Inimene on valmistatud süsinikust. Süsinikuaatomi struktuuri tunnused. Räni koostoime keeruliste ainetega

SM "Nikiforovskaja keskkool nr 1"

Süsinik ja selle peamised anorgaanilised ühendid

abstraktne

Lõpetanud: 9B klassi õpilane

Aleksander Sidorov

Õpetaja: Sakharova L.N.

Dmitrievka 2009

Sissejuhatus

I peatükk. Kõik süsinikust

1.1. süsinik looduses

1.2. Süsiniku allotroopsed modifikatsioonid

1.3. Süsiniku keemilised omadused

1.4. Süsiniku kasutamine

II peatükk. Anorgaanilised süsinikuühendid

Järeldus

Kirjandus

Sissejuhatus

Süsinik (lat. Carboneum) C on Mendelejevi perioodilisuse süsteemi IV rühma keemiline element: aatomnumber 6, aatommass 12.011(1). Mõelge süsinikuaatomi struktuurile. Süsinikuaatomi välisel energiatasemel on neli elektroni. Joonistame selle graafiku:

Süsinik on tuntud iidsetest aegadest ja selle elemendi avastaja nimi pole teada.

XVII sajandi lõpus. Firenze teadlased Averani ja Targioni püüdsid sulatada mitu väikest teemanti üheks suureks ja kuumutasid neid päikesekiirtega põleva klaasi abil. Teemandid kadusid pärast õhus põlemist. 1772. aastal näitas prantsuse keemik A. Lavoisier, et teemandi põlemisel tekib CO 2. Alles 1797. aastal tõestas inglise teadlane S. Tennant grafiidi ja kivisöe olemuse identiteeti. Pärast võrdses koguses söe ja teemandi põletamist osutusid süsinikmonooksiidi (IV) mahud samaks.

Süsinikuühendite mitmekesisus, mis on seletatav selle aatomite võimega kombineerida omavahel ja teiste elementide aatomitega mitmel viisil, määrab süsiniku erilise positsiooni teiste elementide hulgas.

Peatükk I . Kõik süsiniku kohta

1.1. süsinik looduses

Süsinikku leidub looduses nii vabas olekus kui ka ühenditena.

Vaba süsinik esineb teemandi, grafiidi ja karabiinina.

Teemandid on väga haruldased. Suurim teadaolev teemant - "Cullinan" leiti 1905. aastal Lõuna-Aafrikast, kaalus 621,2 g ja mõõtmetega 10 × 6,5 × 5 cm. Moskvas asuvas teemandifondis on üks maailma suurimaid ja ilusamaid teemante - "Orlov" (37,92). g).

Teemant sai oma nime kreeka keelest. "adamas" - võitmatu, hävimatu. Kõige olulisemad teemandimaardlad asuvad Lõuna-Aafrikas, Brasiilias ja Jakuutias.

Suured grafiidimaardlad asuvad Saksamaal, Sri Lankal, Siberis ja Altais.

Peamised süsinikku sisaldavad mineraalid on: magnesiit MgCO 3, kaltsiit (lubjakivi, lubjakivi, marmor, kriit) CaCO 3, dolomiit CaMg (CO 3) 2 jne.

Kõik fossiilsed kütused – nafta, gaas, turvas, kivi- ja pruunsüsi, põlevkivi – on ehitatud süsiniku baasil. Süsiniku koostiselt on mõned fossiilsed söed, mis sisaldavad kuni 99% C.

Süsinik moodustab 0,1% maakoorest.

Süsinikmonooksiidi (IV) kujul on süsinikdioksiidi osa atmosfäärist. Hüdrosfääris on lahustunud suur hulk CO 2.

1.2. Süsiniku allotroopsed modifikatsioonid

Elementaarne süsinik moodustab kolm allotroopset modifikatsiooni: teemant, grafiit, karabiin.

1. Teemant on värvitu läbipaistev kristalne aine, mis murrab valguskiiri ülitugevalt. Teemandi süsinikuaatomid on sp 3 hübridisatsiooni olekus. Ergastatud olekus lagunevad valentselektronid süsinikuaatomites ja moodustub neli paaristamata elektroni. Keemiliste sidemete tekkimisel omandavad elektronpilved sama pikliku kuju ja paiknevad ruumis nii, et nende teljed on suunatud tetraeedri tippude poole. Kui nende pilvede tipud kattuvad teiste süsinikuaatomite pilvedega, tekivad kovalentsed sidemed 109°28" nurga all ja tekib teemandile omane aatomkristallvõre.

Iga teemandi süsinikuaatomit ümbritseb neli teist süsinikuaatomit, mis asuvad sellest tetraeedri keskpunktist tippude suunas. Aatomite vaheline kaugus tetraeedris on 0,154 nm. Kõigi sidemete tugevus on sama. Seega on teemandis olevad aatomid "pakitud" väga tihedalt. 20°C juures on teemandi tihedus 3,515 g/cm 3 . See seletab selle erakordset kõvadust. Teemant on halb elektrijuht.

1961. aastal alustati Nõukogude Liidus sünteetiliste teemantide tööstuslikku tootmist grafiidist.

Teemantide tööstuslikul sünteesil kasutatakse tuhandete MPa rõhku ja temperatuure 1500–3000 °C. Protsess viiakse läbi katalüsaatorite juuresolekul, milleks võivad olla mõned metallid, näiteks Ni. Põhiosa moodustunud teemantidest on väikesed kristallid ja teemanditolm.

Teemant muutub kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta üle 1000 ° C grafiidiks. Temperatuuril 1750 °C toimub teemandi muundumine grafiidiks kiiresti.

