Въглеродна химична формула. Какво е въглерод? Описание, свойства и формула на въглерода

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

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

Като цяло тази структура има много функции и именно с тях ще се опитаме да я разберем в хода на статията.

Въглерод: формула и позиция в системата от елементи

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

Въпреки това, разбира се, има специално обозначение за писане на уравнения на реакцията. Като цяло, когато говорим за вещество в чист вид, се приема молекулярната формула на въглерод С, без индексиране.

История на откриване на артикули

Сам по себе си този елемент е познат от древността. В крайна сметка един от най-важните минерали в природата са въглищата. Следователно за древните гърци, римляни и други народи това не е било тайна.

Освен това разнообразие са използвани също диаманти и графит. Дълго време имаше много объркващи ситуации с последното, тъй като често без да се анализира състава, такива съединения се приемаха като графит:

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

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

От 1725 г. диамантите придобиват голямо търговско значение, а през 1970 г. технологията за изкуственото им получаване е усвоена. От 1779 г., благодарение на работата на Карл Шееле, химичните свойства, които въглеродът проявява, са изследвани. Това беше началото на редица важни открития в областта на този елемент и стана основа за изясняване на всички негови уникални характеристики.

Въглеродни изотопи и разпространение в природата

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

Като цяло можете да назовете няколко съединения с минерална природа, които включват въглерод. Това са такива естествени породи като:

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

Освен това не трябва да се забравят живите същества, които са просто склад на въглеродни съединения. В крайна сметка те образуват протеини, мазнини, въглехидрати, нуклеинови киселини, което означава най-важните структурни молекули. Като цяло при преизчисляване на суха телесна маса от 70 кг 15 се падат на чист елемент. И така е с всеки човек, да не говорим за животни, растения и други същества.

Ако разгледаме както водата, тоест хидросферата като цяло, така и атмосферата, тогава има въглеродно-кислородна смес, изразена с формулата CO 2. Диоксидът или въглеродният диоксид е един от основните газове, които изграждат въздуха. Именно в тази форма масовата част на въглерода е 0,046%. Още повече разтворен въглероден диоксид във водите на океаните.

Атомната маса на въглерода като елемент е 12,011. Известно е, че тази стойност се изчислява като средноаритметично между атомните тегла на всички изотопни разновидности, съществуващи в природата, като се вземе предвид тяхното разпространение (в проценти). Това се случва и с въпросното вещество. Има три основни изотопа, в които се намира въглеродът. То:

• 12 С - неговата масова част в преобладаващото мнозинство е 98,93%;
• 13С - 1,07%;
• 14 С - радиоактивен, полуразпад 5700 години, стабилен бета-емитер.

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

Модификации на алотропни елементи

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

1. Кристални вариации – съществуват под формата на силни структури с правилни атомни решетки. Тази група включва такива сортове като:

• диаманти;
• фулерени;
• графити;
• карабини;
• лонсдейлисти;
• и тръби.

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

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

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

Те също са обединени от структурните особености на кристалната решетка, които обясняват и проявяват свойства.

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

• въглеродни наноконуси;
• астралени;
• дивъглерод.

Физични свойства на аморфния въглерод

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

1. Всички форми са базирани на фини кристални разновидности на графита.
2. Висок топлинен капацитет.
3. Добри проводими свойства.
4. Плътността на въглерода е около 2 g / cm 3.
5. При нагряване над 1600 0 С настъпва преход към графитни форми.

Разновидностите на сажди и камъни се използват широко за технически цели. Те не са проява на чиста въглеродна модификация, но съдържат много големи количества от него.

Кристален въглерод

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

1. - кубичен, в който са свързани четири тетраедъра. В резултат на това всички ковалентни химични връзки на всеки атом са максимално наситени и силни. Това обяснява физичните свойства: плътността на въглерода е 3300 kg / m 3. Висока твърдост, нисък топлинен капацитет, липса на електрическа проводимост - всичко това е резултат от структурата на кристалната решетка. Има технически произведени диаманти. Образува се по време на прехода на графита към следващата модификация под въздействието на висока температура и определено налягане. Като цяло е толкова висока, колкото силата - около 3500 0 С.
2. Графит. Атомите са разположени подобно на структурата на предишното вещество, но само три връзки са наситени, а четвъртата става по-дълга и по-малко издръжлива, тя свързва "слоевете" на шестоъгълните пръстени на решетката. В резултат на това се оказва, че графитът е мека, мазна черна субстанция. Има добра електропроводимост и висока точка на топене - 3525 0 С. Способен е на сублимация - сублимация от твърдо в газообразно състояние, заобикаляйки течното състояние (при температура 3700 0 С). Плътността на въглерода е 2,26 g / cm 3, което е много по-ниско от това на диаманта. Това обяснява различните им свойства. Поради слоевата структура на кристалната решетка е възможно да се използва графит за производството на оловни моливи. При преминаване върху хартията люспите се отлепват и оставят черна следа върху хартията.
3. Фулерени. Те са открити едва през 80-те години на миналия век. Те са модификации, при които въглеродите се комбинират в специална изпъкнала затворена структура с празнота в центъра. Освен това формата на кристала е полиедър, с правилна организация. Броят на атомите е четен. Най-известната форма на фулерен е C 60. По време на изследване са открити проби от подобно вещество:

• метеорити;
• дънни седименти;
• фолигурити;
• шунгити;
• космическото пространство, където се съдържат под формата на газове.

Всички видове кристален въглерод са от голямо практическо значение, тъй като имат редица свойства, полезни в технологиите.

Химическа активност

Молекулният въглерод проявява ниска реактивност поради стабилната си конфигурация. Възможно е да го принудите да влезе в реакции само като придаде допълнителна енергия на атома и принуди електроните на външното ниво да се изпарят. В този момент валентността става равна на 4. Следователно в съединенията тя има степен на окисление + 2, + 4, - 4.

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

Като цяло способността за влизане в химическо взаимодействие зависи от три фактора:

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

По този начин в някои случаи има взаимодействие със следните вещества:

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

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

Основни съединения и техните характеристики

Има много различни съединения, които съдържат въглерод. Формулата на най-известния от тях е CO 2 - въглероден диоксид. Въпреки това, освен този оксид, има и CO - монооксид или въглероден оксид, както и C 3 O 2 под-оксид.

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

• тебешир;
• мрамор;
• варовик;
• доломит.

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

Въглеродната киселина е друго съединение, което образува въглерод. Формулата му е H2CO3. Въпреки това, в обичайната си форма, той е изключително нестабилен и незабавно се разлага в разтвор на въглероден диоксид и вода. Следователно, само нейните соли са известни, а не самата тя, като разтвор.

Въглеродни халогениди - се получават основно индиректно, тъй като директните синтези се извършват само при много високи температури и с нисък добив на продукт. Един от най-разпространените е CCL 4 - въглероден тетрахлорид. Отровно съединение, което може да причини отравяне при вдишване. Получава се чрез реакции на радикално фотохимично заместване в метан.

Металните карбиди са въглеродни съединения, в които проявява степен на окисление 4. Възможно е също така да има комбинации с бор и силиций. Основното свойство на някои метални карбиди (алуминий, волфрам, титан, ниобий, тантал, хафний) е висока якост и отлична електропроводимост. Борният карбид B 4 C е едно от най-твърдите вещества след диаманта (9,5 по Mohs). Тези съединения се използват в инженерството, както и в химическата промишленост, като източници на въглеводороди (калциевият карбид с вода води до образуването на ацетилен и калциев хидроксид).

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

Многобройни органични въглеродни съединения заслужават специално внимание, в които той е основен елемент, способен да се комбинира със същите атоми в дълги вериги с различни структури. Те включват:

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

Приложение на въглерод

Значението на въглеродните съединения и неговите алотропни модификации в човешкия живот е много голямо. Можем да посочим няколко от най-глобалните индустрии, за да стане ясно, че това наистина е така.

1. Този елемент образува всички видове органично гориво, от което човек получава енергия.
2. Металургичната индустрия използва въглерода като мощен редуциращ агент за производството на метали от техните съединения. Карбонатите също са широко използвани тук.
3. Строителната и химическата промишленост консумират огромно количество въглеродни съединения, за да синтезират нови вещества и да получат необходимите продукти.

Можете също да назовете такива сектори на икономиката като:

• ядрена индустрия;
• Изработка на бижута;
• техническо оборудване (смазки, термоустойчиви тигли, моливи и др.);
• определяне на геоложката възраст на скалите - радиоактивен индикатор 14 С;
• въглеродът е отличен адсорбент, което позволява да се използва за направата на филтри.

Цикълът в природата

Масата на въглерода, открита в природата, е включена в постоянен цикъл, който се случва циклично всяка секунда по целия свят. Така атмосферният източник на въглерод, CO 2, се абсорбира от растенията и се освобождава от всички живи същества в процеса на дишане. Веднъж попаднал в атмосферата, той се абсорбира отново и така цикълът не спира. В този случай отмирането на органичните остатъци води до освобождаване на въглерод и натрупването му в земята, откъдето той отново се абсорбира от живите организми и се отделя в атмосферата под формата на газ.

