Čovek je napravljen od ugljenika. Osobine strukture atoma ugljika. Interakcija silicija sa složenim supstancama

MOU "Nikiforovskaya srednja škola br. 1"

Ugljik i njegova glavna anorganska jedinjenja

apstraktno

Izvršio: učenik 9B odeljenja

Sidorov Alexander

Učitelj: Saharova L.N.

Dmitrievka 2009

Uvod

Poglavlje I. Sve o ugljiku

1.1. ugljenik u prirodi

1.2. Alotropske modifikacije ugljika

1.3. Hemijska svojstva ugljika

1.4. Primjena ugljika

Poglavlje II. Neorganska jedinjenja ugljenika

Zaključak

Književnost

Uvod

Ugljenik (lat. Carboneum) C je hemijski element IV grupe periodnog sistema Mendeljejeva: atomski broj 6, atomska masa 12.011(1). Razmotrite strukturu atoma ugljika. Na vanjskom energetskom nivou atoma ugljika nalaze se četiri elektrona. Hajde da to napišemo grafikonom:

Ugljik je poznat od davnina, a ime otkrića ovog elementa nije poznato.

Krajem XVII vijeka. Firentinski naučnici Averani i Targioni pokušali su da spoje nekoliko malih dijamanata u jedan veliki i zagrijali ih uz pomoć gorućeg stakla sunčevim zracima. Dijamanti su nestali nakon što su izgorjeli u zraku. Francuski hemičar A. Lavoisier je 1772. godine pokazao da CO 2 nastaje tokom sagorevanja dijamanta. Tek 1797. godine engleski naučnik S. Tennant dokazao je identitet prirode grafita i uglja. Nakon sagorevanja jednakih količina uglja i dijamanta, ispostavilo se da su zapremine ugljen monoksida (IV) iste.

Raznolikost ugljikovih spojeva, koja se objašnjava sposobnošću njegovih atoma da se međusobno kombinuju i sa atomima drugih elemenata na različite načine, određuje poseban položaj ugljika među ostalim elementima.

Poglavlje I . Sve o ugljiku

1.1. ugljenik u prirodi

Ugljik se u prirodi nalazi iu slobodnom stanju i u obliku spojeva.

Slobodni ugljik se javlja u obliku dijamanta, grafita i karabina.

Dijamanti su veoma rijetki. Najveći poznati dijamant - "Cullinan" pronađen je 1905. godine u Južnoj Africi, težio je 621,2 g i imao je dimenzije 10 × 6,5 × 5 cm. Dijamantski fond u Moskvi čuva jedan od najvećih i najljepših dijamanata na svijetu - "Orlov" (37,92). g).

Dijamant je dobio ime po grčkom. "adamas" - nepobjediv, neuništiv. Najznačajnija nalazišta dijamanata nalaze se u Južnoj Africi, Brazilu i Jakutiji.

Velika nalazišta grafita nalaze se u Njemačkoj, na Šri Lanki, u Sibiru, na Altaju.

Glavni minerali koji sadrže ugljenik su: magnezit MgCO 3, kalcit (krečnjak, krečnjak, mermer, kreda) CaCO 3, dolomit CaMg (CO 3) 2 itd.

Sva fosilna goriva - nafta, gas, treset, kameni i mrki ugalj, škriljac - izgrađena su na bazi ugljenika. Po sastavu bliski ugljeniku su neki fosilni ugljevi koji sadrže do 99% C.

Ugljenik čini 0,1% zemljine kore.

U obliku ugljičnog monoksida (IV) CO 2 ugljik je dio atmosfere. Velika količina CO 2 je otopljena u hidrosferi.

1.2. Alotropske modifikacije ugljika

Elementarni ugljik formira tri alotropske modifikacije: dijamant, grafit, karabin.

1. Dijamant je bezbojna, prozirna kristalna supstanca koja izuzetno snažno lomi svjetlosne zrake. Atomi ugljika u dijamantu su u stanju sp 3 hibridizacije. U pobuđenom stanju, valentni elektroni u atomima ugljika su upareni i formiraju se četiri nesparena elektrona. Kada se formiraju hemijske veze, elektronski oblaci dobijaju isti izduženi oblik i nalaze se u prostoru tako da su njihove ose usmerene prema vrhovima tetraedra. Kada se vrhovi ovih oblaka preklapaju s oblacima drugih atoma ugljika, pojavljuju se kovalentne veze pod uglom od 109°28", i formira se atomska kristalna rešetka, karakteristična za dijamant.

Svaki atom ugljika u dijamantu okružen je sa četiri druga koja se nalaze od njega u smjerovima od centra tetraedra do vrhova. Udaljenost između atoma u tetraedrima je 0,154 nm. Jačina svih veza je ista. Dakle, atomi u dijamantu su "upakovani" vrlo čvrsto. Na 20°C, gustina dijamanta je 3,515 g/cm 3 . To objašnjava njegovu izuzetnu tvrdoću. Dijamant je loš provodnik struje.

Godine 1961. u Sovjetskom Savezu počela je industrijska proizvodnja sintetičkih dijamanata od grafita.

U industrijskoj sintezi dijamanata koriste se pritisci od hiljada MPa i temperature od 1500 do 3000°C. Proces se izvodi u prisustvu katalizatora, koji mogu biti neki metali, kao što je Ni. Najveći dio formiranih dijamanata su mali kristali i dijamantska prašina.

Dijamant, kada se zagrije bez pristupa zraku iznad 1000 ° C, pretvara se u grafit. Na 1750°C transformacija dijamanta u grafit se odvija brzo.