Teemandi struktuur

2. Grafiit on hallikasmust kristalne aine metallilise läikega, katsudes rasvane, isegi paberi kõvadusega.

Grafiidikristallides olevad süsinikuaatomid on sp 2 hübridisatsiooni olekus: igaüks neist moodustab naaberaatomitega kolm kovalentset σ sidet. Nurgad sidemete suundade vahel on 120°. Tulemuseks on tavalistest kuusnurkadest koosnev ruudustik. Kihis külgnevate süsinikuaatomite tuumade vaheline kaugus on 0,142 nm. Grafiidi iga süsinikuaatomi väliskihi neljas elektron hõivab p-orbitaali, mis ei osale hübridisatsioonis.

Süsinikuaatomite mittehübriidsed elektronpilved on orienteeritud kihi tasapinnaga risti ja üksteisega kattudes moodustavad delokaliseeritud σ-sidemeid. Grafiidikristalli naaberkihid asuvad üksteisest 0,335 nm kaugusel ja on omavahel nõrgalt seotud, peamiselt van der Waalsi jõudude toimel. Seetõttu on grafiidil madal mehaaniline tugevus ja see laguneb kergesti helvesteks, mis on iseenesest väga tugevad. Grafiidi süsinikuaatomite kihtide vaheline side on osaliselt metalliline. See seletab asjaolu, et grafiit juhib elektrit hästi, kuid siiski mitte nii hästi kui metallid.

grafiidi struktuur

Grafiidi füüsikalised omadused erinevad suuresti suundades – risti ja paralleelselt süsinikuaatomite kihtidega.

Ilma õhu juurdepääsuta kuumutamisel ei muutu grafiit temperatuurini kuni 3700 °C. Sellel temperatuuril sublimeerub see sulamata.

Kunstlik grafiit saadakse parima kvaliteediga kivisöest temperatuuril 3000 °C elektriahjudes ilma õhu juurdepääsuta.

Grafiit on termodünaamiliselt stabiilne paljudes temperatuuride ja rõhkude vahemikus, seega peetakse seda süsiniku standardolekuks. Grafiidi tihedus on 2,265 g/cm 3 .

3. Carbin - peeneteraline must pulber. Selle kristallstruktuuris on süsinikuaatomid ühendatud vahelduvate üksik- ja kolmiksidemetega lineaarseteks ahelateks:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Selle aine sai esmakordselt V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudrjavtsev 1960. aastate alguses.

Seejärel näidati, et karbiin võib eksisteerida erinevates vormides ja sisaldab nii polüatsetüleeni kui ka polükumuleenahelaid, milles süsinikuaatomid on seotud kaksiksidemega:

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

Hiljem leiti karabiin loodusest – meteoriidiainest.

Carbyne'il on pooljuhtomadused, valguse toimel suureneb selle juhtivus oluliselt. Erinevat tüüpi sidemete ja süsinikuaatomite ahelate kristallvõresse virnastamise viiside tõttu võivad karbiini füüsikalised omadused varieeruda laias vahemikus. Kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta temperatuurile üle 2000 ° C on karabiin stabiilne; temperatuuril umbes 2300 ° C täheldatakse selle üleminekut grafiidiks.

Looduslik süsinik koosneb kahest isotoobist (98,892%) ja (1,108%). Lisaks leiti atmosfäärist vähesel määral kunstlikult saadud radioaktiivse isotoobi lisandeid.

Varem arvati, et süsi, tahm ja koks on koostiselt lähedased puhtale süsinikule ning erinevad oma omaduste poolest teemandist ja grafiidist, kujutavad endast süsiniku sõltumatut allotroopset modifikatsiooni (“amorfne süsinik”). Siiski leiti, et need ained koosnevad kõige väiksematest kristallilistest osakestest, milles süsinikuaatomid on seotud samamoodi nagu grafiidis.

4. Kivisüsi – peeneks jaotatud grafiit. See tekib süsinikku sisaldavate ühendite termilisel lagunemisel ilma õhu juurdepääsuta. Söe omadused erinevad oluliselt olenevalt ainest, millest neid saadakse, ja tootmismeetodist. Need sisaldavad alati lisandeid, mis mõjutavad nende omadusi. Kõige olulisemad kivisöe klassid on koks, puusüsi ja tahm.

Koksi saadakse kivisöe kuumutamisel õhu puudumisel.

Puusüsi tekib siis, kui puitu kuumutatakse õhu puudumisel.

Tahm on väga peen grafiidist kristalne pulber. See tekib süsivesinike (maagaas, atsetüleen, tärpentin jne) põlemisel piiratud õhu juurdepääsuga.

Aktiivsüsi on poorsed tööstuslikud adsorbendid, mis koosnevad peamiselt süsinikust. Adsorptsioon on gaaside ja lahustunud ainete neeldumine tahkete ainete pinnal. Aktiivsüsi saadakse tahketest kütustest (turvas, pruun- ja kivisüsi, antratsiit), puidust ja selle toodetest (süsi, saepuru, paberitootmisjäätmed), nahatööstuse jäätmetest, loomsetest materjalidest, näiteks luudest. Kõrge mehaanilise tugevusega süsi toodetakse kookospähklite ja muude pähklite koortest ning puuviljade seemnetest. Söe struktuuri esindavad igas suuruses poorid, kuid adsorptsioonivõime ja adsorptsioonikiiruse määrab mikropooride sisaldus graanulite massi- või mahuühikus. Aktiivsöe tootmisel töödeldakse toorainet esmalt ilma õhu juurdepääsuta, mille tulemusena eemaldatakse sellest niiskus ja osaliselt vaigud. Sel juhul moodustub kivisöe suurte pooridega struktuur. Mikropoorse struktuuri saamiseks viiakse aktiveerimine läbi kas gaasi või auruga oksüdeerimise või keemiliste reaktiividega töötlemise teel.