въглерод(лат. Carboneum), C, химичен елемент IV от групата на периодичната система на Менделеев, атомен номер 6, атомна маса 12.011. Има два известни стабилни изотопа: 12 C (98,892%) и 13 C (1,108%). Най-важният от радиоактивните изотопи е 14 C с период на полуразпад (T ½ = 5,6 · 10 3 години). Малки количества от 14 C (около 2 · 10 -10% от масата) се образуват постоянно в горните слоеве на атмосферата под действието на неутрони на космическото излъчване върху азотния изотоп 14 N. Възрастта им се определя от специфичната активност на изотопа 14 C в остатъци от биогенен произход. 14 C се използва широко като изотопен индикатор.

Историческа справка.Въглеродът е познат от древни времена. Дървените въглища се използват за извличане на метали от руди, диамантите - като скъпоценен камък. Много по-късно графитът започва да се използва за производството на тигели и моливи.

През 1778 г. К. Шееле, нагрявайки графит със селитра, открива, че в този случай, както при нагряване на въглища със селитра, се отделя въглероден диоксид. Химичният състав на диаманта е установен в резултат на опитите на А. Лавоазие (1772) по изучаването на горенето на диамантите във въздуха и изследванията на С. Тенант (1797), който доказа, че равни количества диамант и въглища дават равни количества въглероден диоксид по време на окисляване. Въглеродът е признат за химичен елемент през 1789 г. от Лавоазие. Латинското име sagboneum Carbon получава от carbo - въглища.

Разпределение на въглерода в природата.Средното съдържание на въглерод в земната кора е 2,3 10 -2% от масата (1 10 -2 в ултраосновните, 1 10 -2 - в основните, 2 киселинни скали). Въглеродът се натрупва в горната част на земната кора (биосферата): в живата материя 18% въглерод, дървесина 50%, въглища 80%, нефт 85%, антрацит 96%. Значителна част от въглерода на литосферата е концентриран във варовиците и доломитите.

Броят на собствените минерали на въглерод - 112; изключително голям брой органични съединения на въглерода - въглеводороди и техните производни.

Натрупването на въглерод в земната кора е свързано с натрупването на много други елементи, сорбирани от органичната материя и утаени под формата на неразтворими карбонати и др. CO 2 и въглеродната киселина играят голяма геохимична роля в земната кора. Огромно количество CO 2 се отделя по време на вулканизма - в историята на Земята той е бил основният източник на въглерод за биосферата.

В сравнение със средното съдържание в земната кора, човечеството извлича въглерод от земните недра в изключително големи количества (въглища, нефт, природен газ), тъй като тези вкаменелости са основният източник на енергия.

Въглеродният цикъл е от голямо геохимично значение.

Въглеродът също е широко разпространен в космоса; на Слънцето се нарежда на 4-то място след водород, хелий и кислород.

Физични свойства на въглерода.Известни са няколко кристални модификации на въглерода: графит, диамант, карбин, лонсдейлит и др. Графитът е сиво-черен, непрозрачен, мазен на допир, люспест, много мека маса с метален блясък. Изграден от кристали с шестоъгълна структура: a = 2,462 Å, c = 6,701 Å. При стайна температура и нормално налягане (0,1 MN / m 2, или 1 kgf / cm 2), графитът е термодинамично стабилен. Диамантът е много твърдо, кристално вещество. Кристалите имат лицево-центрирана кубична решетка: a = 3,560 Å. При стайна температура и нормално налягане диамантът е метастабилен. Забележимо превръщане на диаманта в графит се наблюдава при температури над 1400 ° C във вакуум или в инертна атмосфера. При атмосферно налягане и температура около 3700 ° C графитът сублимира. Течният въглерод може да се получи при налягане над 10,5 MN / m 2 (105 kgf / cm 2) и температури над 3700 ° C. Твърдият въглерод (кокс, сажди, дървени въглища) също се характеризира със състояние с неуредена структура - т. нар. "аморфен" въглерод, който не представлява самостоятелна модификация; структурата му се основава на структурата на фин кристален графит. Нагряването на някои разновидности на "аморфен" въглерод над 1500-1600 ° C без достъп до въздух причинява превръщането им в графит. Физичните свойства на "аморфния" въглерод са силно зависими от размера на частиците и наличието на примеси. Плътността, топлинният капацитет, топлопроводимостта и електрическата проводимост на "аморфния" въглерод винаги са по-високи от графита. Карбинът се получава изкуствено. Това е фин кристален черен прах (плътност 1,9-2 g / cm 3). Изградени от дълги вериги от С атоми, подредени успоредно един на друг. Лонсдейлът се намира в метеорити и се получава изкуствено.

Химични свойства на въглерода.Конфигурацията на външната електронна обвивка на въглеродния атом е 2s 2 2p 2. Въглеродът се характеризира с образуването на четири ковалентни връзки поради възбуждането на външната електронна обвивка до 2sp 3 състояние. Следователно въглеродът е еднакво способен както да привлича, така и да дарява електрони. Химическата връзка може да се осъществи благодарение на sp 3 -, sp 2 - и sp-хибридни орбитали, които съответстват на координационни числа 4, 3 и 2. Броят на валентните електрони на въглерода и броят на валентните орбитали са еднакви; това е една от причините за стабилността на връзката между въглеродните атоми.

Уникалната способност на въглеродните атоми да се комбинират помежду си, за да образуват силни и дълги вериги и цикли, доведе до появата на огромен брой различни въглеродни съединения, изследвани от органичната химия.

В съединенията въглеродът проявява степен на окисление от -4; +2; +4. Атомен радиус 0,77 Å, ковалентен радиус 0,77 Å, 0,67 Å, ​​0,60 Å, съответно в единични, двойни и тройни връзки; йонен радиус на C 4 - 2.60 Å, C 4+ 0.20 Å. При нормални условия въглеродът е химически инертен; при високи температури той се комбинира с много елементи, проявявайки силни редуциращи свойства. Химическата активност намалява в следния ред: "аморфен" въглерод, графит, диамант; взаимодействие с атмосферния кислород (изгаряне) се случва съответно при температури над 300-500 ° C, 600-700 ° C и 850-1000 ° C с образуването на въглероден окис (IV) CO 2 и въглероден окис (II) CO.

CO 2 се разтваря във вода, за да образува въглеродна киселина. През 1906 г. O. Diels получава въглероден диоксид С 3 О 2. Всички форми на въглерода са устойчиви на алкали и киселини и бавно се окисляват само от много силни окислители (хромова смес, смес от концентрирана HNO 3 и KClO 3 и други). "Аморфният" въглерод реагира с флуор при стайна температура, графит и диамант при нагряване. Директното свързване на въглерода с хлора става в електрическа дъга; въглеродът не реагира с бром и йод, поради което множество въглеродни халогениди се синтезират индиректно. От оксихалидите с обща формула COX 2 (където X е халоген), най-известен е хлороксид COCl (фосген). Водородът не взаимодейства с диаманта; реагира с графит и "аморфен" въглерод при високи температури в присъствието на катализатори (Ni, Pt): при 600-1000 ° C се образува главно метан CH 4, при 1500-2000 ° C - ацетилен C 2 H 2; други въглеводороди също могат да присъстват в продуктите, например етан C2H6, бензен C6H6. Взаимодействието на сярата с "аморфния" въглерод и графита започва при 700-800 ° C, с диаманта при 900-1000 ° C; във всички случаи се образува въглероден дисулфид CS 2. Други въглеродни съединения, съдържащи сяра (тиоксид CS, тионедоксид C 3 S 2, серен диоксид COS и тиофосген CSCl 2), се получават индиректно. Когато CS 2 взаимодейства с метални сулфиди, се образуват тиокарбонати, соли на слабата тиокарбонова киселина. Взаимодействието на въглерода с азота за получаване на цианоген (CN) 2 възниква, когато електрически разряд се пропуска между въглеродни електроди в азотна атмосфера. Сред азотсъдържащите съединения на въглерода голямо практическо значение имат циановодород HCN (циановодородна киселина) и многобройните му производни: цианиди, халоцианини, нитрили и др. При температури над 1000°С Въглеродът взаимодейства с много метали, давайки карбиди. При нагряване всички форми на въглерод редуцират метални оксиди до образуване на свободни метали (Zn, Cd, Cu, Pb и други) или карбиди (CaC 2, Mo 2 C, WC, TaC и други). Въглеродът реагира при температури над 600-800 ° C с водни пари и въглероден диоксид (газификация на горива). Отличителна черта на графита е способността при умерено нагряване до 300-400 ° C да взаимодейства с алкални метали и халогениди с образуването на съединения от типа C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (където X е халоген, Me е метал). Известни съединения за включване на графит с HNO 3, H 2 SO 4, FeCl 3 и други (например графитен бисулфат C 24 SO 4 H 2). Всички форми на въглерода са неразтворими в обикновени неорганични и органични разтворители, но се разтварят в някои стопени метали (например Fe, Ni, Co).

Националното икономическо значение на въглерода се определя от факта, че над 90% от всички първични източници на енергия, консумирани в света, са изкопаеми горива, чиято водеща роля ще остане и през следващите десетилетия, въпреки интензивното развитие на ядрената енергетика. Само около 10% от извлеченото гориво се използва като суровина за основен органичен синтез и нефтохимичен синтез, за ​​производство на пластмаси и др.

Въглерод в тялото.Въглеродът е най-важният биогенен елемент, който формира основата на живота на Земята, структурна единица от огромен брой органични съединения, участващи в изграждането на организмите и осигуряващи тяхната жизнена активност (биополимери, както и множество нискомолекулни биологично активни вещества - витамини, хормони, медиатори и други). Значителна част от необходимата за организмите енергия се образува в клетките поради окисляването на въглерода. Появата на живота на Земята се разглежда в съвременната наука като сложен процес на еволюцията на въглеродните съединения.