Struktura dijamanta

2. Grafit je sivo-crna kristalna supstanca metalnog sjaja, masna na dodir, lošija tvrdoće čak i od papira.

Atomi ugljika u kristalima grafita su u stanju sp 2 hibridizacije: svaki od njih formira tri kovalentne σ veze sa susjednim atomima. Uglovi između pravaca veza su 120°. Rezultat je mreža sastavljena od pravilnih šesterokuta. Udaljenost između susjednih jezgara ugljikovih atoma unutar sloja je 0,142 nm. Četvrti elektron vanjskog sloja svakog atoma ugljika u grafitu zauzima p-orbitalu, koja nije uključena u hibridizaciju.

Nehibridni elektronski oblaci atoma ugljenika orijentisani su okomito na ravan sloja i preklapajući se jedan sa drugim, formiraju delokalizovane σ-veze. Susedni slojevi u kristalu grafita nalaze se na udaljenosti od 0,335 nm jedan od drugog i slabo su međusobno povezani, uglavnom van der Waalsovim silama. Zbog toga grafit ima nisku mehaničku čvrstoću i lako se cijepa u ljuspice, koje su same po sebi vrlo jake. Veza između slojeva atoma ugljika u grafitu je djelomično metalna. To objašnjava činjenicu da grafit dobro provodi struju, ali još uvijek ne tako dobro kao metali.

grafitna struktura

Fizička svojstva grafita se jako razlikuju u smjerovima - okomito i paralelno sa slojevima atoma ugljika.

Kada se zagreva bez pristupa vazduhu, grafit se ne menja do 3700°C. Na ovoj temperaturi sublimira bez topljenja.

Umjetni grafit se dobiva iz najboljih vrsta kamenog uglja na 3000°C u električnim pećima bez pristupa zraka.

Grafit je termodinamički stabilan u širokom rasponu temperatura i pritisaka, pa je prihvaćen kao standardno stanje ugljika. Gustina grafita je 2,265 g/cm 3 .

3. Karbin - sitnozrnati crni prah. U svojoj kristalnoj strukturi, atomi ugljika su povezani naizmjeničnim jednostrukim i trostrukim vezama u linearne lance:

−S≡S−S≡S−S≡S−

Ovu supstancu prvi je dobio V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatočkin, Yu.P. Kudryavtsev ranih 1960-ih.

Kasnije se pokazalo da karabin može postojati u različitim oblicima i da sadrži i poliacetilenske i polikumulenske lance u kojima su atomi ugljika povezani dvostrukim vezama:

C=C=C=C=C=C=

Kasnije je karabin pronađen u prirodi - u meteoritskoj materiji.

Carbyne ima poluvodička svojstva; pod djelovanjem svjetlosti njegova provodljivost se značajno povećava. Zbog postojanja različitih vrsta veza i različitih načina polaganja lanaca atoma ugljika u kristalnoj rešetki, fizička svojstva karabina mogu varirati u širokom rasponu. Kada se zagrije bez pristupa zraku iznad 2000°C, karabin je stabilan; na temperaturama od oko 2300°C uočava se njegov prijelaz u grafit.

Prirodni ugljenik se sastoji od dva izotopa (98,892%) i (1,108%). Osim toga, u atmosferi su pronađene manje nečistoće radioaktivnog izotopa, koje se dobivaju umjetnim putem.

Ranije se vjerovalo da su drveni ugljen, čađ i koks po sastavu bliski čistom ugljiku i da se po svojstvima razlikuju od dijamanta i grafita, predstavljaju nezavisnu alotropsku modifikaciju ugljika („amorfni ugljik“). Međutim, otkriveno je da se ove tvari sastoje od najmanjih kristalnih čestica u kojima su atomi ugljika povezani na isti način kao u grafitu.

4. Ugalj - fino usitnjeni grafit. Nastaje tokom termičke razgradnje spojeva koji sadrže ugljik bez pristupa zraka. Ugljevi se značajno razlikuju po svojstvima u zavisnosti od supstance od koje se dobija i načina pripreme. Uvek sadrže nečistoće koje utiču na njihova svojstva. Najvažnije vrste uglja su koks, drveni ugalj i čađ.

Koks se dobija zagrevanjem uglja u nedostatku vazduha.

Drveni ugalj nastaje kada se drvo zagreva u nedostatku vazduha.

Čađ je vrlo fini grafitni kristalni prah. Nastaje pri sagorevanju ugljovodonika (prirodni gas, acetilen, terpentin, itd.) sa ograničenim pristupom vazduha.

Aktivni uglji su porozni industrijski adsorbenti koji se uglavnom sastoje od ugljika. Adsorpcija je apsorpcija s površine čvrstih tijela plinova i otopljenih tvari. Aktivni uglji se dobijaju iz čvrstih goriva (treset, mrki i kameni ugalj, antracit), drveta i njegovih proizvoda (drveni ugalj, piljevina, otpad od proizvodnje papira), otpada iz kožne industrije, životinjskih materijala, kao što su kosti. Ugljevi, koji se odlikuju visokom mehaničkom čvrstoćom, proizvode se od ljuske kokosa i drugih orašastih plodova, od sjemenki voća. Strukturu uglja predstavljaju pore svih veličina, međutim, adsorpcioni kapacitet i brzina adsorpcije određuju se sadržajem mikropora po jedinici mase ili zapremine granula. U proizvodnji aktivnog ugljena sirovina se prvo podvrgava toplinskoj obradi bez pristupa zraka, zbog čega se iz nje uklanja vlaga i djelomično smole. U tom slučaju nastaje struktura uglja s velikim porama. Da bi se dobila mikroporozna struktura, aktivacija se provodi ili oksidacijom plinom ili parom, ili obradom kemijskim reagensima.