1.3. Süsiniku keemilised omadused

Tavalisel temperatuuril on teemant, grafiit ja kivisüsi keemiliselt inertsed, kuid kõrgel temperatuuril nende aktiivsus suureneb. Nagu süsiniku põhivormide struktuurist tuleneb, reageerib kivisüsi kergemini kui grafiit ja veelgi enam teemant. Grafiit ei ole mitte ainult reaktiivsem kui teemant, vaid võib teatud ainetega reageerides moodustada tooteid, mida teemant ei moodusta.

1. Oksüdeeriva ainena reageerib süsinik kõrgel temperatuuril teatud metallidega, moodustades karbiide:

ZS + 4Al \u003d Al 4 C 3 (alumiiniumkarbiid).

2. Vesinikuga moodustavad süsi ja grafiit süsivesinikke. Lihtsaima esindaja - metaani CH 4 - võib saada Ni katalüsaatori juuresolekul kõrgel temperatuuril (600-1000 ° C):

C + 2H2CH 4.

3. Hapnikuga suhtlemisel on süsinikul redutseerivad omadused. Mis tahes allotroopse modifikatsiooni süsiniku täielikul põlemisel moodustub süsinikmonooksiid (IV):

C + O 2 \u003d CO 2.

Mittetäieliku põlemise korral tekib süsinikmonooksiid (II) CO:

C + O 2 \u003d 2CO.

Mõlemad reaktsioonid on eksotermilised.

4. Kivisöe redutseerivad omadused ilmnevad eriti selgelt kokkupuutel metallioksiididega (tsink, vask, plii jne), näiteks:

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

C + 2ZnO = CO 2 + 2Zn.

Nendel reaktsioonidel põhineb metallurgia kõige olulisem protsess - metallide sulatamine maakidest.

Muudel juhtudel, näiteks kaltsiumoksiidiga suhtlemisel, tekivad karbiidid:

CaO + 3C \u003d CaC 2 + CO.

5. Kivisüsi oksüdeeritakse kuuma kontsentreeritud väävel- ja lämmastikhappega:

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

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

Kõik süsiniku vormid on leeliste suhtes vastupidavad!

1.4. Süsiniku kasutamine

Teemante kasutatakse erinevate kõvade materjalide töötlemiseks, klaasi lõikamiseks, lihvimiseks, puurimiseks ja graveerimiseks, kivimite puurimiseks. Teemandid muutuvad pärast lihvimist ja lõikamist teemantideks, mida kasutatakse ehetena.

Grafiit on kaasaegse tööstuse kõige väärtuslikum materjal. Grafiiti kasutatakse vormide, sulatustiiglite ja muude tulekindlate toodete valmistamiseks. Tänu kõrgele keemilisele vastupidavusele kasutatakse grafiiti seestpoolt grafiitplaatidega vooderdatud torude ja aparaatide valmistamiseks. Märkimisväärses koguses grafiiti kasutatakse elektritööstuses, näiteks elektroodide valmistamisel. Grafiiti kasutatakse määrdeainena pliiatsite ja osade värvide valmistamiseks. Väga puhast grafiiti kasutatakse tuumareaktorites neutronite mõõdukaks muutmiseks.

Lineaarne süsiniku polümeer, karabiin, tõmbab teadlaste tähelepanu kui paljulubav materjal pooljuhtide tootmiseks, mis võivad töötada kõrgetel temperatuuridel ja ülitugevate kiudude juures.

Süsi kasutatakse metallurgiatööstuses, sepatöös.

Koksi kasutatakse redutseerijana maakidest metallide sulatamisel.

Tahma kasutatakse kummi täiteainena tugevuse suurendamiseks, seega on autorehvid mustad. Tahma kasutatakse ka trükivärvide, tindi ja kingakreemi komponendina.

Aktiivsütt kasutatakse erinevate ainete puhastamiseks, ekstraheerimiseks ja eraldamiseks. Aktiivsütt kasutatakse gaasimaskide täiteainetena ja sorbendina meditsiinis.

Peatükk II . Anorgaanilised süsinikuühendid

Süsinik moodustab kaks oksiidi – süsinikmonooksiid (II) CO ja süsinikmonooksiid (IV) CO 2.

Süsinikoksiid (II) CO on värvitu lõhnatu gaas, mis lahustub vees vähe. Seda nimetatakse süsinikmonooksiidiks, kuna see on väga mürgine. Hingamise ajal verre sattudes ühineb see kiiresti hemoglobiiniga, moodustades tugeva karboksühemoglobiiniühendi, jättes sellega hemoglobiini hapniku kandmise võime.

0,1% CO-d sisaldava õhu sissehingamisel võib inimene ootamatult teadvuse kaotada ja surra. Süsinikoksiid tekib kütuse mittetäielikul põlemisel, mistõttu on korstnate enneaegne sulgemine nii ohtlik.

Süsinikmonooksiidi (II) nimetatakse, nagu te juba teate, mittesoola moodustavateks oksiidideks, kuna kuna see on mittemetalli oksiid, peab see reageerima leeliste ja aluseliste oksiididega, moodustades soola ja vee, kuid seda ei täheldata.

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

Süsinikoksiid (II) on võimeline võtma hapnikku metallioksiididest, s.t. metallid nende oksiididest eraldada.

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

Just seda süsinikmonooksiidi (II) omadust kasutatakse metallurgias raua sulatamiseks.

Süsinikoksiid (IV) CO 2 – üldtuntud kui süsinikdioksiid – on värvitu lõhnatu gaas. See on õhust umbes poolteist korda raskem. Normaaltingimustes lahustub 1 mahuosa süsihappegaasi 1 mahus vees.

