants en el camp d'aquest element i es va convertir en la base per descobrir totes les seves característiques més singulars.
Isòtops de carboni i distribució a la natura
Malgrat que l'element en qüestió és un dels biogènics més importants, el seu contingut total en la massa de l'escorça terrestre és del 0,15%. Això es deu al fet que està sotmès a una circulació constant, un cicle natural a la natura.
En general, n'hi ha diversoscompostos minerals que contenen carboni. Aquestes són races naturals com:
- dolomies i calcàries;
- antracita;
- esquist bituminós;
- gas natural;
- carbó;
- oli;
- lignit;
- torba;
- betum.
A més d'això, no ens hem d'oblidar dels éssers vius, que són només un dipòsit de compostos de carboni. Al cap i a la fi, van formar proteïnes, greixos, hidrats de carboni, àcids nucleics, la qual cosa significa les molècules estructurals més vitals. En general, en la conversió del pes corporal sec de 70 kg, 15 cau sobre un element pur. I així passa amb totes les persones, sense oblidar els animals, les plantes i altres criatures.
Si considerem la composició de l'aire i l'aigua, és a dir, la hidrosfera en el seu conjunt i l'atmosfera, aleshores hi ha una barreja de carboni-oxigen, expressada per la fórmula CO2. El diòxid o diòxid de carboni és un dels principals gasos que formen l'aire. És en aquesta forma que la fracció en massa del carboni és del 0,046%. Encara es dissol més diòxid de carboni a les aigües dels oceans.
La massa atòmica del carboni com a element és 12.011. Se sap que aquest valor es calcula com la mitjana aritmètica entre els pesos atòmics de totes les espècies isotòpiques que existeixen a la natura, tenint en compte la seva prevalença (com a percentatge).). Aquest és també el cas de la substància en qüestió. Hi ha tres isòtops principals en els quals es troba el carboni. Això és:
- 12С: la seva fracció de massa en la gran majoria és del 98,93%;
- 13C -1,07%;
- 14C - radioactiu, vida mitjana 5700 anys, emissor beta estable.
En la pràctica de determinar l'edat geocronològica de les mostres, s'utilitza àmpliament l'isòtop radioactiu 14С, que és un indicador a causa del seu llarg període de desintegració.
Modificacions al·lotròpiques d'un element
El carboni és un element que existeix com a substància simple en diverses formes. És a dir, és capaç de formar el major nombre de modificacions al·lotròpiques que es coneixen avui dia.
1. Variacions cristal·lines: existeixen en forma d'estructures fortes amb gelosies de tipus atòmic regulars. Aquest grup inclou varietats com ara:
- diamants;
- fullerenes;
- grafits;
- carabines;
- lonsdaleites;
- fibres i tubs de carboni.
Tots ells es diferencien en l'estructura de la xarxa cristal·lina, en els nodes de la qual hi ha un àtom de carboni. D'aquí les propietats úniques i diferents, tant físiques com químiques.
2. Formes amorfes: estan formades per un àtom de carboni, que forma part d'alguns compostos naturals. És a dir, no es tracta de varietats pures, sinó amb impureses d' altres elements en petites quantitats. Aquest grup inclou:
- carbó activat;
- pedra i fusta;
- sutge;
- nanoescuma de carboni;
- antracita;
- carbon vidre;
- un tipus de substància tècnica.
També estan units per característiquesestructures de la xarxa cristal·lina, explicant i manifestant propietats.
3. Compostos de carboni en forma de cúmuls. Aquesta estructura en la qual els àtoms estan tancats en una conformació especial buida des de l'interior, plena d'aigua o els nuclis d' altres elements. Exemples:
- nanocons de carboni;
- astralens;
- dicarbon.
Propietats físiques del carboni amorf
A causa de la gran varietat de modificacions al·lotròpiques, és difícil identificar les propietats físiques comuns del carboni. És més fàcil parlar d'una forma concreta. Per exemple, el carboni amorf té les característiques següents.
- Al cor de totes les formes hi ha varietats fines de grafit.
- Capacitat tèrmica alta.
- Bones propietats conductores.
- La densitat de carboni és d'uns 2 g/cm3.
- Quan s'escalfa per sobre de 1600 0C, es produeix una transició a les formes de grafit.
