Az ember szénből van. A szénatom szerkezetének jellemzői. A szilícium kölcsönhatása összetett anyagokkal

Memorandum "Nikiforovskaya 1. számú középiskola"

Szén és fő szervetlen vegyületei

absztrakt

Elkészítette: 9B osztály tanulója

Sidorov Sándor

Tanár: Sakharova L.N.

Dmitrijevka 2009

Bevezetés

I. fejezet Minden a szénről

1.1. szén a természetben

1.2. A szén allotróp módosulatai

1.3. A szén kémiai tulajdonságai

1.4. A szén alkalmazása

fejezet II. Szervetlen szénvegyületek

Következtetés

Irodalom

Bevezetés

A szén (lat. Carboneum) C a Mengyelejev-periódusrendszer IV. csoportjába tartozó kémiai elem: 6-os rendszám, 12.011(1) atomtömeg. Tekintsük a szénatom szerkezetét. A szénatom külső energiaszintjén négy elektron található. Ábrázoljuk:

A szén ősidők óta ismert, és ennek az elemnek a felfedezőjének neve ismeretlen.

A XVII. század végén. Averani és Targioni firenzei tudósok megpróbáltak több kis gyémántot egy nagy gyémánttá olvasztani, és égő pohárral felmelegítették őket napfénnyel. A gyémántok eltűntek, miután a levegőben égtek. 1772-ben A. Lavoisier francia kémikus kimutatta, hogy a gyémánt égése során CO 2 képződik. S. Tennant angol tudós csak 1797-ben bizonyította be a grafit és a szén természetének azonosságát. Egyenlő mennyiségű szén és gyémánt elégetése után a szén-monoxid (IV) térfogata azonosnak bizonyult.

A szénvegyületek sokfélesége, amelyet az atomjainak egymással és más elemek atomjaival való különböző módon történő összekapcsolódási képessége magyaráz, meghatározza a szén különleges helyzetét az egyéb elemek között.

Fejezet én . Minden a szénről

1.1. szén a természetben

A szén a természetben szabad állapotban és vegyületek formájában is megtalálható.

A szabad szén gyémánt, grafit és karabély formájában fordul elő.

A gyémántok nagyon ritkák. A legnagyobb ismert gyémántot - "Cullinan" -ot 1905-ben találták Dél-Afrikában, súlya 621,2 g, mérete 10 × 6,5 × 5 cm. A moszkvai Gyémánt Alap a világ egyik legnagyobb és legszebb gyémántját tartalmazza - az "Orlov"-ot (37,92). g).

A gyémánt nevét a görögről kapta. "adamas" - legyőzhetetlen, elpusztíthatatlan. A legjelentősebb gyémántlelőhelyek Dél-Afrikában, Brazíliában és Jakutföldön találhatók.

Nagy grafitlelőhelyek találhatók Németországban, Srí Lankán, Szibériában és Altajban.

A főbb széntartalmú ásványok: magnezit MgCO 3, kalcit (mészparázs, mészkő, márvány, kréta) CaCO 3, dolomit CaMg (CO 3) 2 stb.

Minden fosszilis tüzelőanyag – olaj, gáz, tőzeg, kő- és barnaszén, agyagpala – szén alapú. Összetételében a szénhez közel áll néhány olyan fosszilis szén, amely akár 99% C-ot is tartalmaz.

A szén a földkéreg 0,1%-át teszi ki.

Szén-monoxid (IV) formájában a szén a légkör része. A hidroszférában nagy mennyiségű CO 2 oldódik fel.

1.2. A szén allotróp módosulatai

Az elemi szén három allotróp módosulatot alkot: gyémánt, grafit, karabély.

1. A gyémánt színtelen, átlátszó kristályos anyag, amely rendkívül erősen töri meg a fénysugarakat. A gyémánt szénatomjai sp 3 hibridizációs állapotban vannak. A gerjesztett állapotban a szénatomokban lévő vegyértékelektronok elpárolognak, és négy párosítatlan elektron keletkezik. Amikor kémiai kötések jönnek létre, az elektronfelhők ugyanolyan hosszúkás alakot kapnak, és úgy helyezkednek el a térben, hogy tengelyeik a tetraéder csúcsai felé irányulnak. Amikor ezeknek a felhőknek a teteje átfedésben van más szénatomokból álló felhőkkel, kovalens kötések jelennek meg 109°28"-os szögben, és atomi kristályrács képződik, ami a gyémántra jellemző.

A gyémántban lévő minden egyes szénatomot négy másik körülvesz, amely a tetraéder középpontjától a csúcsok felé haladva helyezkedik el. A tetraéderben az atomok közötti távolság 0,154 nm. Minden kötés erőssége azonos. Így a gyémántban lévő atomok nagyon szorosan "pakolódnak". 20°C-on a gyémánt sűrűsége 3,515 g/cm 3 . Ez magyarázza kivételes keménységét. A gyémánt rossz elektromos vezető.

1961-ben a Szovjetunióban megkezdődött a szintetikus gyémántok ipari gyártása grafitból.

A gyémántok ipari szintézise során több ezer MPa nyomást és 1500 és 3000 °C közötti hőmérsékletet használnak. Az eljárást katalizátorok jelenlétében hajtják végre, amelyek lehetnek bizonyos fémek, például Ni. A kialakult gyémántok nagy része apró kristályok és gyémántpor.

A gyémánt 1000 °C feletti levegő nélkül hevítve grafittá alakul. 1750°C-on a gyémánt gyorsan grafittá alakul.