Umbes 60 atm rõhul muutub süsinikdioksiid värvituks vedelikuks. Vedela süsihappegaasi aurustumisel muutub osa sellest tahkeks lumetaoliseks massiks, mida tööstuses pressitakse - see on teile tuttav “kuiv jää”, mida kasutatakse toidu säilitamiseks. Te juba teate, et tahkel süsinikdioksiidil on molekulaarvõre ja see on võimeline sublimeerima.

Süsinikdioksiid CO 2 on tüüpiline happeline oksiid: see reageerib leelistega (muutub näiteks lubjavee häguseks), aluseliste oksiididega ja veega.

See ei põle ega toeta põlemist ning seetõttu kasutatakse seda tulekahjude kustutamiseks. Magneesium aga põleb jätkuvalt süsihappegaasis, moodustades oksiidi ja vabastades süsinikku tahmana.

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

Süsinikdioksiid saadakse süsihappe sooladele - karbonaatidele toimimisel vesinikkloriid-, lämmastik- ja isegi äädikhappe lahustega. Laboris toodetakse süsihappegaasi vesinikkloriidhappe toimel kriidile või marmorile.

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

Tööstuses toodetakse süsihappegaasi lubjakivi põletamisel:

CaCO 3 \u003d CaO + C0 2.

Süsinikdioksiidi kasutatakse lisaks juba mainitud kasutusalale ka kihisevate jookide ja sooda tootmiseks.

Vingugaasi (IV) lahustamisel vees tekib süsihape H 2 CO 3, mis on väga ebastabiilne ja laguneb kergesti oma algkomponentideks - süsihappegaasiks ja veeks.

Kahealuselise happena moodustab süsihape kaks soolade seeriat: keskmised - karbonaadid, näiteks CaCO 3, ja happelised - vesinikkarbonaadid, näiteks Ca (HCO 3) 2. Karbonaatidest lahustuvad vees ainult kaaliumi-, naatriumi- ja ammooniumisoolad. Happesoolad on tavaliselt vees lahustuvad.

Süsinikdioksiidi liia korral vee juuresolekul võivad karbonaadid muutuda süsivesinikeks. Niisiis, kui süsinikdioksiid juhitakse läbi lubjavee, muutub see kõigepealt häguseks vees lahustumatu kaltsiumkarbonaadi sadestumise tõttu, kuid süsinikdioksiidi edasisel läbimisel hägusus kaob lahustuva kaltsiumvesinikkarbonaadi moodustumise tagajärjel. :

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

Just selle soola olemasolu seletab vee ajutist karedust. Miks ajutine? Sest kuumutamisel muutub lahustuv kaltsiumvesinikkarbonaat tagasi lahustumatuks karbonaadiks:

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

See reaktsioon viib katlakivi moodustumiseni katelde, auruküttetorude ja olmekatelde seintele ning looduses tekivad selle reaktsiooni tulemusena koobastes alla rippuvad veidrad stalaktiidid, mille poole altpoolt kasvavad stalagmiidid.

Muud kaltsiumi- ja magneesiumisoolad, eriti kloriidid ja sulfaadid, annavad veele püsiva kareduse. Keeva vee püsivat karedust ei saa kõrvaldada. Peate kasutama teist karbonaati - soodat.

Na 2 CO 3, mis sadestab need Ca 2+ ioonid, näiteks:

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

Soodat saab kasutada ka vee ajutise kareduse kõrvaldamiseks.

Karbonaate ja vesinikkarbonaate saab tuvastada happelahuste abil: hapetega kokkupuutel täheldatakse eralduva süsinikdioksiidi tõttu iseloomulikku "keetmist".

See reaktsioon on kvalitatiivne reaktsioon süsihappe sooladele.

Järeldus

Kogu elu maa peal põhineb süsinikul. Iga elusorganismi molekul on üles ehitatud süsiniku skeleti alusel. Süsinikuaatomid rändavad pidevalt ühest biosfääri osast (Maa kitsas kest, kus eksisteerib elu) teise. Looduses toimuva süsinikuringe näitel saab jälgida elu dünaamikat meie planeedil dünaamikas.

Peamised süsinikuvarud Maal on atmosfääris sisalduva ja ookeanides lahustunud süsinikdioksiidi ehk süsinikdioksiidi (CO 2) kujul. Mõelge kõigepealt atmosfääri süsinikdioksiidi molekulidele. Taimed neelavad need molekulid, seejärel muundatakse fotosünteesi käigus süsinikuaatom mitmesugusteks orgaanilisteks ühenditeks ja lülitatakse seega taimede struktuuri. Järgnevalt on mitu võimalust:

1. Süsinik võib taimedes püsida kuni taimede surmani. Seejärel söövad nende molekulid ära lagundajad (organismid, mis toituvad surnud orgaanilisest ainest ja lagundavad selle samal ajal lihtsateks anorgaanilisteks ühenditeks), nagu seened ja termiidid. Lõpuks naaseb süsinik CO 2 -na atmosfääri;

2. Taimi võivad süüa rohusööjad. Sel juhul naaseb süsinik kas tagasi atmosfääri (loomade hingamise ajal ja nende lagunemise ajal pärast surma) või söövad lihasööjad rohusööjaid (ja seejärel naaseb süsinik samadel viisidel uuesti atmosfääri);

3. Taimed võivad surra ja sattuda maa alla. Siis muutuvad need lõpuks fossiilkütusteks – näiteks kivisöeks.

Algse CO 2 molekuli lahustumisel merevees on võimalikud ka mitmed võimalused:

Süsinikdioksiid võib lihtsalt atmosfääri naasta (selline vastastikune gaasivahetus ookeanide ja atmosfääri vahel toimub kogu aeg);

Süsinik võib siseneda meretaimede või -loomade kudedesse. Seejärel koguneb see järk-järgult setetena ookeanide põhja ja muutub lõpuks lubjakiviks või läheb setetest uuesti merevette.