Уникалната роля на въглерода в живата природа се дължи на неговите свойства, които в съвкупност не притежават нито един друг елемент от периодичната система. Между въглеродните атоми, както и между въглерода и други елементи, се образуват силни химични връзки, които обаче могат да бъдат разкъсани при относително меки физиологични условия (тези връзки могат да бъдат единични, двойни и тройни). Способността на въглерода да образува 4 еквивалентни валентни връзки с други въглеродни атоми прави възможно изграждането на въглеродни скелети от различен тип – линейни, разклонени, циклични. Показателно е, че само три елемента - C, O и H - съставляват 98% от общата маса на живите организми. Това постига известна рентабилност в живата природа: с почти неограничено структурно разнообразие от въглеродни съединения, малък брой видове химични връзки могат значително да намалят количеството ензими, необходими за разграждането и синтеза на органични вещества. Структурните особености на въглеродния атом са в основата на различни видове изомерия на органични съединения (способността за оптична изомерия се оказа решаваща в биохимичната еволюция на аминокиселини, въглехидрати и някои алкалоиди).

Според общоприетата хипотеза на А. И. Опарин, първите органични съединения на Земята са от абиогенен произход. Източниците на въглерод са метан (CH 4) и циановодород (HCN), съдържащи се в първичната атмосфера на Земята. С появата на живота единственият източник на неорганичен въглерод, поради който се образува цялата органична материя на биосферата, е въглеродният оксид (IV) (CO 2), който се намира в атмосферата, а също и разтворен в естествени води в форма на HCO 3. Най-мощният механизъм на асимилация (асимилация) на въглерод (под формата на CO 2) - фотосинтеза - се осъществява навсякъде от зелените растения (годишно се усвояват около 100 милиарда тона CO 2). На Земята съществува еволюционно по-древен начин за усвояване на CO 2 чрез хемосинтеза; в този случай хемосинтетичните микроорганизми използват не лъчистата енергия на слънцето, а енергията на окисляване на неорганични съединения. Повечето животни консумират въглерод в диетата си под формата на готови органични съединения. В зависимост от метода на асимилация на органичните съединения е обичайно да се прави разлика между автотрофни организми и хетеротрофни организми. Използването на микроорганизми за биосинтеза на протеини и други хранителни вещества, използващи петролните въглеводороди като единствен източник на въглерод, е един от най-важните съвременни научни и технически проблеми.

Съдържанието на въглерод в живите организми, изчислено върху сухо вещество, е 34,5-40% във водните растения и животни, 45,4-46,5% в сухоземните растения и животни и 54% в бактериите. В процеса на живот на организмите, главно поради тъканното дишане, настъпва окислително разлагане на органични съединения с отделяне на CO 2 във външната среда. Въглеродът се отделя и в по-сложни метаболитни крайни продукти. След смъртта на животни и растения част от въглерода отново се превръща в CO 2 в резултат на гниещи процеси, извършвани от микроорганизми. По този начин въглеродният цикъл се случва в природата. Значителна част от въглерода е минерализирана и образува находища на изкопаем въглерод: въглища, нефт, варовик и др. В допълнение към основната функция - източник на въглерод - СО 2, разтворен в естествени води и в биологични течности, участва в поддържането на оптимална за жизнените процеси киселинност на средата. В състава на CaCO 3 въглеродът образува външния скелет на много безгръбначни (например черупки на мекотели), а също така се намира в корали, яйчени черупки на птици и др. По-нататък, в процеса на биологичната еволюция, те се превръщат в силни антиметаболити на метаболизма.

В допълнение към стабилните изотопи на въглерода, радиоактивният 14 C е широко разпространен в природата (съдържа около 0,1 μкюри в човешкото тяло). Много големи постижения в изучаването на метаболизма и цикъла на въглерода в природата са свързани с използването на въглеродни изотопи в биологични и медицински изследвания. И така, с помощта на радиовъглероден етикет беше доказана възможността за фиксиране на Н 14 СО 3 от растения и животински тъкани, установена е последователността на реакциите на фотосинтезата, проучена е обмяната на аминокиселини, проследени са пътищата на биосинтеза на много биологично активни съединения Използването на 14 С допринесе за успеха на молекулярната биология в изследването на механизмите на биосинтеза на протеини и предаването на наследствена информация. Определянето на специфичната активност на 14 C в въглерод-съдържащи органични остатъци дава възможност да се прецени тяхната възраст, което се използва в палеонтологията и археологията.

ВЪГЛЕРОД, C (a. Carbon; n. Kohlenstoff; f. Carbone; и. Carbono), е химичен елемент от група IV на периодичната таблица на Менделеев, атомен номер 6, атомна маса 12,041. Естественият въглерод се състои от смес от 2 стабилни изотопа: 12 C (98,892%) и 13 C (1,108%). Съществуват и 6 радиоактивни изотопа на въглерода, от които най-важният е изотопът 14 C с период на полуразпад 5.73.10 3 години (този изотоп се образува постоянно в малки количества в горната атмосфера в резултат на облъчването на 14 N ядра с неутрони от космическо излъчване).

Въглеродът е познат от древни времена. Дървесината е била използвана за извличане на метали от руди, докато диамантът е бил използван като. Признаването на въглерода като химичен елемент се свързва с името на френския химик А. Лавоазие (1789).

Модификации и свойства на въглерода

Известни са 4 кристални модификации на въглерода: графит, диамант, карбин и лонсдейлит, които се различават значително по своите свойства. Carbyne е изкуствено получен вид въглерод, който представлява фин кристален черен прах, чиято кристална структура се характеризира с наличието на дълги вериги от въглеродни атоми, разположени успоредно един на друг. Плътност 3230-3300 kg / m 3, топлинен капацитет 11,52 J / mol.K. Лонсдейл, намерен в метеорити и получен изкуствено; неговата структура и физични свойства не са окончателно установени. Въглеродът се характеризира и със състояние с неуредена структура – ​​т.нар. аморфен въглерод (сажди, кокс, дървени въглища). Физичните свойства на "аморфния" въглерод до голяма степен зависят от размера на частиците и от наличието на примеси.

Химични свойства на въглерода

В съединенията въглеродът има степени на окисление +4 (най-често срещаните), +2 и +3. При нормални условия въглеродът е химически инертен; при високи температури той се комбинира с много елементи, проявявайки силни редуциращи свойства. Химическата активност на въглерода намалява в поредицата "аморфен" въглерод, графит, диамант; взаимодействието с атмосферния кислород в тези видове въглерод се случва съответно при температури от 300-500 ° C, 600-700 ° C и 850-1000 ° C с образуването на въглероден диоксид (CO 2) и монооксид (CO) въглерод. Диоксидът се разтваря във вода, за да образува въглеродна киселина. Всички форми на въглерод са устойчиви на алкали и киселини. Въглеродът практически не взаимодейства с халогени (с изключение на графита, който реагира с F 2 над 900 ° C), следователно неговите халогениди се получават индиректно. Циановодородът HCN (циановодородна киселина) и многобройните му производни са от голямо практическо значение сред азотсъдържащите съединения. При температури над 1000 ° C въглеродът взаимодейства с много метали, за да образува карбиди. Всички форми на въглерод са неразтворими в обикновени неорганични и органични разтворители.

Най-важното свойство на въглерода е способността на неговите атоми да образуват силни химически връзки помежду си, както и между себе си и други елементи. Способността на въглерода да образува 4 еквивалентни валентни връзки с други въглеродни атоми прави възможно изграждането на въглеродни скелети от различни видове (линейни, разклонени, циклични); Именно тези свойства обясняват изключителната роля на въглерода в структурата на всички органични съединения и по-специално на всички живи организми.

Въглерод в природата

Средното съдържание на въглерод в земната кора е 2,3,10% (масови); основната част от въглерода е концентрирана в седиментните скали (1%), докато в други скали има значително по-ниски и приблизително същите (1-3,10%) концентрации на този елемент. Въглеродът се натрупва в горната част, където присъствието му се свързва основно с жива материя (18%), дървесина (50%), въглища (80%), нефт (85%), антрацит (96%), както и с доломити и варовици. Известни са повече от 100 въглеродни минерала, от които най-често срещаните са калциеви, магнезиеви и железни карбонати (калцит CaCO 3, доломит (Ca, Mg) CO 3 и сидерит FeCO 3). Натрупването на въглерод в земната кора често се свързва с натрупването на други елементи, сорбирани от органична материя и отложени след заравянето му на дъното на водни тела под формата на неразтворими съединения. Големи количества CO 2 диоксид се отделят в атмосферата от Земята по време на вулканична дейност и при изгаряне на органични горива. От атмосферата CO 2 се усвоява от растенията в процеса на фотосинтеза и се разтваря в морската вода, като по този начин съставлява най-важните връзки в общия въглероден цикъл на Земята. Въглеродът също играе важна роля в космоса; На Слънцето въглеродът е 4-ият най-разпространен след водород, хелий и кислород, участващи в ядрените процеси.