1.3. Hemijska svojstva ugljika

Na uobičajenim temperaturama, dijamant, grafit i ugalj su hemijski inertni, ali na visokim temperaturama njihova aktivnost raste. Kao što slijedi iz strukture glavnih oblika ugljika, ugalj reagira lakše od grafita, a još više od dijamanta. Grafit ne samo da je reaktivniji od dijamanta, već, reagirajući s određenim tvarima, može formirati proizvode koje dijamant ne stvara.

1. Kao oksidaciono sredstvo, ugljenik reaguje sa određenim metalima na visokim temperaturama i formira karbide:

ZS + 4Al \u003d Al 4 C 3 (aluminij karbid).

2. Sa vodonikom, ugalj i grafit formiraju ugljovodonike. Najjednostavniji predstavnik - metan CH 4 - može se dobiti u prisustvu Ni katalizatora na visokoj temperaturi (600-1000 ° C):

C + 2H 2 CH 4.

3. Kada je u interakciji sa kiseonikom, ugljenik pokazuje redukciona svojstva. Potpunim sagorijevanjem ugljika bilo koje alotropske modifikacije nastaje ugljični monoksid (IV):

C + O 2 \u003d CO 2.

Nepotpuno sagorevanje proizvodi ugljen monoksid (II) CO:

C + O 2 \u003d 2CO.

Obje reakcije su egzotermne.

4. Redukciona svojstva uglja posebno su izražena pri interakciji sa oksidima metala (cink, bakar, olovo itd.), na primer:

C + 2CuO \u003d CO 2 + 2Cu,

C + 2ZnO = CO 2 + 2Zn.

Na ovim reakcijama zasniva se najvažniji proces metalurgije – taljenje metala iz ruda.

U drugim slučajevima, na primjer, pri interakciji s kalcijevim oksidom nastaju karbidi:

CaO + 3C \u003d CaC 2 + CO.

5. Ugalj se oksidira vrućom koncentriranom sumpornom i dušičnom kiselinom:

C + 2H 2 SO 4 \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O,

ZS + 4HNO 3 \u003d ZSO 2 + 4NO + 2H 2 O.

Svi oblici ugljika su otporni na alkalije!

1.4. Primjena ugljika

Dijamanti se koriste za obradu raznih tvrdih materijala, za rezanje, brušenje, bušenje i graviranje stakla, za bušenje stijena. Dijamanti se nakon brušenja i rezanja pretvaraju u dijamante koji se koriste kao nakit.

Grafit je najvredniji materijal za savremenu industriju. Grafit se koristi za izradu kalupa za livenje, lonaca za topljenje i drugih vatrostalnih proizvoda. Zbog svoje visoke hemijske otpornosti, grafit se koristi za izradu cijevi i aparata obloženih grafitnim pločama iznutra. Značajne količine grafita se koriste u elektroindustriji, na primjer, u proizvodnji elektroda. Grafit se koristi za izradu olovaka i nekih boja, kao mazivo. Vrlo čisti grafit se koristi u nuklearnim reaktorima za umjerene neutrone.

Linearni polimer ugljika, karabin, privlači pažnju naučnika kao obećavajući materijal za proizvodnju poluprovodnika koji mogu raditi na visokim temperaturama i ultra jakim vlaknima.

Drveni ugljen se koristi u metalurškoj industriji, u kovačkom zanatu.

Koks se koristi kao redukciono sredstvo pri topljenju metala iz ruda.

Čađ se koristi kao punilo za gumu za povećanje čvrstoće, pa su automobilske gume crne. Čađ se takođe koristi kao komponenta štamparskih boja, mastila i laka za cipele.

Aktivni ugljen se koristi za pročišćavanje, ekstrakciju i odvajanje različitih supstanci. Aktivni ugljen se koristi kao punilo za gas maske i kao sorbent u medicini.

Poglavlje II . Neorganska jedinjenja ugljenika

Ugljenik stvara dva oksida - ugljen monoksid (II) CO i ugljen monoksid (IV) CO 2.

Ugljenmonoksid (II) CO je bezbojan gas bez mirisa, slabo rastvorljiv u vodi. Zove se ugljen monoksid jer je veoma otrovan. Ulazeći u krv tokom disanja, brzo se kombinuje sa hemoglobinom, formirajući jako jedinjenje karboksihemoglobina, čime hemoglobin lišava sposobnosti da prenosi kiseonik.

Prilikom udisanja zraka koji sadrži 0,1% CO, osoba može iznenada izgubiti svijest i umrijeti. Ugljenmonoksid nastaje prilikom nepotpunog sagorevanja goriva, zbog čega je prevremeno zatvaranje dimnjaka toliko opasno.

Ugljični monoksid (II) se, kao što već znate, odnosi na okside koji ne stvaraju sol, jer, budući da je oksid nemetala, mora reagirati sa alkalijama i bazičnim oksidima da bi nastao sol i vodu, ali to se ne primjećuje.

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

Ugljenmonoksid (II) je u stanju da uzima kiseonik iz metalnih oksida, tj. obnavljaju metale iz njihovih oksida.

Fe 2 O 3 + ZSO \u003d 2Fe + ZSO 2.

Upravo se ovo svojstvo ugljičnog monoksida (II) koristi u metalurgiji za topljenje željeza.

Ugljen monoksid (IV) CO 2 - poznatiji kao ugljen dioksid - je bezbojan gas bez mirisa. Otprilike je jedan i po puta teži od vazduha. U normalnim uslovima, 1 zapremina ugljen-dioksida se rastvara u 1 zapremini vode.