Les varietats de sutge, carbó vegetal i pedra s'utilitzen àmpliament amb finalitats industrials. No són una manifestació de la modificació del carboni en la seva forma pura, però el contenen en quantitats molt grans.
Carbon cristal·lí
Hi ha diverses opcions en què el carboni és una substància que forma cristalls regulars de diversos tipus, on els àtoms estan connectats en sèrie. Com a resultat, es formen les modificacions següents.
- Diamant. L'estructura és cúbica, en la qual estan connectats quatre tetraedres. Com a resultat, tots els enllaços químics covalents de cada àtommàxima saturat i duradora. Això explica les propietats físiques: la densitat del carboni és de 3300 kg/m3. Alta duresa, baixa capacitat calorífica, manca de conductivitat elèctrica: tot això és el resultat de l'estructura de la xarxa cristal·lina. Hi ha diamants obtinguts tècnicament. Es formen durant la transició del grafit a la següent modificació sota la influència de l' alta temperatura i una certa pressió. En general, el punt de fusió del diamant és tan alt com la força: uns 3500 0C.
- Grafit. Els àtoms estan disposats de manera similar a l'estructura de la substància anterior, tanmateix, només tres enllaços estan saturats, i el quart es fa més llarg i menys fort, connecta les "capes" dels anells hexagonals de la xarxa. Com a resultat, resulta que el grafit és una substància negra suau i grassa al tacte. Té una bona conductivitat elèctrica i un punt de fusió elevat: 3525 0C. Capaç de sublimació: sublimació d'un estat sòlid a un estat gasós, sense passar per l'estat líquid (a una temperatura de 3700 0С). La densitat del carboni és de 2,26 g/cm3, que és molt inferior a la del diamant. Això explica les seves diferents propietats. A causa de l'estructura en capes de la xarxa cristal·lina, és possible utilitzar grafit per a la fabricació de mines de llapis. Quan es llisca pel paper, els flocs es desprenen i deixen una marca negra al paper.
- Fullerenes. Només es van obrir als anys 80 del segle passat. Són modificacions en les quals els carbonis estan interconnectats en una estructura especial tancada convexa, que té al centrebuit. I la forma d'un cristall: un poliedre, l'organització correcta. El nombre d'àtoms és parell. La forma més famosa de fullerene és С60. Durant la investigació es van trobar mostres d'una substància similar:
- meteorits;
- sediments inferiors;
- folgurite;
- shungite;
- espai exterior, on es troba en forma de gasos.
Totes les varietats de carboni cristal·lí tenen una gran importància pràctica, ja que tenen una sèrie de propietats útils en enginyeria.
Reactivitat
El carboni molecular presenta una baixa reactivitat a causa de la seva configuració estable. Es pot forçar a entrar en reaccions només impartint energia addicional a l'àtom i forçant els electrons del nivell exterior a evaporar-se. En aquest punt, la valència esdevé 4. Per tant, en els compostos, té un estat d'oxidació de + 2, + 4, - 4.
Pràcticament totes les reaccions amb substàncies simples, tant metàl·liques com no metalls, es desenvolupen sota la influència de temperatures elevades. L'element en qüestió pot ser alhora un agent oxidant i un agent reductor. No obstant això, aquestes últimes propietats hi són especialment pronunciades, i aquesta és la base per al seu ús en les indústries metal·lúrgiques i altres.
En general, la capacitat d'entrar en interacció química depèn de tres factors:
- dispersió de carboni;
- modificació al·lotròpica;
- temperatura de reacció.
Per tant, en alguns casos hi ha una interacció amb el següentsubstàncies:
- no-metalls (hidrogen, oxigen);
- metalls (alumini, ferro, calci i altres);
- òxids metàl·lics i les seves sals.
No reacciona amb àcids i àlcalis, molt rarament amb halògens. La més important de les propietats del carboni és la capacitat de formar cadenes llargues entre si. Poden tancar-se en cicle, formar branques. Així és com es forma la formació de compostos orgànics, que avui dia compten per milions. La base d'aquests compostos són dos elements: carboni, hidrogen. També es poden incloure altres àtoms: oxigen, nitrogen, sofre, halògens, fòsfor, metalls i altres.