Приложение и употреба

Най-важното национално икономическо значение на въглерода се определя от факта, че около 90% от всички първични енергийни източници, консумирани от хората, са изкопаеми горива. Има тенденция петролът да се използва не като гориво, а като суровина за различни химически индустрии. По-малка, но все пак много важна роля в националната икономика играе въглеродът, произведен под формата на карбонати (металургия, строителство, химическо производство), диаманти (бижута, уреди) и графит (ядрена технология, термоустойчиви тигели, моливи, някои видове лубриканти и др. и т.н.). Според специфичната активност на изотопа 14 С в остатъците от биогенен произход се определя тяхната възраст (радиовъглеродно датиране). 14 C се използва широко като радиоактивен индикатор. Най-разпространеният изотоп 12 C е от голямо значение - една дванадесета от масата на атом от този изотоп се приема като единица за атомна маса на химичните елементи.

Въглеродът (от латински: carbo "въглища") е химичен елемент със символа C и атомен номер 6. Четири електрона са налични за образуване на ковалентни химични връзки. Веществото е неметално и четиривалентно. Три изотопа на въглерода се срещат естествено, 12C и 13C са стабилни, а 14C е радиоактивен изотоп, който се разпада с период на полуразпад от около 5730 години. Въглеродът е един от малкото елементи, познати от древността. Въглеродът е 15-ият най-разпространен елемент в земната кора и четвъртият най-разпространен елемент във Вселената по маса, след водород, хелий и кислород. Изобилието от въглерод, уникалното разнообразие от неговите органични съединения и необичайната му способност да образува полимери при температури, често срещани на Земята, позволяват на този елемент да служи като общ елемент за всички известни форми на живот. Той е вторият най-разпространен елемент в човешкото тяло по тегло (около 18,5%) след кислорода. Въглеродните атоми могат да се свързват по различни начини, наречени въглеродни алотропи. Най-известните алотропи са графит, диамант и аморфен въглерод. Физичните свойства на въглерода варират значително в зависимост от алотропната форма. Например, графитът е непрозрачен и черен, докато диамантът е много прозрачен. Графитът е достатъчно мек, за да образува ивица върху хартия (оттук и името му, от гръцкия глагол „γράφειν“, което означава „да пиша“), докато диамантът е най-твърдият материал, познат в природата. Графитът е добър електрически проводник, докато диамантът има ниска електрическа проводимост. При нормални условия диамантите, въглеродните нанотръби и графенът имат най-високата топлопроводимост от всеки известен материал. Всички въглеродни алотропи са твърди вещества при нормални условия, като графитът е най-термодинамично стабилната форма. Те са химически стабилни и изискват високи температури, за да реагират дори с кислород. Най-често срещаната степен на окисление на въглерода в неорганичните съединения е +4 и +2 в карбоксилните комплекси на въглероден оксид и преходен метал. Най-големите източници на неорганичен въглерод са варовик, доломит и въглероден диоксид, но значителни количества идват от органични находища на въглища, торф, нефт и метанатни клатрати. Въглеродът образува огромен брой съединения, повече от всеки друг елемент, с близо десет милиона съединения, описани до момента, и въпреки това този брой е само част от броя на теоретично възможните съединения при стандартни условия. Поради тази причина въглеродът често се нарича „цар на елементите“.

Спецификации

Алотропите на въглерода включват графит, едно от най-меките известни вещества, и диамант, най-твърдото естествено вещество. Въглеродът се свързва лесно с други малки атоми, включително други въглеродни атоми, и е способен да образува множество стабилни ковалентни връзки с подходящи многовалентни атоми. Известно е, че въглеродът образува близо десет милиона различни съединения, по-голямата част от всички химични съединения. Въглеродът също има най-високата точка на сублимация от всеки елемент. При атмосферно налягане той няма точка на топене, тъй като неговата тройна точка е 10,8 ± 0,2 MPa и 4600 ± 300 K (~ 4330 ° C или 7 820 ° F), така че сублимира при около 3900 K. Графитът е много по-реактивен от диамант при стандартни условия, въпреки че е по-термодинамично стабилен, тъй като неговата делокализирана система pi е много по-уязвима за атака. Например, графитът може да бъде окислен с гореща концентрирана азотна киселина при стандартни условия до C6 (CO2H) 6 мелитинова киселина, която запазва шестоъгълните единици на графита, като същевременно разрушава по-голямата структура. Въглеродът сублимира във въглеродна дъга при температура от около 5800 K (5 530 ° C, 9 980 ° F). По този начин, независимо от алотропната си форма, въглеродът остава твърд при по-високи температури от най-високите точки на топене като волфрам или рений. Въпреки че е термодинамично податлив на окисление, въглеродът е по-устойчив на окисляване от елементи като желязо и мед, които са по-слаби редуциращи агенти при стайна температура. Въглеродът е шестият елемент с електронната конфигурация на основното състояние 1s22s22p2, от които четири външни електрона са валентни електрони. Първите му четири йонизиращи енергии са 1086,5, 2352,6, 4620,5 и 6222,7 kJ / mol, много по-високи от тези на по-тежките елементи от група 14. Електроотрицателността на въглерода е 2,5, което е значително по-високо от това на по-тежките елементи от група 14 ( 1.8-1.9), но е близък до повечето съседни неметали, както и до някои преходни метали от втория и третия ред. Въглеродните ковалентни радиуси обикновено се приемат като 77,2 pm (CC), 66,7 pm (C = C) и 60,3 pm (C≡C), въпреки че те могат да варират в зависимост от координационния номер и с какво е свързан въглерод. Като цяло, ковалентният радиус намалява с намаляване на координационното число и увеличаване на реда на връзката. Въглеродните съединения формират основата на целия известен живот на Земята, а цикълът въглерод-азот осигурява част от енергията, освободена от Слънцето и други звезди. Въпреки че въглеродът образува изключително разнообразие от съединения, повечето форми на въглерод са относително нереактивни при нормални условия. При стандартни температури и налягания въглеродът ще издържи на всички, освен на най-мощните окислители. Не реагира със сярна киселина, солна киселина, хлор или основи. При повишени температури въглеродът реагира с кислорода, за да образува въглеродни оксиди и отстранява кислорода от металните оксиди, оставяйки елементарен метал. Тази екзотермична реакция се използва в производството на желязо и стомана за топене на желязо и контрол на съдържанието на въглерод в стоманата:

Fe3О4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

със сяра за образуване на въглероден дисулфид и с пара в реакцията въглища-газ:

C (s) + H2O (g) → CO (g) + H2 (g)

Въглеродът се комбинира с определени метали при високи температури, за да образува метални карбиди като железен карбид цементит в стомана и волфрамов карбид, широко използван като абразив и за направата на твърди накрайници за режещи инструменти. Въглеродната алотропна система обхваща редица крайности:

Някои видове графит се използват за топлоизолация (например защитни стени и топлинни щитове), но някои други форми са добри топлопроводници. Диамантът е най-известният естествен топлопроводник. Графитът е непрозрачен. Диамантът е много прозрачен. Графитът кристализира в шестоъгълна система. Диамантът кристализира в кубична система. Аморфният въглерод е напълно изотропен. Въглеродните нанотръби са сред най-известните анизотропни материали.

Алотропи на въглерода

Атомният въглерод е много краткотраен вид и затова въглеродът се стабилизира в различни многоатомни структури с различни молекулярни конфигурации, наречени алотропи. Три сравнително добре известни алотропи на въглерода са аморфен въглерод, графит и диамант. Считани по-рано за екзотични, фулерените сега често се синтезират и използват в изследванията; те включват бъкиболи, въглеродни нанотръби, въглеродни наноточки и нановлакна. Открити са и няколко други екзотични алотропи, като лонсалетит, стъклен въглерод, въглероден нанофаум и линеен ацетиленов въглерод (карбин). От 2009 г. графенът се счита за най-мощния материал, тестван някога. Процесът на отделянето му от графита ще изисква известно по-нататъшно технологично развитие, преди да стане икономичен за промишлени процеси. Ако бъде успешен, графенът може да се използва при изграждането на космически асансьори. Може да се използва и за безопасно съхранение на водород за използване в двигатели на водородна основа в автомобили. Аморфната форма е набор от въглеродни атоми в некристално, неправилно, стъкловидно състояние и не се съдържа в кристална макроструктура. Присъства под формата на прах и е основната съставка на вещества като въглен, сажди на лампи (сажди) и активен въглен. При нормално налягане въглеродът е под формата на графит, в който всеки атом е тригонално свързан от три други атома в равнина, съставена от кондензирани шестоъгълни пръстени, както в ароматните въглеводороди. Получената мрежа е двуизмерна и получените плоски листове са сгънати и свободно свързани чрез слаби сили на Ван дер Ваалс. Това придава на графита неговата мекота и свойства на разцепване (листовете се плъзгат лесно един след друг). Поради делокализацията на един от външните електрони на всеки атом за образуване на π-облак, графитът провежда електричество, но само в равнината на всеки ковалентно свързан лист. Това води до по-ниска електрическа проводимост на въглерода от повечето метали. Делокализацията също обяснява енергийната стабилност на графита върху диаманта при стайна температура. При много високо налягане въглеродът образува по-компактен алотроп, диамант, който е почти два пъти по-плътен от графита. Тук всеки атом е тетраедрично свързан с четири други, образувайки триизмерна мрежа от набръчкани шестчленни пръстени от атоми. Диамантът има същата кубична структура като силиция и германия и поради силата на връзките си въглерод-въглерод, той е най-твърдото естествено вещество в света, измерено чрез неговата устойчивост на надраскване. Противно на общоприетото схващане, че "диамантите са завинаги", те са термодинамично нестабилни при нормални условия и се превръщат в графит. Поради високата енергийна бариера за активиране, преходът към графитната форма е толкова бавен при нормални температури, че е невидим. При определени условия въглеродът кристализира като лонсалеит, хексагонална кристална решетка с всички ковалентно свързани атоми и свойства, подобни на тези на диаманта. Фулерените са синтетично кристално образувание със структура, подобна на графит, но вместо шестоъгълници, фулерените са съставени от петоъгълници (или дори седмоъгълници) от въглеродни атоми. Липсващите (или допълнителни) атоми деформират листовете в сфери, елипси или цилиндри. Свойствата на фулерените (разделени на бъкиболи, бакитуби и нанобади) все още не са напълно анализирани и представляват интензивна област на изследване в наноматериалите. Имената "фулерен" и "бъкибол" се свързват с името на Ричард Бъкминстър Фулър, популяризатор на геодезичните куполи, които наподобяват структурата на фулерените. Buckyballs са доста големи молекули, образувани изцяло от въглеродни връзки тригонално, за да образуват сфероиди (най-известният и най-простият е Baxinisterfellerene C60 с формата на футболна топка). Въглеродните нанотръби са структурно подобни на бъкиболите, с изключение на това, че всеки атом е свързан тригонално в извит лист, който образува кух цилиндър. Nanobads са въведени за първи път през 2007 г. и са хибридни материали (бакиболите са ковалентно свързани с външната стена на нанотръбата), които съчетават свойствата на двете в една структура. От другите открити алотропи въглеродната нанопяна е феромагнитен алотроп, открит през 1997 г. Състои се от група въглеродни атоми с ниска плътност, нанизани заедно в свободна триизмерна мрежа, в която атомите са тригонално свързани в шест- и седем-членни пръстени. Това е едно от най-леките твърди вещества с плътност около 2 kg / m3. По същия начин стъкловидният въглерод съдържа голяма част от затворена порьозност, но за разлика от конвенционалния графит, графитните слоеве не са подредени като страници в книга, а са по-случайно подредени. Линейният ацетиленов въглерод има химична структура - (C ::: C) n-. Въглеродът в тази модификация е линеен с sp орбитална хибридизация и е полимер с редуващи се единични и тройни връзки. Този карбин представлява значителен интерес за нанотехнологиите, тъй като неговият модул на Янг е четиридесет пъти по-голям от този на най-твърдия материал, диаманта. През 2015 г. екип от Университета на Северна Каролина обяви разработването на друг алотроп, който те нарекоха Q-въглерод, създаден от високоенергиен лазерен импулс с ниска продължителност върху аморфен въглероден прах. Съобщава се, че Q-въглеродът проявява феромагнетизъм, флуоресценция и твърдост, по-добри от диамантите.