Kui süsinik on lisatud setetesse või fossiilkütustesse, eemaldatakse see atmosfäärist. Kogu Maa eksisteerimise ajal asendus sel viisil välja võetud süsinik vulkaanipursete ja muude geotermiliste protsesside käigus atmosfääri sattunud süsihappegaasiga. Kaasaegsetes tingimustes lisanduvad nendele looduslikele teguritele ka inimese fossiilkütuste põletamisel tekkivad heitmed. CO 2 mõju tõttu kasvuhooneefektile on süsinikuringe uurimine muutunud atmosfääriteadlaste oluliseks ülesandeks.

Nende otsingute lahutamatu osa on taimekudedes (näiteks äsja istutatud metsas) leiduva CO 2 koguse määramine – teadlased nimetavad seda süsiniku neeldajat. Kuna valitsused üle maailma püüavad saavutada rahvusvahelist kokkulepet CO 2 heitkoguste piiramiseks, on süsiniku neeldajate ja süsinikdioksiidi heitkoguste tasakaalu küsimus üksikutes riikides muutunud tööstusriikide jaoks suureks tüliõunaks. Teadlased aga kahtlevad, kas süsihappegaasi kuhjumist atmosfääri saab peatada ainuüksi metsaistandustega.

Süsinik ringleb Maa biosfääris pidevalt mööda suletud omavahel seotud radu. Praegu lisandub looduslikele protsessidele fossiilkütuste põletamise mõju.

Kirjandus:

1. Ahmetov N.S. Keemia 9. klass: õpik. üldhariduse jaoks õpik asutused. - 2. väljaanne – M.: Valgustus, 1999. – 175 lk.: ill.

2. Gabrielyan O.S. Keemia 9. klass: õpik. üldhariduse jaoks õpik asutused. - 4. väljaanne - M.: Bustard, 2001. - 224 lk.: ill.

3. Gabrielyan O.S. Keemia 8-9 klass: meetod. toetust. - 4. väljaanne – M.: Bustard, 2001. – 128 lk.

4. Eroshin D.P., Shishkin E.A. Keemia ülesannete lahendamise meetodid: õpik. toetust. – M.: Valgustus, 1989. – 176 lk.: ill.

5. Kremenchugskaja M. Keemia: Kooliõpilaste käsiraamat. – M.: Philol. Selts "WORD": LLC "Kirjastus AST", 2001. - 478 lk.

6. Kritsman V.A. Lugemisraamat anorgaanilisest keemiast. – M.: Valgustus, 1986. – 273 lk.

Süsinik on võib-olla peamine ja hämmastavam keemiline element Maal, sest selle abiga moodustub tohutul hulgal erinevaid ühendeid, nii anorgaanilisi kui ka orgaanilisi. Süsinik on kõigi elusolendite alus, võib öelda, et süsinik on koos vee ja hapnikuga meie planeedi elu alus! Süsinikul on mitmesuguseid vorme, mis ei ole sarnased ei oma füüsikalis-keemiliste omaduste ega välimuse poolest. Aga see kõik on süsinik!

Süsiniku avastamise ajalugu

Süsinik on olnud inimkonnale teada iidsetest aegadest. Vanad kreeklased kasutasid grafiiti ja kivisütt, Indias aga teemante. Tõsi, välimuselt sarnaseid ühendeid peeti sageli ekslikult grafiidiga. Grafiiti kasutati aga antiikajal laialdaselt, eelkõige kirjutamiseks. Isegi selle nimi pärineb kreeka sõnast "grapho" - "ma kirjutan". Grafiiti kasutatakse nüüd pliiatsites. Brasiilias hakati teemantidega kaubelma 18. sajandi esimesel poolel, sellest ajast alates on avastatud palju maardlaid ning 1970. aastal töötati välja tehisteemantide saamise tehnoloogia. Selliseid kunstlikke teemante kasutatakse tööstuses, looduslikke aga omakorda ehetes.

süsinik looduses

Kõige olulisem kogus süsinikku koguneb atmosfääri ja hüdrosfääri süsinikdioksiidi kujul. Atmosfäär sisaldab umbes 0,046% süsinikku ja veelgi rohkem - lahustunud kujul Maailma ookeanis.

Lisaks, nagu eespool nägime, on süsinik elusorganismide aluseks. Näiteks 70 kg kaaluv inimkeha sisaldab umbes 13 kg süsinikku! See on ainult ühes inimeses! Ja süsinikku leidub ka kõigis taimedes ja loomades. Nii et kaaluge...

Süsinikuringe looduses

Süsiniku allotroopsed modifikatsioonid

Süsinik on ainulaadne keemiline element, mis moodustab nn allotroopseid modifikatsioone või lihtsamalt öeldes erinevaid vorme. Need modifikatsioonid jagunevad kristalliliseks, amorfseks ja klastrite kujul.

Kristalli modifikatsioonidel on õige kristallvõre. Sellesse rühma kuuluvad: teemant, fulleriit, grafiit, lonsdaleiit, süsinikkiud ja torud. Valdav enamus süsiniku kristallilistest modifikatsioonidest on edetabelis "Maailma kõveimad materjalid" esimesel kohal.

Amorfseid vorme moodustab süsinik koos teiste keemiliste elementide väikeste lisanditega. Selle rühma peamised esindajad on: kivisüsi (kivi, puit, aktiveeritud), tahm, antratsiit.