A gyémánt szerkezete

2. A grafit szürkésfekete kristályos anyag, fémes fényű, tapintásra zsíros, keménysége még a papírnál is gyengébb.

A grafitkristályokban lévő szénatomok sp 2 hibridizációs állapotban vannak: mindegyik három kovalens σ kötést képez a szomszédos atomokkal. A kötési irányok közötti szögek 120°. Az eredmény egy szabályos hatszögekből álló rács. A rétegen belül a szomszédos szénatommagok közötti távolság 0,142 nm. A grafitban minden szénatom külső rétegének negyedik elektronja egy p-pályát foglal el, amely nem vesz részt a hibridizációban.

A szénatomok nem hibrid elektronfelhői a réteg síkjára merőlegesen orientálódnak, és egymással átfedve delokalizált σ-kötéseket alkotnak. A grafitkristály szomszédos rétegei 0,335 nm távolságra helyezkednek el egymástól, és gyengén kapcsolódnak egymáshoz, főleg van der Waals erők hatására. Ezért a grafit alacsony mechanikai szilárdságú, és könnyen szétesik pelyhekre, amelyek önmagukban nagyon erősek. A grafit szénatomjai közötti kötés részben fémes. Ez magyarázza azt a tényt, hogy a grafit jól vezeti az elektromosságot, de még mindig nem olyan jól, mint a fémek.

grafit szerkezet

A grafit fizikai tulajdonságai nagymértékben különböznek az irányokban - merőlegesen és párhuzamosan a szénatomok rétegeivel.

Levegő hozzáférés nélkül melegítve a grafit 3700°C-ig nem változik. Ezen a hőmérsékleten olvadás nélkül szublimál.

A mesterséges grafitot a legjobb minőségű kőszénből nyerik 3000°C-on elektromos kemencékben levegő hozzáférés nélkül.

A grafit termodinamikailag stabil a hőmérséklet és nyomás széles tartományában, ezért a szén szabványos állapotaként elfogadott. A grafit sűrűsége 2,265 g/cm 3 .

3. Carbin - finomszemcsés fekete por. Kristályszerkezetében a szénatomok váltakozó egyszeres és hármas kötéssel kapcsolódnak lineáris láncokká:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Ezt az anyagot először V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudrjavcev az 1960-as évek elején.

Ezt követően kimutatták, hogy a karabin különböző formákban létezhet, és poliacetilén és polikumulén láncokat is tartalmaz, amelyekben a szénatomok kettős kötéssel kapcsolódnak egymáshoz:

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

Később a karabélyt megtalálták a természetben - a meteoritanyagban.

A Carbyne félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, fény hatására vezetőképessége jelentősen megnő. A különböző típusú kötések és a szénatomok láncainak kristályrácsban való egymásra halmozásának különböző módjai miatt a karabin fizikai tulajdonságai széles tartományban változhatnak. 2000 °C feletti levegőhöz való hozzáférés nélkül melegítve a karabély stabil; körülbelül 2300 °C hőmérsékleten megfigyelhető a grafittá való átalakulása.

A természetes szén két izotópból áll (98,892%) és (1,108%). Ezenkívül egy mesterségesen előállított radioaktív izotóp kisebb szennyeződéseit is találták a légkörben.

Korábban azt hitték, hogy a szén, a korom és a koksz összetételében hasonló a tiszta szénhez, és tulajdonságaikban különböznek a gyémánttól és a grafittól, a szén független allotróp módosulatát jelentik („amorf szén”). Azt találták azonban, hogy ezek az anyagok a legkisebb kristályos részecskékből állnak, amelyekben a szénatomok ugyanúgy kapcsolódnak egymáshoz, mint a grafitban.

4. Szén – finom eloszlású grafit. Széntartalmú vegyületek levegő hozzáférés nélküli hőbomlása során keletkezik. A szenek tulajdonságai jelentősen különböznek attól az anyagtól függően, amelyből nyerik, és az előállítás módjától függően. Mindig tartalmaznak olyan szennyeződéseket, amelyek befolyásolják tulajdonságaikat. A szén legfontosabb fajtái a koksz, a szén és a korom.

A kokszot a szén levegő hiányában történő hevítésével nyerik.

Faszén keletkezik, amikor a fát levegő hiányában hevítik.

A korom nagyon finom grafit kristályos por. Szénhidrogének (földgáz, acetilén, terpentin stb.) elégetésekor keletkezik, korlátozott levegő hozzáféréssel.

Az aktív szén porózus ipari adszorbensek, amelyek főleg szénből állnak. Az adszorpció a gázok és az oldott anyagok szilárd anyagainak felületén történő abszorpciója. Az aktív szenet szilárd tüzelőanyagokból (tőzeg, barna- és kőszén, antracit), fából és termékeiből (szén, fűrészpor, papírgyártási hulladék), bőripari hulladékból, állati anyagokból, például csontokból nyerik. A nagy mechanikai szilárdsággal jellemezhető szenet kókuszdió és más diófélék héjából, gyümölcsök magjából állítják elő. A szén szerkezetét minden méretű pórus képviseli, azonban az adszorpciós kapacitást és adszorpciós sebességet a granulátum egységnyi tömegére vagy térfogatára jutó mikropórusok mennyisége határozza meg. Az aktív szén előállítása során az alapanyagot először hőkezelésnek vetik alá levegő hozzáférés nélkül, aminek eredményeként a nedvesség és részben a gyanta eltávolítható belőle. Ebben az esetben a szén nagy pórusú szerkezete képződik. A mikroporózus szerkezet kialakítása érdekében az aktiválást gázzal vagy gőzzel történő oxidációval vagy kémiai reagensekkel történő kezeléssel hajtják végre.