Разпространение

Въглеродът е четвъртият най-разпространен химичен елемент във Вселената по маса след водород, хелий и кислород. Въглеродът е в изобилие в слънцето, звездите, кометите и атмосферите на повечето планети. Някои метеорити съдържат микроскопични диаманти, които са се образували, когато Слънчевата система все още е била протопланетен диск. Микроскопичните диаманти също могат да се образуват при интензивен натиск и висока температура в зони на метеоритно въздействие. През 2014 г. НАСА обяви актуализирана база данни за проследяване на полициклични ароматни въглеводороди (PAH) във Вселената. Повече от 20% от въглерода във Вселената може да бъде свързан с PAHs, сложни съединения на въглерод и водород без кислород. Тези съединения фигурират в глобалната хипотеза за PAH, където вероятно играят роля в абиогенезата и формирането на живот. Изглежда, че PAHs са се образували „няколко милиарда години“ след Големия взрив, широко разпространени във Вселената и са свързани с нови звезди и екзопланети. Твърдата обвивка на Земята се оценява като общо 730 ppm въглерод, с 2000 ppm в ядрото и 120 ppm в комбинираната мантия и кора. Тъй като масата на Земята е 5,9 72 × 1024 kg, това би означавало 4360 милиона гигатона въглерод. Това е много повече от количеството въглерод в океаните или атмосферата (по-долу). Когато се комбинира с кислород във въглероден диоксид, въглеродът се намира в земната атмосфера (приблизително 810 гигатона въглерод) и се разтваря във всички водни тела (приблизително 36 000 гигатона въглерод). Биосферата съдържа около 1900 гигатона въглерод. Въглеводородите (като въглища, нефт и природен газ) също съдържат въглерод. „Резервите“ от въглища (не „ресурси“) са около 900 гигатона с евентуално 18 000 Gt ресурси. Запасите от петрол са около 150 гигатона. Доказаните източници на природен газ са около 175 1012 кубически метра (съдържащи около 105 гигатона въглерод), но проучванията оценяват още 900 1012 кубични метра "нетрадиционни" находища като шистов газ, което е около 540 гигатона въглерод. Въглеродът е открит и в метановите хидрати в полярните региони и под морето. Според различни оценки, количеството на този въглерод е 500, 2500 Gt или 3000 Gt. В миналото количеството на въглеводородите е било по-високо. Според един източник между 1751 и 2008 г. около 347 гигатона въглерод са били изпуснати в атмосферата като въглероден диоксид в атмосферата от изгарянето на изкопаеми горива. Друг източник добавя количеството, добавено към атмосферата между 1750 и 879 Gt, а общото количество в атмосферата, морето и сушата (напр. торфени блата) е почти 2000 Gt. Въглеродът е съставна част (12% от масата) на много големи маси карбонатни скали (варовик, доломит, мрамор и др.). Въглищата съдържат много високо количество въглерод (антрацитът съдържа 92-98% въглерод) и е най-големият търговски източник на минерален въглерод, представляващ 4000 гигатона или 80% от изкопаемите горива. По отношение на отделните въглеродни алотропи, графитът се намира в големи количества в Съединените щати (главно Ню Йорк и Тексас), Русия, Мексико, Гренландия и Индия. Естествените диаманти се намират в скалист кимберлит, съдържащ се в древни вулканични „вратове“ или „тръби“. Повечето от находищата на диаманти се намират в Африка, особено в Южна Африка, Намибия, Ботсвана, Република Конго и Сиера Леоне. Диамантени находища са открити и в Арканзас, Канада, руската Арктика, Бразилия и Северна и Западна Австралия. Сега диаманти също се извличат от океанското дъно край нос Добра надежда. Диамантите се намират естествено, но около 30% от всички промишлени диаманти, използвани в Съединените щати, сега се произвеждат. Въглерод-14 се образува в горната тропосфера и стратосферата на височини от 9-15 km в реакция, която се утаява от космическите лъчи. Произвеждат се топлинни неутрони, които се сблъскват с ядрата на азот-14, за да образуват въглерод-14 и протон. Така 1,2 х 1010% от атмосферния въглероден диоксид съдържа въглерод-14. Богатите на въглерод астероиди са относително доминиращи във външните части на астероидния пояс в нашата слънчева система. Тези астероиди все още не са директно изследвани от учени. Астероидите могат да се използват в хипотетичен космически добив на въглища, което може да е възможно в бъдеще, но в момента е технологично невъзможно.

Въглеродни изотопи

Въглеродните изотопи са атомни ядра, които съдържат шест протона плюс диапазон от неутрони (2 до 16). Въглеродът има два стабилни естествено срещащи се изотопа. Изотопът въглерод-12 (12C) образува 98,93% от земния въглерод, а въглерод-13 (13C) образува останалите 1,07%. Концентрацията на 12C се увеличава още повече в биологичните материали, тъй като биохимичните реакции дискриминират 13C. През 1961 г. Международният съюз по чиста и приложна химия (IUPAC) приема изотопния въглерод-12 като основа за атомните тегла. Идентифицирането на въглерода в експерименти с ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) се извършва с изотопа 13C. Въглерод-14 (14C) е естествен радиоизотоп, създаден в горните слоеве на атмосферата (долната стратосфера и горната тропосфера) чрез взаимодействието на азот с космическите лъчи. Намира се в следи на Земята в количества до 1 част на трилион (0,0000000001%), главно в атмосферата и повърхностните седименти, по-специално торф и други органични материали. Този изотоп се разпада по време на β-емисия от 0,158 MeV. Поради относително краткия си период на полуразпад, 5730 години, 14C практически отсъства от древните скали. В атмосферата и в живите организми количеството на 14C е почти постоянно, но намалява в организмите след смъртта. Този принцип се използва в радиовъглеродното датиране, изобретено през 1949 г., което е широко използвано за определяне на възрастта на въглеродните материали на възраст до 40 000 години. Известни са 15 изотопа на въглерода и най-късият от тях има 8C, който се разпада поради излъчването на протони и алфа разпада и има период на полуразпад от 1,98739 × 10-21 s. Екзотичният 19C показва ядрен ореол, което означава, че радиусът му е значително по-голям, отколкото би се очаквало, ако ядрото беше сфера с постоянна плътност.