Pri pritisku od oko 60 atm ugljični dioksid se pretvara u bezbojnu tekućinu. Kada tečni ugljični dioksid ispari, dio se pretvara u čvrstu masu nalik snijegu, koja se preša u industriji - to je poznati "suhi led" koji se koristi za skladištenje hrane. Već znate da čvrsti ugljični dioksid ima molekularnu rešetku i da je sposoban za sublimaciju.

Ugljični dioksid CO 2 je tipičan kiseli oksid: reagira s alkalijama (na primjer, uzrokuje zamućenje vapnene vode), s bazičnim oksidima i s vodom.

Ne gori i ne podržava sagorevanje i stoga se koristi za gašenje požara. Međutim, magnezij nastavlja sagorijevati u ugljičnom dioksidu stvarajući oksid i oslobađajući ugljik kao čađ.

CO 2 + 2Mg \u003d 2MgO + C.

Ugljični dioksid se dobiva djelovanjem na soli ugljične kiseline - karbonate s otopinama klorovodične, dušične, pa čak i octene kiseline. U laboratoriju, ugljični dioksid nastaje djelovanjem klorovodične kiseline na kredu ili mramor.

CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 0 + C0 2.

U industriji, ugljen dioksid se proizvodi sagorevanjem krečnjaka:

CaCO 3 \u003d CaO + C0 2.

Ugljični dioksid, osim već spomenutog područja primjene, koristi se i za proizvodnju gaziranih pića i za proizvodnju sode.

Kada se ugljični monoksid (IV) otopi u vodi, nastaje ugljična kiselina H 2 CO 3 koja je vrlo nestabilna i lako se razlaže na svoje izvorne komponente - ugljični dioksid i vodu.

Kao dvobazna kiselina, ugljena kiselina formira dvije serije soli: srednje - karbonate, na primjer CaCO 3, i kisele - bikarbonate, na primjer Ca (HCO 3) 2. Od karbonata, samo kalijeve, natrijeve i amonijumove soli su rastvorljive u vodi. Soli kiselina su obično rastvorljive u vodi.

Uz višak ugljičnog dioksida u prisustvu vode, karbonati se mogu pretvoriti u ugljikovodike. Dakle, ako se ugljični dioksid propušta kroz krečnu vodu, tada će se prvo zamutiti zbog taloženja u vodi nerastvorljivog kalcijum karbonata, međutim, daljnjim prolaskom ugljičnog dioksida, zamućenje nestaje kao rezultat stvaranja rastvorljivog kalcijum bikarbonata :

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2.

Prisutnost ove soli objašnjava privremenu tvrdoću vode. Zašto privremeno? Jer kada se zagrije, rastvorljivi kalcijum bikarbonat se ponovo pretvara u nerastvorljivi karbonat:

Ca (HCO 3) 2 \u003d CaCO 3 ↓ + H 2 0 + C0 2.

Ova reakcija dovodi do stvaranja kamenca na zidovima kotlova, cijevi za parno grijanje i kućnih kotlova, a u prirodi kao rezultat te reakcije nastaju bizarni stalaktiti koji vise u pećinama, prema kojima odozdo rastu stalagmiti.

Druge soli kalcija i magnezija, posebno hloridi i sulfati, daju vodi trajnu tvrdoću. Trajna tvrdoća vode koja ključa ne može se eliminisati. Morate koristiti drugi karbonat - sodu.

Na 2 CO 3, koji precipitira ove ione Ca 2+, na primjer:

CaCl 2 + Na 2 CO 3 \u003d CaCO 3 ↓ + 2NaCl.

Soda se također može koristiti za uklanjanje privremene tvrdoće vode.

Karbonati i bikarbonati se mogu otkriti pomoću kiselih otopina: kada su izloženi kiselinama, uočava se karakteristično "ključanje" zbog oslobođenog ugljičnog dioksida.

Ova reakcija je kvalitativna reakcija na soli ugljične kiseline.

Zaključak

Sav život na Zemlji zasnovan je na ugljeniku. Svaki molekul živog organizma izgrađen je na bazi ugljičnog skeleta. Atomi ugljika neprestano migriraju iz jednog dijela biosfere (uske ljuske Zemlje gdje postoji život) u drugi. Na primjeru ciklusa ugljika u prirodi može se pratiti dinamika života na našoj planeti u dinamici.

Glavne rezerve ugljika na Zemlji su u obliku ugljičnog dioksida sadržanog u atmosferi i otopljenog u oceanima, odnosno ugljičnog dioksida (CO 2). Razmotrimo prvo molekule ugljičnog dioksida u atmosferi. Biljke apsorbuju ove molekule, zatim se u procesu fotosinteze atom ugljika pretvara u razna organska jedinjenja i tako uključuje u strukturu biljaka. Slijedi nekoliko opcija:

1. Ugljik može ostati u biljkama sve dok biljke ne umru. Tada će njihove molekule pojesti razlagači (organizmi koji se hrane mrtvom organskom materijom i istovremeno je razlažu do jednostavnih neorganskih spojeva), kao što su gljive i termiti. Na kraju će se ugljenik vratiti u atmosferu kao CO 2 ;

2. Biljojedi mogu jesti biljke. U ovom slučaju, ugljenik će se ili vratiti u atmosferu (tokom disanja životinja i tokom njihovog raspadanja nakon smrti), ili će biljojede pojesti mesožderi (i tada će se ugljenik ponovo vratiti u atmosferu na isti način);

3. Biljke mogu umrijeti i završiti pod zemljom. Onda će se na kraju pretvoriti u fosilna goriva - na primjer, u ugalj.

U slučaju rastvaranja originalne molekule CO 2 u morskoj vodi, moguće je i nekoliko opcija:

Ugljični dioksid se jednostavno može vratiti u atmosferu (ovaj tip međusobne izmjene plinova između okeana i atmosfere događa se cijelo vrijeme);

Ugljik može ući u tkiva morskih biljaka ili životinja. Zatim će se postepeno akumulirati u obliku sedimenata na dnu okeana i na kraju pretvoriti u krečnjak ili ponovo preći iz sedimenata u morsku vodu.