1.3. A szén kémiai tulajdonságai

Normál hőmérsékleten a gyémánt, grafit, szén kémiailag inert, de magas hőmérsékleten aktivitásuk megnő. Amint a szén fő formáinak szerkezetéből következik, a szén könnyebben reagál, mint a grafit és még inkább a gyémánt. A grafit nemcsak reaktívabb, mint a gyémánt, hanem bizonyos anyagokkal reagálva olyan termékeket is képezhet, amelyeket a gyémánt nem képez.

1. Oxidálószerként a szén magas hőmérsékleten reagál bizonyos fémekkel, és karbidokat képez:

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

2. Hidrogénnel a szén és a grafit szénhidrogéneket képez. A legegyszerűbb képviselő - metán CH 4 - Ni-katalizátor jelenlétében magas hőmérsékleten (600-1000 ° C) nyerhető:

C + 2H 2CH 4.

3. Amikor oxigénnel kölcsönhatásba lép, a szén redukáló tulajdonságokat mutat. Bármely allotróp módosulat szén teljes elégetésével szén-monoxid (IV) képződik:

C + O 2 \u003d CO 2.

A tökéletlen égés szén-monoxid (II) CO-t termel:

C + O 2 \u003d 2CO.

Mindkét reakció exoterm.

4. A szén redukáló tulajdonságai különösen akkor jelentkeznek, ha fémoxidokkal (cink, réz, ólom stb.) lép kölcsönhatásba, például:

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

C + 2ZnO = CO 2 + 2Zn.

A kohászat legfontosabb folyamata ezeken a reakciókon alapul - a fémek ércekből való olvasztása.

Más esetekben, például ha kalcium-oxiddal kölcsönhatásba lép, karbidok képződnek:

CaO + 3C \u003d CaC 2 + CO.

5. A szenet forró tömény kénsavval és salétromsavval oxidálják:

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

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

A szén minden formája ellenáll a lúgoknak!

1.4. A szén alkalmazása

A gyémántokat különféle kemény anyagok feldolgozására, üvegek vágására, csiszolására, fúrására és gravírozására, kőzetek fúrására használják. A gyémántok csiszolás és vágás után ékszerként használt gyémántokká válnak.

A grafit a modern ipar legértékesebb anyaga. A grafitot öntőformák, olvasztótégelyek és egyéb tűzálló termékek készítésére használják. Magas vegyszerállósága miatt a grafitot belülről grafitlemezekkel bélelt csövek és készülékek gyártására használják. Jelentős mennyiségű grafitot használnak fel az elektromos iparban, például elektródák gyártása során. A grafitot ceruzák és egyes festékek készítésére használják kenőanyagként. Nagyon tiszta grafitot használnak az atomreaktorokban a neutronok mérséklésére.

A szén lineáris polimerje, a karabély felkelti a tudósok figyelmét, mint ígéretes anyag olyan félvezetők gyártásához, amelyek magas hőmérsékleten és ultraerős szálakon működnek.

A szenet a kohászatban, a kovácsmesterségben használják.

A kokszot redukálószerként használják fémek ércekből történő olvasztásához.

A kormot gumi töltőanyagként használják az erő növelésére, ezért az autógumik feketék. A kormot nyomdafestékek, tinta és cipőkrém összetevőjeként is használják.

Az aktív szenet különböző anyagok tisztítására, extrahálására és elválasztására használják. Az aktív szenet gázálarcok töltőanyagaként és a gyógyászatban szorbensként használják.

Fejezet II . Szervetlen szénvegyületek

A szén két oxidot képez: szén-monoxid (II) CO és szén-monoxid (IV) CO 2.

A szén-monoxid (II) CO színtelen, szagtalan gáz, vízben gyengén oldódik. Szén-monoxidnak hívják, mert nagyon mérgező. A légzés során a vérbe kerülve gyorsan egyesül a hemoglobinnal, erős karboxihemoglobinvegyületet képezve, ezáltal megfosztja a hemoglobint az oxigén szállítási képességétől.

0,1% CO-t tartalmazó levegő belélegzése esetén egy személy hirtelen elveszítheti az eszméletét és meghalhat. A tüzelőanyag tökéletlen égése során szén-monoxid képződik, ezért a kémények idő előtti lezárása olyan veszélyes.

A (II) szén-monoxidot, amint Ön is tudja, nem sóképző oxidoknak nevezik, mivel nem fém-oxid lévén, reakcióba kell lépnie lúgokkal és bázikus oxidokkal, hogy sót és vizet képezzen, de ez nem figyelhető meg.

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

A szén-monoxid (II) képes elvenni a fém-oxidokból oxigént, pl. visszanyerni a fémeket oxidjaikból.

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

A szén-monoxid (II) ezt a tulajdonságát használják a kohászatban a vas olvasztására.

A szén-monoxid (IV) CO 2 - közismertebb nevén szén-dioxid - színtelen, szagtalan gáz. Körülbelül másfélszer nehezebb a levegőnél. Normál körülmények között 1 térfogatrész szén-dioxid feloldódik 1 térfogatrész vízben.