Звездно образование

Образуването на атомно въглеродно ядро ​​изисква почти едновременен троен сблъсък на алфа частици (хелиеви ядра) вътре в ядрото на гигантска или свръхгигантска звезда, което е известно като троен алфа процес, тъй като продуктите от по-нататъшно ядрен синтез на хелий с водород или друго хелиево ядро ​​произвежда съответно литий-5 и берилий-8, като и двете са много нестабилни и се разпадат обратно на по-малки ядра почти мигновено. Това се случва при температури над 100 мега калвин и концентрация на хелий, което е неприемливо в условията на бързото разширяване и охлаждане на ранната Вселена и следователно по време на Големия взрив не са създадени значителни количества въглерод. Според съвременната теория на физическата космология въглеродът се образува вътре в звездите в хоризонтален клон чрез сблъсък и трансформация на три хелиеви ядра. Когато тези звезди умират като свръхнова, въглеродът се разпръсква в космоса под формата на прах. Този прах се превръща в съставен материал за образуването на второ или трето поколение звездни системи с натрупани планети. Слънчевата система е една такава звездна система с изобилие от въглерод, позволяващ живот, какъвто го познаваме. Цикълът на CNO е допълнителен механизъм за синтез, който задвижва звезди, където въглеродът действа като катализатор. Ротационните преходи на различни изотопни форми на въглероден оксид (например 12CO, 13CO и 18CO) се намират в субмилиметровия диапазон на дължината на вълната и се използват при изследването на зараждащи се звезди в молекулярни облаци.

Въглероден цикъл

При земни условия превръщането на един елемент в друг е много рядко явление. Следователно количеството въглерод на Земята е ефективно постоянно. По този начин при процеси, които използват въглерод, той трябва да дойде отнякъде и да бъде изхвърлен на друго място. Пътищата на въглерода в околната среда образуват въглеродния цикъл. Например, фотосинтетичните растения извличат въглероден диоксид от атмосферата (или морската вода) и го вграждат в биомаса, както в цикъла на Калвин, процеса на фиксиране на въглерода. Част от тази биомаса се изяжда от животни, докато част от въглерода се издишва от животните като въглероден диоксид. Въглеродният цикъл е много по-сложен от този кратък цикъл; например, малко въглероден диоксид се разтваря в океаните; ако бактериите не го абсорбират, мъртвата растителна или животинска материя може да се превърне в масло или въглища, които отделят въглерод при изгаряне.

Въглеродни съединения

Въглеродът може да образува много дълги вериги от взаимосвързани въглерод-въглеродни връзки, свойство, наречено образуване на верига. Въглерод-въглеродните връзки са стабилни. Чрез катанация (образуване на верига) въглеродът образува безброй съединения. Оценката на уникалните съединения показва, че повече от тях съдържат въглерод. Подобно твърдение може да се направи и за водорода, тъй като повечето органични съединения също съдържат водород. Най-простата форма на органична молекула е въглеводород - голямо семейство от органични молекули, които са съставени от водородни атоми, свързани с верига от въглеродни атоми. Дължината на веригата, страничните вериги и функционалните групи влияят върху свойствата на органичните молекули. Въглеродът се намира във всички форми на познат органичен живот и е в основата на органичната химия. Когато се комбинира с водород, въглеродът образува различни въглеводороди, които са важни за индустрията като хладилни агенти, смазочни материали, разтворители, като химическа суровина за пластмаси и петролни продукти и като изкопаеми горива. Когато се комбинира с кислород и водород, въглеродът може да образува много групи важни биологични съединения, включително захари, лигнани, хитини, алкохоли, мазнини и ароматни естери, каротеноиди и терпени. С азота въглеродът образува алкалоиди, а с добавянето на сяра също образува антибиотици, аминокиселини и каучукови продукти. С добавянето на фосфор към тези други елементи, той образува ДНК и РНК, носители на химическия код на живота, и аденозин трифосфат (АТФ), най-важната молекула за транспорт на енергия във всички живи клетки.

Неорганични съединения

Обикновено въглерод-съдържащите съединения, които са свързани с минерали или които не съдържат водород или флуор, се третират отделно от класическите органични съединения; това определение не е строго. Сред тях са прости въглеродни оксиди. Най-известният оксид е въглеродният диоксид (CO2). Някога това вещество е било основният компонент на палеоатмосферата, но днес е второстепенен компонент на земната атмосфера. Когато се разтваря във вода, това вещество образува въглероден диоксид (H2CO3), но, подобно на повечето съединения с няколко еднократно свързани кислорода върху един въглерод, е нестабилно. Въпреки това, чрез този междинен продукт се образуват резонансни стабилизирани карбонатни йони. Някои важни минерали са карбонатите, особено калцитите. Въглеродният дисулфид (CS2) е подобен. Друг често срещан оксид е въглеродният оксид (CO). Образува се при непълно изгаряне и е безцветен газ без мирис. Всяка молекула съдържа тройна връзка и е доста полярна, което я кара постоянно да се свързва с молекулите на хемоглобина, измествайки кислорода, който има по-нисък афинитет на свързване. Цианидът (CN-) има подобна структура, но се държи като халиден йон (псевдохалоген). Например, той може да образува молекула на цианоген нитрид (CN) 2), подобна на диатомеевите халиди. Други необичайни оксиди са въглероден субоксид (C3O2), нестабилен въглероден оксид (C2O), въглероден триоксид (CO3), циклопентанпептон (C5O5), циклохексанексон (C6O6) и мелитов анхидрид (C12O9). С реактивни метали като волфрам въглеродът образува или карбиди (C4-), или ацетилиди (C2-2), за да образува сплави с високи точки на топене. Тези аниони също са свързани с метан и ацетилен, като и двете са много слаби киселини. При електроотрицателност 2,5 въглеродът предпочита да образува ковалентни връзки. Няколко карбида са ковалентни решетки като карборунд (SiC), който прилича на диамант. Въпреки това, дори най-полярните и солени карбиди не са напълно йонни съединения.

Органометални съединения

Органометалните съединения по дефиниция съдържат поне една връзка въглерод-метал. Има голямо разнообразие от такива съединения; основните класове включват прости алкил метални съединения (напр. тетраетиелид), η2-алкенови съединения (напр. сол на Zeise) и η3-алилови съединения (напр. димер на алилпаладиев хлорид); металоцени, съдържащи циклопентадиенилови лиганди (напр. фероцен); и карбенови комплекси на преходни метали. Има много метални карбонили (напр. тетракарбонилникел); някои работници смятат, че лигандът на въглеродния оксид е чисто неорганично, а не органометално съединение. Докато се смята, че въглеродът образува изключително четири връзки, се съобщава за интересно съединение, съдържащо октаедъричен хексакоординативен въглероден атом. Катионът на това съединение е 2+. Това явление се обяснява с аурофилността на златните лиганди. През 2016 г. беше потвърдено, че хексаметилбензенът съдържа въглероден атом с шест връзки, а не обичайните четири.

История и етимология

Английското име за въглерод (carbon) идва от латинското carbo, което означава „въглен“ и „въглен“, откъдето идва и френската дума charbon, която означава „въглен“. На немски, холандски и датски имената на въглерода са съответно Kohlenstoff, koolstof и kulstof, всички буквално означаващи въглища. Въглеродът е открит в праисторически времена и е бил известен под формата на сажди и дървени въглища в най-ранните човешки цивилизации. Диамантите вероятно са били известни още през 2500 г. пр.н.е. в Китай, а въглеродът под формата на въглен е направен през римско време чрез същата химия като днес, чрез нагряване на дърва в пирамида, покрита с глина, за да се изключи въздух. През 1722 г. Рене Антоан Ферчо де Реамур демонстрира, че желязото се превръща в стомана чрез абсорбцията на вещество, което сега е известно като въглерод. През 1772 г. Антоан Лавоазие показа, че диамантите са форма на въглерод; когато изгори проби от дървени въглища и диамант и установи, че нито един от тях не произвежда вода и че двете вещества отделят еднакво количество въглероден диоксид на грам. През 1779 г. Карл Вилхелм Шееле показа, че графитът, смятан за форма на олово, вместо това е идентичен с въглен, но с малко количество желязо и че произвежда „въздушна киселина“ (която е въглероден диоксид), когато се окислява с азот. киселина. През 1786 г. френските учени Клод Луи Бертоле, Гаспар Монж и К.А.Вандермонд потвърдиха, че графитът е предимно въглерод, окислен в кислород почти по същия начин, както Лавоазие направи с диаманта. Отново остана известно количество желязо, което според френските учени било необходимо за структурата на графита. В своята публикация те предложиха името carbone (латинската дума за carbonum) за елемент в графита, който се отделя като газ при изгаряне на графита. След това Антоан Лавоазие изброява въглерода като елемент в своя учебник от 1789 г. Нов въглероден алотроп, фулерен, който е открит през 1985 г., включва наноструктурни форми като backyballs и нанотръби. Техните пионери - Робърт Кърл, Харолд Крото и Ричард Смоли - получиха Нобелова награда по химия през 1996 г. Възникналият подновен интерес към нови форми води до откриването на допълнителни екзотични алотропи, включително стъклен въглерод, и осъзнаването, че "аморфният въглерод" не е строго аморфен.