Kada se ugljenik ugradi u sedimente ili fosilna goriva, uklanja se iz atmosfere. Za vrijeme postojanja Zemlje, tako povučeni ugljik je zamijenjen ugljičnim dioksidom koji je ispušten u atmosferu tokom vulkanskih erupcija i drugih geotermalnih procesa. U savremenim uslovima, ovim prirodnim faktorima se pridodaju i emisije fosilnih goriva koje nastaju od ljudskog sagorevanja. Zbog uticaja CO 2 na efekat staklene bašte, proučavanje ciklusa ugljenika postalo je važan zadatak za atmosferske naučnike.

Sastavni dio ovih pretraga je određivanje količine CO 2 prisutnog u biljnim tkivima (na primjer, u novozasađenoj šumi) – naučnici to nazivaju ponorom ugljika. Dok vlade širom svijeta pokušavaju postići međunarodni sporazum o ograničavanju emisija CO 2, pitanje ravnoteže između ponora ugljika i emisija ugljika u pojedinačnim zemljama postalo je glavna rasprava za industrijalizirane zemlje. Međutim, naučnici sumnjaju da se nakupljanje ugljičnog dioksida u atmosferi može zaustaviti samo šumskim plantažama.

Ugljik neprestano kruži u Zemljinoj biosferi duž zatvorenih međusobno povezanih puteva. Trenutno se prirodnim procesima dodaju efekti sagorevanja fosilnih goriva.

književnost:

1. Ahmetov N.S. Hemija 9. razred: udžbenik. za opšte obrazovanje udžbenik ustanove. - 2nd ed. – M.: Prosvjeta, 1999. – 175 str.: ilustr.

2. Gabrielyan O.S. Hemija 9. razred: udžbenik. za opšte obrazovanje udžbenik ustanove. - 4. izd. - M.: Drfa, 2001. - 224 str.: ilustr.

3. Gabrielyan O.S. Hemija 8-9 razred: metod. dodatak. - 4. izd. – M.: Drfa, 2001. – 128 str.

4. Eroshin D.P., Shishkin E.A. Metode rješavanja zadataka iz hemije: udžbenik. dodatak. – M.: Prosvjeta, 1989. – 176 str.: ilustr.

5. Kremenchugskaya M. Hemija: Priručnik za školarce. – M.: Filol. Društvo "WORD": DOO "Izdavačka kuća AST", 2001. - 478 str.

6. Kritsman V.A. Čitanka o neorganskoj hemiji. – M.: Prosvjeta, 1986. – 273 str.

Ugljik je, možda, glavni i najnevjerovatniji kemijski element na Zemlji, jer uz njegovu pomoć nastaje ogroman broj raznih spojeva, kako neorganskih tako i organskih. Ugljik je osnova svih živih bića, možemo reći da je ugljenik, uz vodu i kiseonik, osnova života na našoj planeti! Ugljik ima različite oblike koji nisu slični ni po svojim fizičko-hemijskim svojstvima ni po izgledu. Ali sve je to ugljenik!

Istorija otkrića ugljika

Ugljik je poznat čovječanstvu od davnina. Grafit i ugalj koristili su stari Grci, a dijamanti u Indiji. Istina, spojevi slična po izgledu često su se zamijenili za grafit. Međutim, grafit je bio široko korišten u antici, posebno za pisanje. Čak i njegovo ime dolazi od grčke riječi "grapho" - "pišem". Grafit se sada koristi u olovkama. U Brazilu se dijamantima prvi put trgovalo u prvoj polovini 18. veka, od tada su otkrivena mnoga ležišta, a 1970. godine razvijena je tehnologija za dobijanje veštačkih dijamanata. Takvi umjetni dijamanti se koriste u industriji, dok se prirodni, pak, koriste u nakitu.

ugljenik u prirodi

Najznačajnija količina ugljika skuplja se u atmosferi i hidrosferi u obliku ugljičnog dioksida. Atmosfera sadrži oko 0,046% ugljika, a čak i više - u otopljenom obliku u Svjetskom okeanu.

Osim toga, kao što smo vidjeli gore, ugljik je osnova živih organizama. Na primjer, ljudsko tijelo od 70 kg sadrži oko 13 kg ugljika! To je samo u jednoj osobi! Ugljik se također nalazi u svim biljkama i životinjama. Zato razmislite...

Krug ugljika u prirodi

Alotropske modifikacije ugljika

Ugljik je jedinstveni hemijski element koji formira takozvane alotropne modifikacije ili, jednostavnije, razne oblike. Ove modifikacije se dijele na kristalne, amorfne i u obliku klastera.

Kristalne modifikacije imaju ispravnu kristalnu rešetku. Ova grupa uključuje: dijamant, fulerit, grafit, lonsdaleit, karbonska vlakna i cijevi. Ogromna većina kristalnih modifikacija ugljika nalazi se na prvom mjestu na ljestvici "Najtvrđi materijali na svijetu".

Amorfne forme formira ugljenik sa malim primesama drugih hemijskih elemenata. Glavni predstavnici ove grupe su: ugalj (kamen, drvo, aktivirani), čađ, antracit.