Compostos principals i les seves característiques
Hi ha molts compostos diferents que contenen carboni. La fórmula del més famós d'ells és CO2 - diòxid de carboni. Tanmateix, a més d'aquest òxid, també hi ha monòxid de CO o monòxid de carboni, així com subòxid C3O2.
Dentre les sals que contenen aquest element, les més habituals són els carbonats de calci i magnesi. Per tant, el carbonat de calci té diversos sinònims en el nom, ja que es presenta a la natura en la forma:
- guix;
- marbre;
- pedra calcària;
- dolomita.
La importància dels carbonats de metalls alcalinotèrres es manifesta en el fet que són participants actius en la formació d'estalactites i estalagmites, així com de les aigües subterrànies.
L'àcid carbònic és un altre compost que forma carboni. La seva fórmula ésH2CO3. Tanmateix, en la seva forma habitual, és extremadament inestable i es descompon immediatament en diòxid de carboni i aigua en solució. Per tant, només es coneixen les seves sals, i no ella mateixa, com a solució.
Halogenurs de carboni - s'obtenen principalment de manera indirecta, ja que la síntesi directa només es realitza a temperatures molt elevades i amb un baix rendiment del producte. Un dels més comuns - CCL4 - tetraclorur de carboni. Un compost tòxic que pot causar intoxicació si s'inhala. S'obté per reaccions de substitució fotoquímica radical d'àtoms d'hidrogen en metà.
Els carburs metàl·lics són compostos de carboni en els quals presenta un estat d'oxidació de 4. També és possible l'existència d'associacions amb bor i silici. La propietat principal dels carburs d'alguns metalls (alumini, tungstè, titani, niobi, tàntal, hafni) és l' alta resistència i una excel·lent conductivitat elèctrica. El carbur de bor В4С és una de les substàncies més dures després del diamant (9,5 segons Mohs). Aquests compostos s'utilitzen en enginyeria, així com en la indústria química, com a fonts per a la producció d'hidrocarburs (el carbur de calci amb aigua condueix a la formació d'acetilè i hidròxid de calci).
Molts aliatges metàl·lics es fabriquen amb carboni, la qual cosa n'augmenta significativament la qualitat i les característiques tècniques (l'acer és un aliatge de ferro i carboni).
Una atenció especial mereix nombrosos compostos orgànics del carboni, en els quals és un element fonamental capaç de combinar-se amb els mateixos àtoms en llargues cadenes d'estructures diverses. Aquests inclouen:
- alcans;
- alquenes;
- arenes;
- proteïnes;
- carbs;
- àcids nucleics;
- alcohols;
- àcids carboxílics i moltes altres classes de substàncies.
Ús de carboni
La importància dels compostos de carboni i les seves modificacions al·lotròpiques en la vida humana és molt alta. Podeu esmentar algunes de les indústries més globals per deixar clar que això és cert.
- Aquest element forma tot tipus de combustibles fòssils dels quals una persona rep energia.
- La indústria metal·lúrgica utilitza el carboni com a agent reductor més fort per obtenir metalls dels seus compostos. Els carbonats també s'utilitzen àmpliament aquí.
- La construcció i la indústria química consumeixen grans quantitats de compostos de carboni per sintetitzar noves substàncies i obtenir els productes necessaris.
També podeu anomenar sectors de l'economia com:
- indústria nuclear;
- joieria;
- equip tècnic (lubricants, gresols resistents a la calor, llapis, etc.);
- determinació de l'edat geològica de les roques - traçador radioactiu 14С;
- carbon és un excel·lent adsorbent, la qual cosa el fa adequat per fer filtres.
Circulació a la natura
La massa de carboni que es troba a la natura s'inclou en un cicle constant que gira cada segon al voltant del món. Així, s'absorbeix la font atmosfèrica de carboni - CO2plantes i és alliberat per tots els éssers vius en el procés de respiració. Un cop a l'atmosfera, es torna a absorbir, i així el cicle no s'atura. Al mateix temps, la mort dels residus orgànics provoca l'alliberament de carboni i la seva acumulació a la terra, des d'on torna a ser absorbit pels organismes vius i alliberat a l'atmosfera en forma de gas.