Производство

Графит

Търговски жизнеспособните природни находища на графит се намират в много части на света, но най-важните от икономическа гледна точка източници се намират в Китай, Индия, Бразилия и Северна Корея. Графитните отлагания са с метаморфен произход, срещат се в комбинация с кварц, слюда и фелдшпати в шисти, гнайси и метаморфозирани пясъчници и варовици под формата на лещи или жилки, понякога с дебелина няколко метра или повече. Графитните запаси в Бороудейл, Къмбърланд, Англия първоначално са били с достатъчен размер и чистота, така че до 19-ти век моливите са били направени просто чрез рязане на естествени графитни блокове на ленти, преди да се залепят лентите в дървото. Днес по-малки находища на графит се получават чрез раздробяване на основната скала и плаване на по-лекия графит върху вода. Има три вида естествен графит - аморфен, люспест или кристален. Аморфният графит е с най-ниско качество и е най-разпространен. За разлика от науката, в индустрията "аморфен" се отнася до много малък размер на кристала, а не до пълно отсъствие на кристална структура. Думата "аморфен" се използва за продукти с ниско количество графит и е най-евтиният графит. Големи находища на аморфен графит се намират в Китай, Европа, Мексико и САЩ. Плоският графит е по-рядко срещан и с по-високо качество от аморфния графит; изглежда като отделни плочи, които кристализират в метаморфни скали. Цената на гранулирания графит може да бъде четири пъти по-висока от цената на аморфния. Висококачественият люспест графит може да бъде преработен в разширяем графит за много приложения, като например забавители на горенето. Основните находища на графит се намират в Австрия, Бразилия, Канада, Китай, Германия и Мадагаскар. Течният или на бучки графит е най-редкият, най-ценният и най-висококачествен вид естествен графит. Намира се във вени по натрапчиви контакти в твърди бучки и се добива само в Шри Ланка. Според USGS световното производство на естествен графит през 2010 г. е 1,1 милиона тона, с 800 000 тона в Китай, 130 000 тона в Индия, 76 000 тона в Бразилия, 30 000 тона в Северна Корея и 25 000 тона в Канада е мин. 25 000 тона. в Съединените щати, но през 2009 г. са добити 118 000 тона синтетичен графит с приблизителна стойност от 998 милиона щатски долара.

диамант

Снабдяването с диаманти се контролира от ограничен брой фирми и също така е силно концентрирано в малък брой места по света. Само много малка част от диамантената руда се състои от истински диаманти. Рудата се раздробява, по време на което е необходимо да се вземат мерки за предотвратяване на унищожаването на големи диаманти в този процес, а след това частиците се сортират по плътност. Днес диамантите се добиват във фракция, богата на диаманти, като се използва рентгенова флуоресценция, след което последните етапи на сортиране се извършват ръчно. Преди разпространението на използването на рентгенови лъчи, разделянето беше извършено със смазочни ремъци; известно е, че диамантите са открити само в алувиални находища в Южна Индия. Известно е, че диамантите са по-склонни да се придържат към масата, отколкото другите минерали в рудата. Индия е лидер в производството на диаманти от тяхното откриване около 9-ти век пр.н.е. до средата на 18-ти век сл.н.е., но търговският потенциал на тези източници е изчерпан до края на 18-ти век и дотогава Индия е засенчена от Бразилия, където първите диаманти са открити през 1725г. Производството на диаманти на първични находища (кимберлити и лампроити) започва едва през 1870-те години, след откриването на диамантени находища в Южна Африка. Производството на диаманти се е увеличило с течение на времето, като от тази дата са натрупани само 4,5 милиарда карата. Около 20% от това количество е добито само през последните 5 години, а през последните десет години са започнали добив на 9 нови находища, а още 4 очакват скорошното си откриване. Повечето от тези находища се намират в Канада, Зимбабве, Ангола и едно в Русия. В Съединените щати диаманти са открити в Арканзас, Колорадо и Монтана. През 2004 г. поразителното откритие на микроскопичен диамант в Съединените щати доведе до освобождаването през януари 2008 г. на масивна проба от кимберлитни тръби в отдалечена Монтана. Днес повечето търговски жизнеспособни находища на диаманти се намират в Русия, Ботсвана, Австралия и Демократична република Конго. През 2005 г. Русия е произвела близо една пета от световните диаманти, според Британското геоложко проучване. В Австралия най-богатата диамантирана тръба достига пикови нива на производство от 42 метрични тона (41 тона, 46 къси тона) годишно през 90-те години. Има и търговски полета, чието активно производство се извършва в северозападните територии на Канада, Сибир (главно в Якутия, например в тръбата Мир и в тръбата Udachnaya), в Бразилия, както и в Северна и Западна Австралия.

Приложения

Въглеродът е от съществено значение за всички известни живи системи. Без него съществуването на живот, какъвто го познаваме, е невъзможно. Основните икономически употреби на въглерода, освен храната и дървесината, са въглеводородите, предимно изкопаеми горива, газ метан и суров нефт. Суровият нефт се преработва от рафинерии за производство на бензин, керосин и други продукти. Целулозата е естествен въглерод-съдържащ полимер, произведен от растения под формата на дърво, памук, лен и коноп. Целулозата се използва главно за поддържане на структурата на растенията. Търговско ценните животински въглеродни полимери включват вълна, кашмир и коприна. Пластмасите са направени от синтетични въглеродни полимери, често с кислородни и азотни атоми, включени на редовни интервали в полимерния гръбнак. Суровината за много от тези синтетични материали идва от суров нефт. Използването на въглерод и неговите съединения е изключително разнообразно. Въглеродът може да образува сплави с желязо, най-разпространената от които е въглеродна стомана. Графитът се комбинира с глини, за да образува "олово", използвано в моливите, използвани за писане и рисуване. Използва се също като лубрикант и пигмент, като формовъчен материал при производството на стъкло, в електроди за сухи батерии и галванично и галванично покритие, в четки за електродвигатели и като забавител на неутрони в ядрени реактори. Въглищата се използват като материал за произведения на изкуството, като скара за барбекю, за топене на желязо и има много други приложения. Дървесината, въглищата и маслото се използват като горива за производство на енергия и за отопление. Висококачествените диаманти се използват при производството на бижута, докато индустриалните диаманти се използват за пробиване, рязане и полиране на инструменти за обработка на метали и камък. Пластмасите се произвеждат от изкопаеми въглеводороди, а въглеродните влакна, направени чрез пиролиза на синтетични полиестерни влакна, се използват за подсилване на пластмасите за образуване на усъвършенствани, леки композити. Въглеродните влакна се получават чрез пиролиза на екструдирани и опънати полиакрилонитрилни (PAN) нишки и други органични вещества. Кристалната структура и механичните свойства на влакното зависят от вида на изходния материал и последващата обработка. Въглеродните влакна, направени от PAN, имат структура, която наподобява тесни нишки от графит, но топлинната обработка може да пренареди структурата в непрекъснат лист. В резултат на това влакната имат по-висока якост на опън от стоманата. Въглеродът се използва като черен пигмент в печатарски мастила, маслени бои и акварели за художници, въглеродна хартия, автомобилни гарнитури, мастила и лазерни принтери. Въглеродните сажди също се използват като пълнител в гумени изделия като гуми и пластмасови съединения. Активният въглен се използва като абсорбент и адсорбент във филтърни среди в различни приложения като противогази, пречистване на вода и абсорбатори, както и в медицината за абсорбиране на токсини, отрови или газове от храносмилателната система. Въглеродът се използва за химическа редукция при високи температури. Коксът се използва за редуциране на желязна руда до желязо (топене). Втвърдяването на стоманата се постига чрез нагряване на готовите стоманени компоненти във въглероден прах. Карбидите на силиций, волфрам, бор и титан са сред най-твърдите материали и се използват като абразиви за рязане и шлайфане. Въглеродните съединения съставляват повечето от материалите, използвани в облеклото, като естествен и синтетичен текстил и кожа, и почти всички вътрешни повърхности в среди, различни от стъкло, камък и метал.

диаманти

Диамантената индустрия е разделена на две категории, едната от които са висококачествени диаманти (скъпоценни камъни), а другата са индустриални диаманти. Въпреки че има много търговия и с двата вида диаманти, и двата пазара работят по много различни начини. За разлика от благородни метали като злато или платина, диамантите със скъпоценни камъни не се търгуват като стока: има значителна премия при продажбата на диаманти и пазарът за препродажба на диаманти не е много активен. Индустриалните диаманти се ценят предимно за тяхната твърдост и топлопроводимост, докато гемологичните качества на чистота и цвят са до голяма степен без значение. Около 80% от добитите диаманти (равни на около 100 милиона карата или 20 тона годишно) са неизползваеми и се използват в промишлеността (диамант за скрап). Синтетичните диаманти, изобретени през 50-те години на миналия век, намират индустриални приложения почти веднага; Годишно се произвеждат 3 милиарда карата (600 тона) синтетични диаманти. Доминиращите промишлени приложения на диаманта са рязане, пробиване, шлайфане и полиране. Повечето от тези приложения не изискват големи диаманти; всъщност повечето диаманти с качество на скъпоценни камъни, с изключение на малките диаманти, могат да се използват в индустрията. Диамантите се вкарват в накрайници на бормашини или триони или се смилат на прах за използване при шлайфане и полиране. Специализираните приложения включват лабораторна употреба като съхранение за експерименти с високо налягане, високопроизводителни лагери и ограничена употреба в специализирани прозорци. С напредъка в производството на синтетични диаманти, новите приложения стават осъществими. Много внимание се отделя на възможното използване на диаманта като полупроводник, подходящ за микрочипове и поради изключителната му топлопроводимост като радиатор в електрониката.

въглерод (C)- типичен неметален; в периодичната система е във 2-ри период на IV група, основната подгрупа. Атомно число 6, Ar = 12,011 amu, ядрен заряд +6.

Физически свойства:въглеродът образува много алотропни модификации: диамант- едно от най-твърдите вещества графит, въглища, сажди.

Въглероден атом има 6 електрона: 1s 2 2s 2 2p 2 . Последните два електрона са разположени на отделни p-орбитали и са несдвоени. По принцип тази двойка може да заема една орбитала, но в този случай електрон-електронното отблъскване силно се увеличава. Поради тази причина единият от тях взема 2p x, а другият или 2p y , или 2p z-орбитали.