Najsloženija i najsavremenija su jedinjenja ugljika u obliku klastera. Klasteri su posebna struktura u kojoj su atomi ugljika raspoređeni na način da formiraju šuplji oblik koji je iznutra ispunjen atomima drugih elemenata, poput vode. U ovoj grupi nema toliko predstavnika, uključuje karbonske nanokone, astralene i dikarbon.

Primjena ugljika

Ugljik i njegova jedinjenja su od velike važnosti u ljudskom životu. Ugljik čini glavne vrste goriva na Zemlji - prirodni plin i naftu. Jedinjenja ugljenika se široko koriste u hemijskoj i metalurškoj industriji, u građevinarstvu, inženjerstvu i medicini. Alotropske modifikacije u obliku dijamanata koriste se u nakitu, fuleritu i lonsdaleitu u raketnoj nauci. Razna maziva za mehanizme, tehničku opremu i još mnogo toga proizvode se od ugljičnih spojeva. Današnja industrija ne može bez ugljenika, koristi se svuda!

Razmatranje strukturnih karakteristika atoma ugljenika i njegovog elektronskog stanja je fundamentalno za pravilno razumevanje teorije hemijske strukture. Razmotrimo prvo položaj ugljenika u periodičnom sistemu (PS). Za praktičnost karakterizacije elementa pomoću PS, može se koristiti sljedeći algoritam:

Serijski broj element (#) ga definira nuklearno punjenje (broj punjenja Z), a time i broj protona N$p^+$ (protonski simbol - $p_1^+$) i ukupan broj elektrona N$\bar(e)$ (simbol elektrona - $\bar(e)$) u jezgru. Za ugljik, serijski broj je 6, dakle, jezgro atoma ugljika sastoji se od 6 protona i 6 elektrona. Šematski, ovo razmišljanje se može napisati na sljedeći način: №$ (C)=6 \Rightarrow Z = 6; \hspace(2pt)N\bar(e) = 6$.

Atomska masa element, ili maseni broj izotopa (A)jednak je zbiru masa protona i neutrona (oznaka neutrona je $n_1^0$) u jezgru, stoga se broj neutrona N može izračunati iz razlike. Za ugljik, atomska masa je 12 a.m.u., dakle, broj neutrona u atomu ugljika je 6.Šematski zapis: $A(C) =12 \textrm(amu) \Rightarrow N =A-Z=12-6=6$.

broj perioda, u kojoj se nalazi element u PS, numerički je jednak glavni (radijalni)kvantni broj n i određuje broj energetskih nivoa u atomu. Ponekad postoji još jedna oznaka glavnog kvantnog broja - $n_r$(prema Sommerfeldu). Ugljenik je u drugom periodu PS, dakle, ima dva energetska nivoa, glavni kvantni broj je 2. Šematski zapis: Br. traka. = 2 => n = 2.

Broj grupe, u kojem se element nalazi u PS, odgovara broju elektrona na vanjskom energetskom nivou. Ugljik se nalazi u IV grupi glavne podgrupe, dakle ima 4 elektrona na vanjskom energetskom nivou.Shematski prikaz: br. gr. = IV => N$\bar(e)_\textrm(valentnost)$ = 4.

Sumirajući, može se reći da u osnovno (nepobuđeno) stanje postoje 4 valentna elektrona na vanjskom energetskom nivou atoma ugljika, dok s-elektroni formiraju elektronski par, a 2 p-elektrona nisu uparena.

Za valentni elektronski sloj atoma ugljika, glavni kvantni broj n je 2, orbitalni kvantni broj l je 0, koji odgovara s-orbitali i jednak je 1 za p-orbitale; magnetni kvantni broj m = –l, 0, +l; odnosno m = 0 (za l = 0) i m = –1, 0, 1 (za l = 1).

Definicija

atomska orbitala (AO) naziva se grafička trodimenzionalna slika elektronske gustine, odnosno područja prostora u kojem je vjerovatnoća pronalaska elektrona maksimalna.

U organskim jedinjenjima atom ugljika je uvijek četverovalentan, što znači da sva 4 valentna elektrona učestvuju u formiranju kemijske veze. Ali samo nespareni elektroni učestvuju u formiranju veze! Da bi se objasnila nesklad između koncepta valencije i elektronske strukture atoma ugljika, treba primijeniti model pobuđeno stanje atoma ugljika $C^*$, omogućavajući prijelaz elektrona sa 2s- na 2p-podnivo:

U ovom slučaju, energija utrošena na prijelaz elektrona kompenzira se energijom koja se oslobađa tijekom formiranja dvije dodatne veze. Međutim, ovaj model pretpostavlja da je elektron u četiri "čiste" orbitale - jednoj s i tri p.

Tada, u pobuđenom stanju atoma, energija s-orbitale mora biti manja od energije formiranja p-orbitala. U stvari, to nije istina. Istraživanja pokazuju da je energija sve četiri orbitale nastale kao rezultat "skoka" elektrona približno jednaka, odnosno energije formiranja veza u molekuli s istim heteroatomima (na primjer, atomi vodika u metan) su takođe približno jednake, a energija svake od novonastalih orbitala je veća od energije „čiste“ s-orbitale, ali manja od energije „čiste“ p-orbitale.

• Oznaka - C (Carbon);
• Razdoblje - II;
• Grupa - 14 (IVa);
• Atomska masa - 12.011;
• Atomski broj - 6;
• Radijus atoma = 77 pm;
• Kovalentni radijus = 77 pm;
• Raspodjela elektrona - 1s 2 2s 2 2p 2;
• tačka topljenja = 3550°C;
• tačka ključanja = 4827°C;
• Elektronegativnost (prema Paulingu / prema Alpredu i Rochovu) = 2,55 / 2,50;
• Oksidacijsko stanje: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Gustina (n.a.) \u003d 2,25 g / cm 3 (grafit);
• Molarni volumen = 5,3 cm 3 / mol.