Körülbelül 60 atm nyomáson a szén-dioxid színtelen folyadékká alakul. Amikor a folyékony szén-dioxid elpárolog, egy része szilárd hószerű masszává alakul, amelyet az iparban préselnek - ez az Ön által ismert „szárazjég”, amelyet élelmiszerek tárolására használnak. Azt már tudod, hogy a szilárd szén-dioxidnak molekularácsa van, és képes szublimálódni.

A szén-dioxid A CO 2 egy tipikus savas oxid: reakcióba lép lúgokkal (például zavarossá teszi a mészvizet), bázikus oxidokkal és vízzel.

Nem ég és nem támogatja az égést, ezért tüzek oltására használják. A magnézium azonban továbbra is szén-dioxidban ég, oxidot képezve, és koromként szén szabadul fel.

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

A szén-dioxidot a szénsav sóira - karbonátokra - sósav-, salétromsav- és még ecetsavoldatokkal hatva nyerik. A laboratóriumban a szén-dioxidot sósav krétán vagy márványon történő hatására állítják elő.

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

Az iparban a szén-dioxidot mészkő elégetésével állítják elő:

CaCO 3 \u003d CaO + C0 2.

A szén-dioxidot a már említett felhasználási területen kívül szénsavas italok és szódagyártásra is használják.

Amikor a szén-monoxidot (IV) feloldjuk vízben, szénsav H 2 CO 3 képződik, amely nagyon instabil és könnyen bomlik eredeti komponenseire - szén-dioxidra és vízre.

Kétbázisú savként a szénsav két sósorozatot képez: közepes - karbonátok, például CaCO 3, és savas - hidrogénkarbonátok, például Ca (HCO 3) 2. A karbonátok közül csak a kálium-, nátrium- és ammóniumsók oldódnak vízben. A savas sók általában vízben oldódnak.

Víz jelenlétében feleslegben lévő szén-dioxiddal a karbonátok szénhidrogénekké alakulhatnak. Tehát, ha a szén-dioxidot mészvízen vezetik át, akkor először zavarossá válik a vízben oldhatatlan kalcium-karbonát kicsapódása miatt, azonban a szén-dioxid további áthaladásával a zavarosság megszűnik az oldható kalcium-hidrogén-karbonát képződése következtében. :

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

Ennek a sónak a jelenléte magyarázza a víz átmeneti keménységét. Miért ideiglenes? Mert hevítéskor az oldható kalcium-hidrogén-karbonát visszaváltozik oldhatatlan karbonáttá:

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

Ez a reakció vízkő képződéséhez vezet a kazánok, gőzfűtőcsövek és háztartási vízforralók falán, a természetben pedig e reakció eredményeként a barlangokban lelógó furcsa cseppkövek keletkeznek, amelyek felé alulról sztalagmitok nőnek.

Más kalcium- és magnéziumsók, különösen a kloridok és szulfátok adják a víz tartós keménységét. A forrásban lévő víz állandó keménysége nem küszöbölhető ki. Használnia kell egy másik karbonátot - szódát.

Na 2 CO 3, amely ezeket a Ca 2+ ionokat kicsapja, pl.

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

A szóda a víz átmeneti keménységének megszüntetésére is használható.

A karbonátok és a hidrogén-karbonátok savas oldatokkal kimutathatók: savakkal való érintkezéskor jellegzetes „forrás” figyelhető meg a felszabaduló szén-dioxid miatt.

Ez a reakció egy minőségi reakció szénsavsókra.

Következtetés

A Földön minden élet a szénen alapul. Az élő szervezet minden molekulája szénvázra épül fel. A szénatomok folyamatosan vándorolnak a bioszféra (a Föld keskeny héja, ahol élet van) egyik részéből a másikba. A természetben előforduló szénciklus példáján nyomon követhető a bolygónk életének dinamikája dinamikában.

A Föld fő széntartalékai a légkörben lévő és az óceánokban oldott szén-dioxid, azaz szén-dioxid (CO 2) formájában vannak. Tekintsük először a légkörben lévő szén-dioxid molekulákat. A növények felszívják ezeket a molekulákat, majd a fotoszintézis folyamatában a szénatom különféle szerves vegyületekké alakul, és így beépül a növények szerkezetébe. Az alábbiakban több lehetőség található:

1. A szén addig maradhat a növényekben, amíg a növények el nem pusztulnak. Ezután a molekuláikat felfalják a lebontók (olyan szervezetek, amelyek elhalt szerves anyagokkal táplálkoznak, és egyben egyszerű szervetlen vegyületekké bomlanak le), például gombák és termeszek. Végül a szén CO 2 formájában visszatér a légkörbe;

2. A növényeket a növényevők is megehetik. Ebben az esetben a szén vagy visszakerül a légkörbe (az állatok légzése és a halál utáni bomlásuk során), vagy a növényevőket megeszik a húsevők (majd a szén ugyanilyen módon ismét visszatér a légkörbe);

3. A növények elpusztulhatnak és a föld alá kerülhetnek. Aztán végül fosszilis tüzelőanyaggá alakulnak – például szénné.

Az eredeti CO 2 molekula tengervízben való feloldódása esetén több lehetőség is lehetséges:

A szén-dioxid egyszerűen visszatérhet a légkörbe (ez a fajta kölcsönös gázcsere az óceánok és a légkör között állandóan megtörténik);

A szén bejuthat a tengeri növények vagy állatok szöveteibe. Ezután fokozatosan felhalmozódik üledék formájában az óceánok fenekén, és végül mészkővé alakul, vagy az üledékekből ismét tengervízbe kerül.