Разликата между енергиите на s- и p-поднивата на външния слой е малка, поради което атомът доста лесно преминава във възбудено състояние, при което един от двата електрона от 2s-орбитала преминава в свободния. 2стр.Валентно състояние с конфигурация 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Именно това състояние на въглеродния атом е характерно за диамантената решетка - тетраедричното пространствено разположение на хибридните орбитали, еднаква дължина на връзката и енергия.

Известно е, че това явление се нарича sp 3 -хибридизация,и възникващите функции са sp 3 -хибридни . Образуването на четири sp 3 връзки осигурява на въглеродния атом по-стабилно състояние от три п-п-и една s-s-връзка. В допълнение към sp 3 хибридизация при въглеродния атом, sp 2 и sp хибридизация също се наблюдава . В първия случай има взаимно припокриване с-и две p-орбитали. Образуват се три еквивалентни sp 2 - хибридни орбитали, разположени в една равнина под ъгъл от 120 ° една спрямо друга. Третата орбитала p е непроменена и е насочена перпендикулярно на равнината sp 2.

По време на sp хибридизация, s и p орбиталите се припокриват. Между двете образувани еквивалентни хибридни орбитали възниква ъгъл от 180°, докато двете p-орбитали на всеки от атомите остават непроменени.

Алотропия на въглерода. Диамант и графит

В графитния кристал въглеродните атоми са разположени в успоредни равнини, заемайки върховете на правилните шестоъгълници в тях. Всеки от въглеродните атоми е свързан с три съседни sp2-хибридни връзки. Връзката между успоредните равнини се осъществява от ван дер Ваалсови сили. Свободните p-орбитали на всеки от атомите са насочени перпендикулярно на равнините на ковалентните връзки. Тяхното припокриване обяснява допълнителната π-връзка между въглеродните атоми. Така че от валентно състояние, в което въглеродните атоми са в дадено вещество, свойствата на това вещество зависят.

Химични свойства на въглерода

Най-типичните степени на окисление са +4, +2.

При ниски температури въглеродът е инертен, но при нагряване неговата активност се увеличава.

Въглеродът като редуциращ агент:

- с кислород
C 0 + O 2 - t ° = CO 2 въглероден диоксид
при липса на кислород - непълно изгаряне:
2C 0 + O 2 - t ° = 2C +2 O въглероден оксид

- с флуор
C + 2F 2 = CF 4

- с водна пара
C 0 + H 2 O - 1200 ° = C +2 O + H 2 воден газ

- с метални оксиди. Така металът се топи от руда.
C 0 + 2CuO - t ° = 2Cu + C +4 O 2

- с киселини - окислители:
C 0 + 2H 2 SO 4 (конц.) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (конц.) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- образува въглероден дисулфид със сяра:
C + 2S 2 = CS 2.

Въглеродът като окислител:

- образува карбиди с някои метали

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- с водород - метан (както и огромно количество органични съединения)

C0 + 2H2 = CH4

- със силиций, образува карборунд (при 2000 ° C в електрическа пещ):

Намиране на въглерод в природата

Свободният въглерод се среща под формата на диамант и графит. Под формата на съединения въглеродът е в състава на минерали: креда, мрамор, варовик - CaCO 3, доломит - MgCO 3 * CaCO 3; хидрокарбонати - Mg (HCO 3) 2 и Ca (HCO 3) 2, CO 2 е част от въздуха; въглеродът е основната съставна част на естествените органични съединения - газ, нефт, въглища, торф; той е част от органични вещества, протеини, мазнини, въглехидрати, аминокиселини, които изграждат живите организми.

Неорганични въглеродни съединения

Нито С4+, нито С4- йони се образуват при никакви обикновени химически процеси: във въглеродните съединения има ковалентни връзки с различна полярност.

въглероден оксид (II) CO

Въглероден окис; безцветен, без мирис, слабо разтворим във вода, разтворим в органични разтворители, отровен, температура на бала = -192°C; т мн.ч. = -205°C.

Получаване
1) В промишлеността (в газовите генератори):
C + O 2 = CO 2

2) В лабораторията - чрез термично разлагане на мравчена или оксалова киселина в присъствието на H 2 SO 4 (конц.):
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O

Химични свойства

CO е инертен при нормални условия; при нагряване - редуциращ агент; несолеобразуващ оксид.

1) с кислород

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) с метални оксиди

C +2 O + CuO = Cu + C +4 O 2

3) с хлор (на светлина)

CO + Cl 2 - hn = COCl 2 (фосген)

4) реагира с алкални стопилки (под налягане)

CO + NaOH = HCOONa (натриев формиат)

5) образува карбонили с преходни метали

Ni + 4CO - t° = Ni (CO) 4

Fe + 5CO - t° = Fe (CO) 5

Въглероден оксид (IV) CO2

Въглероден диоксид, безцветен, без мирис, разтворимост във вода - 0.9V CO 2 се разтваря в 1V H 2 O (при нормални условия); по-тежък от въздуха; t ° pl. = -78,5 ° C (твърдият CO 2 се нарича "сух лед"); не поддържа горенето.

Получаване

1. Термично разлагане на соли на въглеродната киселина (карбонати). Печене на варовик:

CaCO 3 - t ° = CaO + CO 2

1. Действието на силните киселини върху карбонатите и бикарбонатите:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2

химическиИмотиCO2
Киселинен оксид: Реагира с основни оксиди и основи за образуване на соли на въглеродната киселина

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

Може да прояви окислителни свойства при повишени температури

С +4 O 2 + 2Mg - t ° = 2Mg +2 O + C 0

Качествена реакция

Мътност на варовата вода:

Ca (OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (бяла утайка) + H 2 O

Изчезва при продължително преминаване на СО 2 през варовита вода, т.к неразтворимият калциев карбонат се трансформира в разтворим бикарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca (HCO 3) 2

Въглеродната киселина и нейнитесол

H 2CO 3 -Киселината е слаба, съществува само във воден разтвор:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Двуосновни:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Киселинни соли - бикарбонати, въглеводороди
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Средни соли - карбонати

Всички свойства на киселините са характерни.

Карбонатите и въглеводородите могат да се превръщат един в друг:

2NaHCO3 - t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO3

Метални карбонати (с изключение на алкалните метали) декарбоксилат при нагряване до образуване на оксид:

CuCO 3 - t ° = CuO + CO 2

Качествена реакция- "кипене" под действието на силна киселина:

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

Карбиди

калциев карбид:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

Ацетиленът се освобождава, когато карбидите на цинк, кадмий, лантан и церий реагират с вода:

2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C и Al 4 C 3 се разлагат с вода, за да образуват метан:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al (OH) 3 = 3 CH 4.

В технологията се използват титанови карбиди TiC, волфрам W 2 C (твърди сплави), силициев SiC (карборунд - като абразив и материал за нагреватели).

цианид

получен чрез нагряване на сода в атмосфера от амоняк и въглероден оксид:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Циановодородната киселина HCN е важен продукт на химическата промишленост и се използва широко в органичния синтез. Световното му производство достига 200 хиляди тона годишно. Електронната структура на цианидния анион е подобна на въглеродния оксид (II), такива частици се наричат ​​изоелектронни:

° С = О: [: C = Н:] -

Цианидите (0,1-0,2% воден разтвор) се използват при добива на злато:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

При кипене на разтвори на цианид със сяра или сливане на твърди вещества, тиоцианати:
KCN + S = KSCN.

При нагряване на цианиди от нискоактивни метали се получава цианоген: Hg (CN) 2 = Hg + (CN) 2. Цианидните разтвори се окисляват до цианати:

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

Цианова киселина се предлага в две форми:

H-N = C = О; H-O-C = Н:

През 1828 г. Фридрих Вьолер (1800-1882) получава урея от амониев цианат: NH 4 OCN = CO (NH 2) 2 чрез изпаряване на воден разтвор.

Това събитие обикновено се разглежда като победа на синтетичната химия над "виталистичната теория".

Има изомер на цианова киселина - летлива киселина

H-O-N = C.
Неговите соли (експлозивен живак Hg (ONC) 2) се използват в ударни възпламенители.

Синтез урея(урея):

CO 2 + 2 NH 3 = CO (NH 2) 2 + H 2 O. При 130 0 С и 100 атм.

Уреята е амид на въглеродната киселина, има и нейният "азотен аналог" - гуанидин.

Карбонати

Най-важните неорганични въглеродни съединения са соли на въглеродната киселина (карбонати). H 2 CO 3 е слаба киселина (K 1 = 1,3 · 10 -4; K 2 = 5 · 10 -11). Подпори от карбонатен буфер равновесие на въглероден диоксидв атмосферата. Океаните имат огромен буферен капацитет, защото са отворена система. Основната буферна реакция е равновесие в дисоциацията на въглеродната киселина:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

С намаляване на киселинността се получава допълнително усвояване на въглероден диоксид от атмосферата с образуването на киселина:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

С повишаване на киселинността настъпва разтваряне на карбонатни скали (черупки, креда и варовикови отлагания в океана); това компенсира загубата на хидрокарбонатни йони:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (твърд) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Твърдите карбонати се превръщат в разтворими хидрокарбонати. Именно този процес на химическо разтваряне на излишния въглероден диоксид противодейства на "парниковия ефект" - глобалното затопляне поради поглъщането на топлинната радиация от Земята от въглеродния диоксид. Около една трета от содата в света (натриев карбонат Na 2 CO 3) се използва в производството на стъкло.