Ugljik u obliku drvenog uglja čovjeku je poznat od pamtivijeka, stoga nema smisla govoriti o datumu njegovog otkrića. Naime, ugljik je dobio ime 1787. godine, kada je objavljena knjiga "Metoda hemijske nomenklature" u kojoj se umjesto francuskog naziva "čisti ugalj" (charbone pur) pojavio izraz "ugljik" (carbone).

Ugljik ima jedinstvenu sposobnost da formira polimerne lance neograničene dužine, čime nastaje ogromna klasa jedinjenja koja se proučavaju u posebnoj grani hemije - organskoj hemiji. Organska jedinjenja ugljenika su u osnovi života na Zemlji, stoga nema smisla govoriti o važnosti ugljenika kao hemijskog elementa – on je osnova života na Zemlji.

Sada razmotrite ugljenik sa stanovišta neorganske hemije.

Rice. Struktura atoma ugljika.

Elektronska konfiguracija ugljenika je 1s 2 2s 2 2p 2 (vidi Elektronska struktura atoma). Na vanjskom energetskom nivou, ugljenik ima 4 elektrona: 2 uparena na s-podnivou + 2 neuparena na p-orbitalama. Kada atom ugljika pređe u pobuđeno stanje (zahtijeva troškove energije), jedan elektron sa s-podnivoa "napušta" svoj par i odlazi na p-podnivo, gdje postoji jedna slobodna orbitala. Dakle, u pobuđenom stanju, elektronska konfiguracija atoma ugljika ima sljedeći oblik: 1s 2 2s 1 2p 3 .

Rice. Prijelaz atoma ugljika u pobuđeno stanje.

Takva "rokada" značajno proširuje valentne mogućnosti atoma ugljika, koji mogu uzeti oksidacijsko stanje od +4 (u spojevima s aktivnim nemetalima) do -4 (u spojevima s metalima).

U nepobuđenom stanju, atom ugljika u jedinjenjima ima valencu 2, na primjer, CO (II), au pobuđenom stanju ima 4: CO 2 (IV).

"Jedinstvenost" atoma ugljika leži u činjenici da se na njegovom vanjskom energetskom nivou nalaze 4 elektrona, pa da dovrši nivo (kojemu, zapravo, teže atomi bilo kojeg kemijskog elementa), može dati i vežu sa istim "uspjehom" elektrone kako bi formirali kovalentne veze (vidi Kovalentna veza).

Ugljik kao jednostavna supstanca

Kao jednostavna tvar, ugljik može biti u obliku nekoliko alotropskih modifikacija:

• dijamant
• Grafit
• fuleren
• Karabin

dijamant

Rice. Kristalna rešetka dijamanta.

Svojstva dijamanata:

• bezbojna kristalna supstanca;
• najtvrđa supstanca u prirodi;
• ima snažan refraktivni efekat;
• loš provodnik toplote i struje.

Rice. Dijamantski tetraedar.

Izuzetna tvrdoća dijamanta objašnjava se strukturom njegove kristalne rešetke, koja ima oblik tetraedra - u središtu tetraedra nalazi se atom ugljika, koji je jednako jakim vezama povezan sa četiri susjedna atoma koji čine vrhove. tetraedra (vidi gornju sliku). Takva "konstrukcija" je pak povezana sa susjednim tetraedrima.

Grafit

Rice. Grafitna kristalna rešetka.

Svojstva grafita:

• meka kristalna tvar sive boje slojevite strukture;
• ima metalni sjaj;
• dobro provodi struju.

U grafitu, atomi ugljika formiraju pravilne šesterokute koji leže u istoj ravni, organizirani u beskonačne slojeve.

U grafitu, hemijske veze između susjednih atoma ugljika formiraju tri valentna elektrona svakog atoma (prikazano plavom bojom na donjoj slici), dok je četvrti elektron (prikazan crvenom bojom) svakog atoma ugljika, smješten u p-orbitali, koji leži okomito na ravninu sloja grafita, ne učestvuje u formiranju kovalentnih veza u ravni sloja. Njegova "svrha" je drugačija - u interakciji sa svojim "bratom" koji leži u susjednom sloju, osigurava vezu između slojeva grafita, a visoka pokretljivost p-elektrona određuje dobru električnu provodljivost grafita.

Rice. Raspodjela orbitala atoma ugljika u grafitu.

fuleren

Rice. Kristalna rešetka fulerena.

Svojstva fulerena:

• molekul fulerena je skup atoma ugljika zatvorenih u šuplje sfere poput fudbalske lopte;
• to je finokristalna supstanca žuto-narandžaste boje;
• tačka topljenja = 500-600°C;
• poluvodič;
• dio je minerala šungita.

Karabin

Svojstva karabina:

• inertna crna supstanca;
• sastoji se od polimernih linearnih molekula u kojima su atomi povezani naizmjeničnim jednostrukim i trostrukim vezama;
• poluprovodnik.

Hemijska svojstva ugljika

U normalnim uslovima, ugljenik je inertna supstanca, ali kada se zagreje, može da reaguje sa raznim jednostavnim i složenim supstancama.

Već je gore rečeno da na vanjskom energetskom nivou ugljika (ni tamo ni ovdje) postoje 4 elektrona, stoga ugljik može i donirati elektrone i prihvatiti ih, pokazujući redukciona svojstva u nekim jedinjenjima, a oksidirajuća svojstva u drugima.