Amint a szén beépül az üledékekbe vagy a fosszilis tüzelőanyagokba, eltávolítják a légkörből. A Föld fennállása során az így kivont szenet a vulkánkitörések és egyéb geotermikus folyamatok során a légkörbe kerülő szén-dioxid váltotta fel. Modern körülmények között a fosszilis tüzelőanyagok emberi elégetése során keletkező kibocsátások is hozzáadódnak ezekhez a természetes tényezőkhöz. A CO 2 üvegházhatásra gyakorolt ​​hatása miatt a szénciklus vizsgálata a légkörkutatók fontos feladatává vált.

E kutatások szerves része a növényi szövetekben (például egy újonnan telepített erdőben) jelenlévő CO 2 mennyiségének meghatározása – a tudósok ezt a szén-nyelőt nevezik. Miközben a kormányok szerte a világon megpróbálnak nemzetközi megállapodást kötni a CO 2 -kibocsátás korlátozására, a szén-dioxid-elnyelők és a szén-dioxid-kibocsátás közötti egyensúly kérdése az egyes országokban az iparosodott országok fő vitatéma lett. A tudósok azonban kétségbe vonják, hogy a szén-dioxid légkörben való felhalmozódását pusztán erdőültetvényekkel meg lehet állítani.

A szén folyamatosan kering a Föld bioszférájában, zárt, összekapcsolt utakon. Jelenleg a fosszilis tüzelőanyagok elégetésének hatásait hozzáadják a természetes folyamatokhoz.

Irodalom:

1. Akhmetov N.S. Kémia 9. évfolyam: tankönyv. általános műveltségre tankönyv létesítmények. - 2. kiadás – M.: Felvilágosodás, 1999. – 175 p.: ill.

2. Gabrielyan O.S. Kémia 9. évfolyam: tankönyv. általános műveltségre tankönyv létesítmények. - 4. kiadás - M.: Túzok, 2001. - 224 p.: ill.

3. Gabrielyan O.S. Kémia 8-9. évfolyam: módszer. juttatás. - 4. kiadás – M.: Túzok, 2001. – 128 p.

4. Eroshin D.P., Shishkin E.A. A kémia feladatmegoldási módszerei: tankönyv. juttatás. – M.: Felvilágosodás, 1989. – 176 p.: ill.

5. Kremenchugskaya M. Kémia: Iskolások kézikönyve. – M.: Philol. "WORD" társaság: LLC "AST Kiadó", 2001. - 478 p.

6. Kritsman V.A. Olvasókönyv a szervetlen kémiáról. – M.: Felvilágosodás, 1986. – 273 p.

A szén talán a fő és legcsodálatosabb kémiai elem a Földön, mert segítségével rengeteg különféle szervetlen és szerves vegyület keletkezik. A szén minden élőlény alapja, mondhatjuk, hogy a szén a víz és az oxigén mellett az élet alapja bolygónkon! A szénnek számos formája van, amelyek sem fizikai-kémiai tulajdonságaikban, sem megjelenésükben nem hasonlítanak egymáshoz. De ez mind szén!

A szén felfedezésének története

A szenet ősidők óta ismeri az emberiség. A grafitot és a szenet az ókori görögök, a gyémántokat Indiában használták. Igaz, a hasonló megjelenésű vegyületeket gyakran összetévesztették a grafittal. A grafitot azonban az ókorban széles körben használták, különösen az íráshoz. Még a neve is a görög "grapho" szóból származik - "írok". A grafitot ma ceruzákban használják. Brazíliában először a 18. század első felében kereskedtek gyémántokkal, azóta számos lelőhelyet fedeztek fel, és 1970-ben kifejlesztettek egy technológiát a mesterséges gyémántok előállítására. Az ilyen mesterséges gyémántokat az iparban használják, míg a természetes gyémántokat az ékszerekben.

szén a természetben

A legjelentősebb mennyiségű szén a légkörben és a hidroszférában gyűlik össze szén-dioxid formájában. A légkör körülbelül 0,046% szenet tartalmaz, és még többet - oldott formában a Világóceánban.

Ráadásul, mint fentebb láttuk, a szén az élő szervezetek alapja. Például egy 70 kg-os emberi test körülbelül 13 kg szenet tartalmaz! Csak egy személyben van! A szén pedig minden növényben és állatban megtalálható. Szóval fontold meg...

A szén körforgása a természetben

A szén allotróp módosulatai

A szén egy egyedülálló kémiai elem, amely az úgynevezett allotróp módosulatokat, vagy egyszerűbben különböző formákat képez. Ezeket a módosításokat kristályosra, amorfra és klaszterekre osztják.

A kristálymódosításoknak megfelelő kristályrácsuk van. Ebbe a csoportba tartozik: gyémánt, fullerit, grafit, lonsdaleit, szénszálak és csövek. A szén kristályos módosulatainak túlnyomó többsége az első helyen áll a "A világ legkeményebb anyagai" rangsorban.

Az amorf formákat a szén és más kémiai elemek kis szennyeződései alkotják. Ennek a csoportnak a fő képviselői: szén (kő, fa, aktivált), korom, antracit.

A legösszetettebb és csúcstechnológiás szénvegyületek klaszterek formájában. A klaszterek olyan speciális szerkezetek, amelyekben a szénatomok úgy vannak elrendezve, hogy üreges formát alkotnak, amelyet belülről más elemek, például víz atomjai töltenek meg. Ebben a csoportban nincs sok képviselő, benne vannak a szén nanokonok, az astralenek és a dikarbon.