Kõige keerulisemad ja kõrgtehnoloogilisemad on süsinikuühendid klastrite kujul. Klastrid on eriline struktuur, milles süsinikuaatomid on paigutatud nii, et nad moodustavad õõnsa kuju, mis on seestpoolt täidetud teiste elementide, näiteks vee aatomitega. Selles rühmas pole nii palju esindajaid, see hõlmab süsiniku nanokoone, astraleene ja dikarboni.

Süsiniku kasutamine

Süsinik ja selle ühendid omavad inimese elus suurt tähtsust. Süsinik moodustab Maal peamised kütuseliigid – maagaas ja nafta. Süsinikuühendeid kasutatakse laialdaselt keemia- ja metallurgiatööstuses, ehituses, masinaehituses ja meditsiinis. Allotroopseid modifikatsioone teemantide kujul kasutatakse ehetes, fulleriiti ja lonsdaleiiti raketiteaduses. Süsinikuühenditest valmistatakse erinevaid määrdeaineid mehhanismidele, tehnilistele seadmetele ja paljule muule. Tööstus ei saa tänapäeval ilma süsinikuta hakkama, seda kasutatakse kõikjal!

Süsinikuaatomi struktuuriomaduste ja selle elektroonilise oleku arvestamine on keemilise struktuuri teooria õigeks mõistmiseks ülioluline. Mõelge kõigepealt süsiniku positsioonile perioodilises süsteemis (PS). Elemendi PS-i abil iseloomustamise mugavuse huvides saab kasutada järgmist algoritmi:

Seerianumber element (#) määrab selle tuumalaeng (laengu number Z) ja sellest ka prootonite arv N$p^+$ (prootoni sümbol - $p_1^+$) ja elektronide koguarv N$\bar(e)$ (elektroni sümbol - $\bar(e)$) tuumas. Süsiniku puhul on seerianumber 6, seega koosneb süsinikuaatomi tuum 6 prootonist ja 6 elektronist. Skemaatiliselt saab selle arutluse kirjutada järgmiselt: №$ (C)=6 \Rightarrow Z = 6; \hspace(2pt)N\bar(e) = 6$.

Aatommass element või isotoobi massiarv (A)on võrdne tuumas olevate prootonite ja neutronite masside summaga (neutronite tähis on $n_1^0$), seetõttu saab selle erinevuse järgi arvutada neutronite arvu N. Süsiniku aatommass on 12 a.m.u. Seetõttu on neutronite arv süsinikuaatomis 6.Skemaatiline tähistus: $A(C) =12 \textrm(amu) \Paremnool N =A-Z=12-6=6$.

perioodi number, milles PS-i element asub, on arvuliselt võrdne peamine (radiaalne)kvantarv n ja määrab aatomi energiatasemete arvu. Mõnikord on peamise kvantarvu teine ​​tähistus - $n_r$(Sommerfeldi järgi). Süsinik on PS teises perioodis, seega on tal kaks energiataset, peamine kvantarv on 2. Skemaatiline tähistus: Nr. rada. = 2 => n = 2.

Grupi number, milles element asub PS-is, vastab elektronide arvule välisel energiatasemel. Süsinik asub põhialarühma IV rühmas, seetõttu on sellel välisenergia tasemel 4 elektroni.Skemaatiline märge: nr gr. = IV => N$\bar(e)_\textrm(valents)$ = 4.

Kokkuvõtvalt võib öelda, et sisse maapealne (ergastamata) olek süsinikuaatomi välisel energiatasemel on 4 valentselektroni, samas kui s-elektronid moodustavad elektronipaari ja 2 p-elektroni ei ole paaris.

Süsinikuaatomi valentselektronkihi puhul on peakvantarv n 2, orbitaalkvantarv l on 0, mis vastab s-orbitaalile ja võrdub 1-ga p-orbitaalide puhul; magnetkvantarv m = –l, 0, +l; see tähendab, et m = 0 (kui l = 0) ja m = –1, 0, 1 (kui l = 1).

Definitsioon

Aatomiorbitaal (AO) nimetatakse graafiliseks kolmemõõtmeliseks elektrontiheduse kujutiseks, st ruumipiirkonnaks, milles elektroni leidmise tõenäosus on maksimaalne.

Orgaanilistes ühendites on süsinikuaatom alati neljavalentne, mis tähendab, et keemilise sideme moodustumisel osalevad kõik 4 valentselektroni. Kuid sidemete moodustumisel osalevad ainult paarita elektronid! Valentsi mõiste ja süsinikuaatomi elektroonilise struktuuri lahknevuse selgitamiseks tuleks rakendada mudelit süsinikuaatomi ergastatud olek $C^*$, mis võimaldab elektroni üleminekut 2s- alamtasandilt 2p-le:

Sellisel juhul kompenseeritakse elektroni üleminekule kulunud energia kahe lisasideme moodustumisel vabaneva energiaga. See mudel eeldab aga, et elektron on neljal "puhtal" orbitaalil – ühel s ja kolmel p.

Siis peab aatomi ergastatud olekus s-orbitaali energia olema väiksem p-orbitaalide tekkeenergiast. Tegelikult pole see tõsi. Uuringud näitavad, et kõigi nelja elektroni "hüppe" tulemusena tekkinud orbitaali energia on vastavalt ligikaudu sama ja samade heteroaatomitega molekulis sidemete moodustumise energiad (näiteks vesinikuaatomid metaan) on samuti ligikaudu võrdsed ja iga vastloodud orbitaali energia on suurem kui "puhta" s-orbitaali energia, kuid väiksem kui "puhta" p-orbitaali energia.