Karbon je redukciono sredstvo u reakcijama sa kiseonikom i drugim elementima koji imaju veću elektronegativnost (vidi tabelu elektronegativnosti elemenata):

• kada se zagrije na zraku, gori (sa viškom kisika s stvaranjem ugljičnog dioksida; s njegovim nedostatkom - ugljični monoksid (II)):
  C + O 2 \u003d CO 2;
  2C + O 2 \u003d 2CO.
• reaguje na visokim temperaturama sa parama sumpora, lako reaguje sa hlorom, fluorom:
  C+2S=CS2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F2+C=CF4
• kada se zagrije, obnavlja mnoge metale i nemetale iz oksida:
  C 0 + Cu +2 O \u003d Cu 0 + C +2 O;
  C 0 + C +4 O 2 \u003d 2C +2 O
• reaguje sa vodom na temperaturi od 1000°C (proces gasifikacije) i formira vodeni gas:
  C + H 2 O \u003d CO + H 2;

Ugljik pokazuje oksidirajuća svojstva u reakcijama s metalima i vodikom:

• reaguje sa metalima i formira karbide:
  Ca + 2C = CaC 2
• u interakciji s vodikom, ugljik formira metan:
  C + 2H 2 = CH 4

Ugljik se dobija termičkom razgradnjom njegovih jedinjenja ili pirolizom metana (na visokoj temperaturi):
CH 4 \u003d C + 2H 2.

Primjena ugljika

Ugljična jedinjenja našla su najširu primjenu u nacionalnoj ekonomiji, nije ih moguće nabrojati sve, naznačit ćemo samo neke:

• grafit se koristi za proizvodnju olovke, elektroda, lonaca za topljenje, kao moderator neutrona u nuklearnim reaktorima, kao mazivo;
• dijamanti se koriste u nakitu, kao alat za rezanje, u opremi za bušenje, kao abrazivni materijal;
• kao redukciono sredstvo, ugljenik se koristi za dobijanje određenih metala i nemetala (gvožđe, silicijum);
• ugljen čini glavninu aktivnog uglja, koji je našao najširu primjenu kako u svakodnevnom životu (na primjer, kao adsorbens za čišćenje zraka i otopina), tako i u medicini (tablete s aktivnim ugljenom) i u industriji (kao nosač za katalitičke aditivi, katalizator polimerizacije itd.).

Ugljenik (C) je šesti element periodnog sistema Mendeljejeva sa atomskom težinom od 12. Element pripada nemetalima i ima izotop 14 C. Struktura atoma ugljika leži u osnovi sve organske hemije, budući da svi organski tvari uključuju molekule ugljika.

atom ugljika

Položaj ugljenika u Mendeljejevom periodnom sistemu:

• šesti serijski broj;
• četvrta grupa;
• drugi period.

Rice. 1. Položaj ugljika u periodnom sistemu.

Na osnovu podataka iz tabele možemo zaključiti da struktura atoma elementa ugljika uključuje dvije ljuske, na kojima se nalazi šest elektrona. Valencija ugljika, koji je dio organskih tvari, je konstantna i jednaka je IV. To znači da se na vanjskom elektronskom nivou nalaze četiri elektrona, a na unutrašnjem dva.

Od četiri elektrona, dva zauzimaju sferičnu 2s orbitalu, a preostala dva zauzimaju 2p orbitalu u obliku bučice. U pobuđenom stanju, jedan elektron se kreće sa 2s orbitale na jednu od 2p orbitala. Kada se elektron kreće s jedne orbitale na drugu, energija se troši.

Dakle, pobuđeni atom ugljika ima četiri nesparena elektrona. Njegova konfiguracija se može izraziti formulom 2s 1 2p 3 . Ovo omogućava formiranje četiri kovalentne veze sa drugim elementima. Na primjer, u molekuli metana (CH 4), ugljik formira veze sa četiri atoma vodika - jednu vezu između s orbitala vodika i ugljika i tri veze između p orbitala ugljika i s orbitala vodika.

Shema strukture atoma ugljika može se predstaviti kao +6C) 2) 4 ili 1s 2 2s 2 2p 2.

Rice. 2. Struktura atoma ugljika.

Physical Properties

Ugljik se prirodno javlja u obliku stijena. Poznato je nekoliko alotropskih modifikacija ugljika:

• grafit;
• dijamant;
• karabin;
• ugalj;
• čađ.

Sve ove tvari se razlikuju po strukturi kristalne rešetke. Najčvršća tvar - dijamant - ima kubni oblik ugljika. Na visokim temperaturama dijamant se pretvara u grafit sa heksagonalnom strukturom.

Rice. 3. Kristalne rešetke grafita i dijamanta.

Hemijska svojstva

Atomska struktura ugljika i njegova sposobnost da veže četiri atoma druge tvari određuju kemijska svojstva elementa. Ugljik reaguje s metalima i stvara karbide:

• Ca + 2C → CaC 2;
• Cr + C → CrC;
• 3Fe + C → Fe 3 C.

Također reaguje sa metalnim oksidima:

• 2ZnO + C → 2Zn + CO 2 ;
• PbO + C → Pb + CO;
• SnO 2 + 2C → Sn + 2CO.

Na visokim temperaturama ugljik reagira s nemetalima, posebno s vodikom, stvarajući ugljikovodike:

C + 2H 2 → CH 4.

Sa kisikom, ugljik stvara ugljični dioksid i ugljični monoksid:

• C + O 2 → CO 2;
• 2C + O 2 → 2CO.

Ugljični monoksid se također stvara u interakciji s vodom.