A szén alkalmazása

A szén és vegyületei nagy jelentőséggel bírnak az emberi életben. A szén a Föld fő üzemanyag-típusai - a földgáz és az olaj. A szénvegyületeket széles körben használják a vegyiparban és a kohászati ​​iparban, az építőiparban, a gépészetben és az orvostudományban. A gyémánt formájú allotróp módosításokat ékszerekben, fullerit és lonsdaleitet a rakétatudományban használják. Szénvegyületekből készülnek különféle kenőanyagok mechanizmusokhoz, műszaki berendezésekhez és még sok máshoz. Az ipar manapság nem nélkülözheti a szén-dioxidot, mindenhol használják!

A szénatom szerkezeti jellemzőinek és elektronállapotának figyelembevétele alapvető fontosságú a kémiai szerkezetelmélet helyes megértéséhez. Tekintsük először a szén helyzetét a periódusos rendszerben (PS). Az elem PS általi jellemzésének megkönnyítése érdekében a következő algoritmus használható:

Sorozatszám elem (#) határozza meg nukleáris töltet (Z számú töltés), ebből következik a protonok száma N$p^+$ (a proton szimbólum: $p_1^+$) és az elektronok teljes száma N$\bar(e)$ (az elektronszimbólum $\bar(e)$) a magban. A szén esetében a sorszám 6, ezért a szénatom magja 6 protonból és 6 elektronból áll. Sematikusan ez az érvelés a következőképpen írható fel: №$ (C)=6 \Jobbra Z = 6; \hspace(2pt)N\bar(e) = 6$.

Atomtömeg elem, ill izotóp tömegszám (A)egyenlő az atommagban lévő protonok és neutronok tömegének összegével (a neutron jelölése $n_1^0$), ezért a különbségből kiszámolható az N neutronok száma. Szén esetében az atomtömeg 12 a.m.u. ezért egy szénatomban a neutronok száma 6.Sematikus jelölés: $A(C) =12 \textrm(amu) \Jobbra N =A-Z=12-6=6$.

időszak száma, amelyben az elem a PS-ben található, számszerűen egyenlő fő (sugárirányú)n kvantumszámés meghatározza egy atom energiaszintjének számát. Néha van egy másik megnevezése a fő kvantumszámnak - $n_r$(Sommerfeld szerint). A szén a PS második periódusában van, ezért két energiaszintje van, a fő kvantumszám 2. Sematikus jelölés: No. sáv. = 2 => n = 2.

Csoportszám, amelyben az elem a PS-ben helyezkedik el, megfelel a külső energiaszint elektronjainak számának. A szén a fő alcsoport IV. csoportjában található, ezért külső energiaszinten 4 elektronja van.Sematikus jelölés: No. gr. = IV => N$\bar(e)_\textrm(valence)$ = 4.

Összegezve elmondható, hogy in alap (gerjesztetlen) állapot a szénatom külső energiaszintjén 4 vegyértékelektron található, míg az s-elektronok elektronpárt alkotnak, és 2 p-elektron nincs párosítva.

A szénatom vegyértékelektron rétegére az n főkvantumszám 2, az l pályakvantumszám 0, ami megfelel az s-pályának, és egyenlő 1-gyel a p-pályák esetében; mágneses kvantumszám m = –l, 0, +l; azaz m = 0 (l = 0 esetén) és m = –1, 0, 1 (l = 1 esetén).

Meghatározás

Atompálya (AO) az elektronsűrűség grafikus háromdimenziós képének nevezzük, vagyis annak a térnek a tartományát, amelyben az elektron megtalálásának valószínűsége maximális.

A szerves vegyületekben a szénatom mindig négyértékű, ami azt jelenti, hogy mind a 4 vegyértékelektron részt vesz a kémiai kötés kialakításában. De csak a párosítatlan elektronok vesznek részt a kötés kialakulásában! A vegyérték fogalma és a szénatom elektronszerkezete közötti eltérés magyarázatához a modellt kell alkalmazni a szénatom gerjesztett állapota $C^*$, amely lehetővé teszi az elektron átmenetét a 2s-ről a 2p-alszintre:

Ebben az esetben az elektron átmenetére fordított energiát a két további kötés kialakulása során felszabaduló energia kompenzálja. Ez a modell azonban azt feltételezi, hogy az elektron négy "tiszta" pályán van - egy s és három p.

Ekkor az atom gerjesztett állapotában az s-pálya energiájának kisebbnek kell lennie, mint a p-pályák képződési energiája. Valójában ez nem igaz. Tanulmányok azt mutatják, hogy az elektron „ugrása” eredményeként létrejövő mind a négy pálya energiája megközelítőleg azonos, illetve az azonos heteroatomokat tartalmazó molekulákban a kötések kialakulásának energiája (például hidrogénatomok metán) szintén megközelítőleg egyenlőek, és az újonnan kialakult pályák mindegyikének energiája nagyobb, mint a "tiszta" s-pálya energiája, de kisebb, mint a "tiszta" p-pálya energiája.

• Megnevezés - C (szén);
• Időszak - II;
• csoport - 14 (IVa);
• Atomtömeg - 12,011;
• Atomszám - 6;
• Egy atom sugara = 77 pm;
• Kovalens sugár = 77 pm;
• Az elektronok eloszlása ​​- 1s 2 2s 2 2p 2;
• olvadáspont = 3550 °C;
• forráspont = 4827 °C;
• Elektronegativitás (Pauling szerint / Alpred és Rochov szerint) = 2,55 / 2,50;
• Oxidációs állapot: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Sűrűség (n.a.) \u003d 2,25 g / cm 3 (grafit);
• Moláris térfogat = 5,3 cm 3 / mol.