• Nimetus - C (süsinik);
• Periood - II;
• Rühm - 14 (IVa);
• Aatommass - 12,011;
• Aatomarv - 6;
• Aatomi raadius = 77 pm;
• kovalentne raadius = 77 pm;
• Elektronide jaotus - 1s 2 2s 2 2p 2;
• sulamistemperatuur = 3550 °C;
• keemistemperatuur = 4827 °C;
• Elektronegatiivsus (Paulingi järgi / Alpredi ja Rochovi järgi) = 2,55 / 2,50;
• Oksüdatsiooniaste: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Tihedus (n.a.) \u003d 2,25 g / cm 3 (grafiit);
• Molaarmaht = 5,3 cm 3 / mol.

Süsinik söe kujul on inimestele teada olnud iidsetest aegadest, seetõttu pole mõtet selle avastamise kuupäevast rääkida. Tegelikult sai süsinik oma nime 1787. aastal, kui ilmus raamat "Keemilise nomenklatuuri meetod", milles prantsuskeelse nimetuse "pure coal" (charbone pur) asemel esines termin "süsinik" (carbone).

Süsinikul on ainulaadne võime moodustada piiramatu pikkusega polümeeriahelaid, tekitades seeläbi tohutu hulga ühendeid, mida uurib eraldi keemiaharu – orgaaniline keemia. Orgaanilised süsinikuühendid on Maal elu aluseks, seetõttu pole mõtet rääkida süsiniku kui keemilise elemendi tähtsusest – see on Maal elu aluseks.

Vaatleme nüüd süsinikku anorgaanilise keemia seisukohast.

Riis. Süsinikuaatomi struktuur.

Süsiniku elektrooniline konfiguratsioon on 1s 2 2s 2 2p 2 (vt Aatomite elektrooniline struktuur). Välisel energiatasemel on süsinikul 4 elektroni: 2 paaris s-alamtasandil + 2 paaritumata p-orbitaalidel. Kui süsinikuaatom läheb ergastatud olekusse (nõuab energiakulusid), siis üks elektron s-alamtasandilt "lahkub" oma paarist ja läheb p-alatasandile, kus on üks vaba orbitaal. Seega on ergastatud olekus süsinikuaatomi elektrooniline konfiguratsioon järgmine: 1s 2 2s 1 2p 3 .

Riis. Süsinikuaatomi üleminek ergastatud olekusse.

Selline "valamine" avardab oluliselt süsinikuaatomite valentsivõimalusi, mis võivad viia oksüdatsiooniastme +4-st (aktiivsete mittemetallidega ühendites) kuni -4-ni (metallidega ühendites).

Ergastamata olekus on süsinikuaatomi valents ühendites 2, näiteks CO (II), ja ergastatud olekus on see 4: CO 2 (IV).

Süsinikuaatomi "ainulaadsus" seisneb selles, et selle välisel energiatasemel on 4 elektroni, mistõttu taseme saavutamiseks (mille poole tegelikult püüavad iga keemilise elemendi aatomid) võib see nii anda kui ka anda. liituda sama "edu" elektronidega, moodustades kovalentseid sidemeid (vt kovalentne side).

Süsinik kui lihtne aine

Lihtsa ainena võib süsinik olla mitme allotroopse modifikatsiooni kujul:

• Teemant
• Grafiit
• fullereen
• Karabiin

Teemant

Riis. Teemandi kristallvõre.

Teemantide omadused:

• värvitu kristalne aine;
• kõige kõvem aine looduses;
• on tugev murdumisefekt;
• halb soojus- ja elektrijuht.

Riis. Teemanttetraeeder.

Teemandi erakordne kõvadus on seletatav selle kristallvõre struktuuriga, millel on tetraeedri kuju - tetraeedri keskmes on süsinikuaatom, mis on ühendatud võrdselt tugevate sidemetega nelja naaberaatomiga, mis moodustavad tipud. tetraeedrist (vt ülaltoodud joonist). Selline "konstruktsioon" on omakorda seotud naabertetraeedritega.

Grafiit

Riis. Grafiidi kristallvõre.

Grafiidi omadused:

• kihilise struktuuriga halli värvi pehme kristalne aine;
• on metallilise läikega;
• juhib hästi elektrit.

Grafiidis moodustavad süsinikuaatomid korrapäraseid kuusnurki, mis asuvad samas tasapinnas ja on organiseeritud lõpmatuteks kihtideks.

Grafiidis moodustavad külgnevate süsinikuaatomite vahelised keemilised sidemed iga aatomi kolme valentselektroni (alloleval joonisel sinisega), samas kui iga süsinikuaatomi neljas elektron (näidatud punasega), asub p-orbitaalil. , mis asub risti grafiidikihi tasapinnaga, ei osale kihi tasapinnas kovalentsete sidemete tekkes. Selle "otstarve" on erinev – suheldes oma naaberkihis lebava "vennaga", loob see ühenduse grafiidikihtide vahel ning p-elektronide suur liikuvus määrab grafiidi hea elektrijuhtivuse.

Riis. Süsinikuaatomi orbitaalide jaotus grafiidis.

fullereen

Riis. Fullereeni kristallvõre.

Fullereeni omadused:

• fullereeni molekul on süsinikuaatomite kogum, mis on suletud õõnsatesse sfääridesse nagu jalgpallipall;
• see on kollakasoranži värvi peenkristalliline aine;
• sulamistemperatuur = 500-600 °C;
• pooljuht;
• on osa mineraalsest šungiidist.

Karabiin

Karabiini omadused:

• inertne must aine;
• koosneb polümeersetest lineaarsetest molekulidest, milles aatomid on ühendatud vahelduvate üksik- ja kolmiksidemetega;
• pooljuht.

Süsiniku keemilised omadused

Tavatingimustes on süsinik inertne aine, kuid kuumutamisel võib see reageerida mitmesuguste lihtsate ja keerukate ainetega.

Eespool on juba öeldud, et süsiniku välisenergia tasemel on 4 elektroni (ei seal ega siin), seetõttu võib süsinik nii elektrone loovutada kui ka neid vastu võtta, näidates mõnel ühendil redutseerivaid, teistes aga oksüdeerivaid omadusi.

Süsinik on redutseerija reaktsioonides hapniku ja teiste kõrgema elektronegatiivsusega elementidega (vt elementide elektronegatiivsuse tabelit):

• õhus kuumutamisel põleb (hapniku liiaga koos süsinikdioksiidi moodustumisega; selle puudusega - süsinikmonooksiid (II)):
  C + O 2 \u003d CO 2;
  2C + O 2 \u003d 2CO.
• reageerib kõrgel temperatuuril väävliauruga, interakteerub kergesti kloori, fluoriga:
  C+2S=CS2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F2+C=CF4
• kuumutamisel taastab oksiididest paljud metallid ja mittemetallid:
  C 0 + Cu + 2 O \u003d Cu 0 + C + 2 O;
  C 0 + C +4 O 2 \u003d 2C +2 O
• reageerib veega temperatuuril 1000°C (gaasistumisprotsess), moodustades vesigaasi:
  C + H2O \u003d CO + H2;

Süsinikul on reaktsioonides metallide ja vesinikuga oksüdeerivad omadused:

• reageerib metallidega, moodustades karbiide:
  Ca + 2C = CaC 2
• vesinikuga suhtlemisel moodustab süsinik metaani:
  C + 2H2 = CH4

Süsinik saadakse selle ühendite termilisel lagunemisel või metaani pürolüüsil (kõrgel temperatuuril):
CH4 = C + 2H 2.

Süsiniku kasutamine

Süsinikuühendid on leidnud rahvamajanduses kõige laiemat rakendust, kõiki pole võimalik loetleda, toome välja vaid mõned:

• grafiiti kasutatakse pliiatsijuhtmete, elektroodide, sulatustiiglite valmistamiseks, tuumareaktorites neutronite aeglustajana, määrdeainena;
• teemante kasutatakse ehetes, lõikeriistana, puurimisseadmetes, abrasiivse materjalina;
• redutseerijana kasutatakse süsinikku teatud metallide ja mittemetallide (raud, räni) saamiseks;
• süsinik moodustab põhiosa aktiivsöest, mis on leidnud kõige laiemat rakendust nii igapäevaelus (näiteks adsorbendina õhu ja lahuste puhastamisel) kui ka meditsiinis (aktiivsöe tabletid) ja tööstuses (katalüütilise kandjana). lisandid, polümerisatsioonikatalüsaator jne).

Süsinik (C) on Mendelejevi perioodilisuse tabeli kuues element aatommassiga 12. Element kuulub mittemetallide hulka ja selle isotoop on 14 C. Süsinikuaatomi struktuur on kogu orgaanilise keemia aluseks, kuna kogu orgaaniline element ainete hulka kuuluvad süsiniku molekulid.

süsiniku aatom

Süsiniku asukoht Mendelejevi perioodilisuse tabelis:

• kuues seerianumber;
• neljas rühm;
• teine ​​periood.

Riis. 1. Süsiniku asukoht perioodilisustabelis.

Tabeli andmete põhjal võime järeldada, et elemendi süsiniku aatomi struktuur sisaldab kahte kesta, millel paikneb kuus elektroni. Orgaaniliste ainete osaks oleva süsiniku valents on konstantne ja võrdne IV-ga. See tähendab, et välisel elektroonilisel tasandil on neli elektroni ja sisemises kaks.

Neljast elektronist kaks asuvad sfäärilisel 2s orbitaalil ja ülejäänud kaks hantlikujulisel 2p orbitaalil. Ergastatud olekus liigub üks elektron 2s orbitaalilt ühele 2p orbitaalidest. Kui elektron liigub ühelt orbitaalilt teisele, kulub energia.

Seega on ergastatud süsinikuaatomil neli paaristamata elektroni. Selle konfiguratsiooni saab väljendada valemiga 2s 1 2p 3 . See võimaldab moodustada neli kovalentset sidet teiste elementidega. Näiteks metaani (CH 4) molekulis moodustab süsinik sidemeid nelja vesinikuaatomiga – üks side vesiniku ja süsiniku orbitaalide vahel ning kolm sidet süsiniku p orbitaalide ja vesiniku orbitaalide vahel.

Süsinikuaatomi struktuuri skeemi võib esitada kui +6C) 2) 4 või 1s 2 2s 2 2p 2.

Riis. 2. Süsinikuaatomi struktuur.

Füüsikalised omadused

Süsinik esineb looduslikult kivide kujul. Tuntakse mitmeid süsiniku allotroopseid modifikatsioone:

• grafiit;
• teemant;
• karabiin;
• kivisüsi;
• tahma.

Kõik need ained erinevad kristallvõre struktuuri poolest. Kõige kõvemal ainel – teemandil – on süsiniku kuupvorm. Kõrgel temperatuuril muutub teemant kuusnurkse struktuuriga grafiidiks.

Riis. 3. Grafiidist ja teemandist kristallvõred.

Keemilised omadused

Süsiniku aatomstruktuur ja võime siduda nelja teise aine aatomit määravad elemendi keemilised omadused. Süsinik reageerib metallidega, moodustades karbiide:

• Ca + 2C → CaC2;
• Cr + C → CrC;
• 3Fe + C → Fe 3 C.

Reageerib ka metallioksiididega:

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

Kõrgel temperatuuril reageerib süsinik mittemetallidega, eriti vesinikuga, moodustades süsivesinikke:

C + 2H2 → CH4.

Hapnikuga moodustab süsinik süsinikdioksiidi ja süsinikmonooksiidi:

• C + O2 → CO2;
• 2C + O 2 → 2CO.

Vingugaas tekib ka kokkupuutel veega.