A szén formájában lévő szén ősidők óta ismert az ember számára, ezért nincs értelme a felfedezés dátumáról beszélni. Valójában a szén 1787-ben kapta a nevét, amikor megjelent a "Kémiai nómenklatúra módszere" című könyv, amelyben a "szén" (carbone) kifejezés szerepel a francia "pure coal" (charbone pur) elnevezés helyett.

A szén egyedülálló képességgel rendelkezik, hogy korlátlan hosszúságú polimerláncokat hozzon létre, ezáltal a vegyületek hatalmas osztályát hozza létre, amelyeket a kémia egy külön ága - a szerves kémia - tanulmányoz. A szerves szénvegyületek képezik a földi élet alapját, ezért nincs értelme a szén kémiai elemként való fontosságáról beszélni - ez a földi élet alapja.

Most nézzük a szenet a szervetlen kémia szemszögéből.

Rizs. A szénatom szerkezete.

A szén elektronkonfigurációja 1s 2 2s 2 2p 2 (lásd: Az atomok elektronszerkezete). A külső energiaszinten a szénnek 4 elektronja van: 2 párosítva az s-alszinten + 2 páratlan a p-pályákon. Amikor egy szénatom gerjesztett állapotba kerül (energiaköltséget igényel), az s-alszintről egy elektron "elhagyja" a párját, és a p-alszintre kerül, ahol egy szabad pálya van. Így gerjesztett állapotban a szénatom elektronkonfigurációja a következő alakot ölti: 1s 2 2s 1 2p 3 .

Rizs. A szénatom átmenete gerjesztett állapotba.

Az ilyen "öntvény" jelentősen kibővíti a szénatomok vegyértéklehetőségeit, amelyek az oxidációs állapotot +4-ről (aktív nemfémeket tartalmazó vegyületekben) -4-re (fémekkel rendelkező vegyületekben) vehetik át.

Gerjesztetlen állapotban a vegyületekben a szénatom vegyértéke 2, például CO (II), gerjesztett állapotban pedig 4:CO 2 (IV).

A szénatom "egyedisége" abban rejlik, hogy a külső energiaszintjén 4 elektron található, ezért a szint teljesítéséhez (amire tulajdonképpen bármely kémiai elem atomja is törekszik) egyaránt adhat, ill. azonos "sikerrel" kapcsolódnak az elektronok kovalens kötések kialakításához (lásd: Kovalens kötés).

A szén mint egyszerű anyag

Egyszerű anyagként a szén számos allotróp módosulat formájában lehet:

• gyémánt
• Grafit
• fullerén
• Karabély

gyémánt

Rizs. A gyémánt kristályrácsa.

Gyémánt tulajdonságai:

• színtelen kristályos anyag;
• a természet legkeményebb anyaga;
• erős fénytörő hatással rendelkezik;
• rossz hő- és elektromos vezető.

Rizs. Gyémánt tetraéder.

A gyémánt kivételes keménységét a kristályrács szerkezete magyarázza, amely tetraéder alakú - a tetraéder közepén egy szénatom található, amelyet ugyanolyan erős kötések kötnek össze négy szomszédos atommal, amelyek a csúcsokat alkotják. a tetraéder (lásd a fenti ábrát). Egy ilyen „konstrukció” viszont a szomszédos tetraéderekhez kapcsolódik.

Grafit

Rizs. Grafit kristályrács.

A grafit tulajdonságai:

• réteges szerkezetű szürke színű lágy kristályos anyag;
• fémes fényű;
• jól vezeti az elektromosságot.

A grafitban a szénatomok szabályos hatszögeket alkotnak, amelyek ugyanabban a síkban helyezkednek el, és végtelen rétegekbe rendeződnek.

A grafitban a szomszédos szénatomok közötti kémiai kötéseket az egyes atomok három vegyértékelektronja hozza létre (az alábbi ábrán kék színnel jelölve), míg az egyes szénatomok negyedik elektronja (pirossal) a p-pályán helyezkedik el. , amely a grafitréteg síkjára merőlegesen fekszik, nem vesz részt a réteg síkjában lévő kovalens kötések kialakításában. "Célja" más - a szomszédos rétegben fekvő "testvérével" kölcsönhatásba lépve kapcsolatot biztosít a grafitrétegek között, a p-elektronok nagy mobilitása pedig meghatározza a grafit jó elektromos vezetőképességét.

Rizs. A szénatom pályáinak megoszlása ​​a grafitban.

fullerén

Rizs. Fullerén kristályrács.

Fullerén tulajdonságai:

• a fullerén molekula üreges gömbökbe zárt szénatomok összessége, mint egy futballlabda;
• ez egy finom kristályos anyag, sárga-narancs színű;
• olvadáspont = 500-600 °C;
• félvezető;
• a shungit ásvány része.

Karabély

A karabély tulajdonságai:

• inert fekete anyag;
• polimer lineáris molekulákból áll, amelyekben az atomok váltakozó egyszeres és hármas kötéssel kapcsolódnak egymáshoz;
• félvezető.

A szén kémiai tulajdonságai

Normál körülmények között a szén inert anyag, de hevítve reakcióba léphet különféle egyszerű és összetett anyagokkal.

Fentebb már elhangzott, hogy a szén külső energiaszintjén 4 elektron található (sem ott, sem itt), ezért a szén egyszerre tud elektronokat adni és befogadni, egyes vegyületeknél redukáló, másoknál oxidáló tulajdonságokat mutatva.

A szén az redukálószer oxigénnel és más nagyobb elektronegativitású elemekkel való reakciókban (lásd az elemek elektronegativitási táblázatát):

• levegőn hevítve ég (oxigén-felesleggel szén-dioxid képződésével; hiányával - szén-monoxid (II)):
  C + O 2 \u003d CO 2;
  2C + O 2 \u003d 2CO.
• magas hőmérsékleten reagál kéngőzzel, könnyen kölcsönhatásba lép klórral, fluorral:
  C+2S=CS2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F2+C=CF4
• hevítéskor számos fémet és nemfémet visszaállít az oxidokból:
  C 0 + Cu + 2 O \u003d Cu 0 + C + 2 O;
  C 0 + C +4 O 2 \u003d 2C +2 O
• 1000°C hőmérsékletű vízzel reagál (elgázosítási folyamat), vízgázt képezve:
  C + H 2O \u003d CO + H2;

A szén oxidáló tulajdonságokat mutat a fémekkel és hidrogénnel való reakciókban:

• reagál fémekkel karbidokat képezve:
  Ca + 2C = CaC 2
• hidrogénnel kölcsönhatásba lépve a szén metánt képez:
  C+2H2=CH4

A szenet vegyületeinek hőbontásával vagy metán pirolízisével (magas hőmérsékleten) nyerik:
CH 4 = C + 2H 2.

A szén alkalmazása

A szénvegyületek a nemzetgazdaságban a legszélesebb körben alkalmazhatók, nem lehet mindegyiket felsorolni, csak néhányat említünk:

• a grafitot ceruzavezetékek, elektródák, olvasztótégelyek gyártásához, atomreaktorok neutronmoderátoraként, kenőanyagként használják;
• a gyémántokat ékszerekben, vágószerszámként, fúróberendezésekben, csiszolóanyagként használják;
• redukálószerként a szenet bizonyos fémek és nemfémek (vas, szilícium) előállítására használják;
• A szén alkotja az aktív szén nagy részét, amely a mindennapi életben (például levegő és oldatok tisztítására szolgáló adszorbensként), valamint a gyógyászatban (aktívszén tabletták) és az iparban (katalitikus hordozóként) a legszélesebb körben alkalmazható. adalékok, polimerizációs katalizátor stb.).

A szén (C) Mengyelejev periódusos rendszerének hatodik eleme, amelynek atomtömege 12. Az elem a nemfémekhez tartozik, izotópja 14 C. A szénatom szerkezete minden szerves kémia alapja, mivel minden szerves anyag az anyagok szénmolekulákat tartalmaznak.

szénatom

A szén helyzete Mengyelejev periódusos rendszerében:

• hatodik sorozatszám;
• negyedik csoport;
• második időszakban.

Rizs. 1. A szén helyzete a periódusos rendszerben.

A táblázat adatai alapján megállapíthatjuk, hogy a szén elem atomjának szerkezete két héjat foglal magában, amelyeken hat elektron található. A szerves anyagok részét képező szén vegyértéke állandó és egyenlő a IV. Ez azt jelenti, hogy a külső elektronszintben négy, a belsőben kettő elektron található.

A négy elektron közül kettő egy gömb alakú 2s pályát, a maradék kettő pedig egy súlyzó alakú 2p pályát foglal el. Gerjesztett állapotban egy elektron a 2s pályáról a 2p pályák egyikére mozog. Amikor egy elektron az egyik pályáról a másikra mozog, az energia elhasználódik.

Így egy gerjesztett szénatomnak négy párosítatlan elektronja van. Konfigurációja a 2s 1 2p 3 képlettel fejezhető ki. Ez lehetővé teszi négy kovalens kötés kialakítását más elemekkel. Például egy metán (CH 4) molekulában a szén négy hidrogénatommal létesít kötéseket - egy kötés a hidrogén és szén s pályái között, és három kötés a szén p pályája és a hidrogén s pályái között.

A szénatom szerkezeti sémája +6C) 2) 4 vagy 1s 2 2s 2 2p 2 lehet.

Rizs. 2. A szénatom szerkezete.

Fizikai tulajdonságok

A szén a természetben kőzetek formájában fordul elő. A szén számos allotróp módosulata ismert:

• grafit;
• gyémánt;
• karabély;
• szén;
• korom.

Mindezek az anyagok különböznek a kristályrács szerkezetében. A legkeményebb anyag - a gyémánt - köb alakú szénnel rendelkezik. Magas hőmérsékleten a gyémánt hatszögletű szerkezetű grafittá alakul.

Rizs. 3. Grafit és gyémánt kristályrácsai.

Kémiai tulajdonságok

A szén atomi szerkezete és az a képessége, hogy egy másik anyag négy atomját összekapcsolja, meghatározza az elem kémiai tulajdonságait. A szén fémekkel reagálva karbidokat képez:

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

Reagál fém-oxidokkal is:

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

Magas hőmérsékleten a szén nemfémekkel, különösen hidrogénnel reagál, szénhidrogéneket képezve:

C + 2H 2 → CH 4.

Oxigénnel a szén szén-dioxidot és szén-monoxidot képez:

• C + O 2 → CO 2;
• 2C + O 2 → 2CO.

Vízzel való kölcsönhatás során szén-monoxid is képződik.