فرمول شیمیایی کربن کربن چیست؟ توضیحات، خواص و فرمول کربن

یکی از شگفت انگیزترین عناصری که می تواند طیف عظیمی از ترکیبات آلی و معدنی را تشکیل دهد کربن است. این عنصر در ویژگی‌هایش آنقدر غیرمعمول است که حتی مندلیف آینده بزرگی را برای آن پیش‌بینی کرد و در مورد ویژگی‌هایی صحبت کرد که هنوز فاش نشده‌اند.

بعداً این عملاً تأیید شد. مشخص شد که او عنصر اصلی بیوژنیک سیاره ما است که بخشی از مطلق همه موجودات زنده است. علاوه بر این، می تواند در چنین اشکالی وجود داشته باشد که در همه پارامترها کاملاً متفاوت هستند، اما در عین حال فقط از اتم های کربن تشکیل شده اند.

به طور کلی، این ساختار دارای ویژگی های بسیاری است و با آنها است که در طول مقاله سعی خواهیم کرد آن را کشف کنیم.

کربن: فرمول و موقعیت در سیستم عناصر

در جدول تناوبی، عنصر کربن در گروه IV (طبق نمونه جدید در 14)، زیرگروه اصلی قرار دارد. عدد ترتیبی آن 6 و وزن اتمی آن 12.011 است. تعیین یک عنصر با علامت C نشان دهنده نام آن در لاتین - carboneum است. کربن به اشکال مختلفی وجود دارد. بنابراین، فرمول آن متفاوت است و به اصلاح خاص بستگی دارد.

با این حال، البته، یک نام خاص برای نوشتن معادلات واکنش وجود دارد. به طور کلی، وقتی در مورد یک ماده به شکل خالص آن صحبت می کنیم، فرمول مولکولی کربن C بدون نمایه سازی پذیرفته می شود.

تاریخچه کشف آیتم

این عنصر به خودی خود از دوران باستان شناخته شده است. به هر حال یکی از مهمترین مواد معدنی موجود در طبیعت زغال سنگ است. بنابراین، برای یونانیان باستان، رومیان و سایر مردمان، این امر مخفی نبود.

در کنار این تنوع، از الماس و گرافیت نیز استفاده می شد. برای مدت طولانی، بسیاری از موقعیت های گیج کننده با دومی وجود داشت، زیرا اغلب بدون تجزیه و تحلیل ترکیب، چنین ترکیباتی به عنوان گرافیت در نظر گرفته می شد:

• سرب نقره ای؛
• کاربید آهن؛
• سولفید مولیبدن

همه آنها سیاه رنگ شده بودند و بنابراین گرافیت در نظر گرفته می شدند. بعداً این سوء تفاهم روشن شد و این شکل کربن خودش شد.

از سال 1725، الماس ها اهمیت تجاری زیادی پیدا کردند و در سال 1970 فناوری به دست آوردن مصنوعی آنها تسلط یافت. از سال 1779، به لطف کار کارل شیل، خواص شیمیایی که کربن از خود نشان می دهد مورد مطالعه قرار گرفته است. این آغاز تعدادی از اکتشافات مهم در زمینه این عنصر بود و مبنایی برای روشن شدن همه ویژگی های منحصر به فرد آن شد.

ایزوتوپ های کربن و توزیع در طبیعت

علیرغم اینکه عنصر مورد بررسی یکی از مهمترین عناصر بیوژنیک است، محتوای کل آن در جرم پوسته زمین 0.15 درصد است. این به دلیل این واقعیت است که آن را تحت گردش ثابت، چرخه طبیعی در طبیعت است.

به طور کلی می توان چند ترکیب با ماهیت معدنی نام برد که شامل کربن می شود. اینها نژادهای طبیعی هستند مانند:

• دولومیت و سنگ آهک؛
• آنتراسیت
• شیل نفتی;
• گاز طبیعی؛
• زغال سنگ;
• روغن؛
• زغال سنگ قهوه ای؛
• ذغال سنگ نارس؛
• قیر

علاوه بر این، نباید موجودات زنده را که صرفاً انباری از ترکیبات کربن هستند، فراموش کرد. از این گذشته، آنها پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات ها، اسیدهای نوکلئیک را تشکیل می دهند که به معنای حیاتی ترین مولکول های ساختاری است. به طور کلی، در محاسبه مجدد توده بدن خشک، از 70 کیلوگرم، 15 کیلوگرم بر روی یک عنصر خالص می افتد. و در مورد هر شخص نیز چنین است، نه از حیوانات، گیاهان و سایر موجودات.

اگر هم آب، یعنی هیدروسفر به عنوان یک کل و هم اتمسفر را در نظر بگیریم، آنگاه یک مخلوط کربن و اکسیژن وجود دارد که با فرمول CO 2 بیان می شود. دی اکسید یا دی اکسید کربن یکی از گازهای اصلی تشکیل دهنده هوا است. در این شکل است که کسر جرمی کربن 0.046٪ است. حتی بیشتر دی اکسید کربن محلول در آب های اقیانوس ها.

جرم اتمی کربن به عنوان یک عنصر 12.011 است. مشخص است که این مقدار به عنوان میانگین حسابی بین وزن اتمی همه گونه های ایزوتوپی موجود در طبیعت با در نظر گرفتن شیوع آنها (در درصد) محاسبه می شود. در مورد ماده مورد نظر نیز این اتفاق می افتد. سه ایزوتوپ اصلی وجود دارد که کربن در آنها یافت می شود. این:

• 12 С - کسر جرمی آن در اکثریت قریب به اتفاق 98.93٪ است.
• 13 C - 1.07٪;
• 14 С - رادیواکتیو، نیمه عمر 5700 سال، ساطع کننده بتا پایدار.

در عمل تعیین سن زمین شناسی نمونه ها، ایزوتوپ رادیواکتیو 14 C به طور گسترده ای استفاده می شود که به دلیل دوره واپاشی طولانی آن یک شاخص است.

اصلاحات عنصر آلوتروپیک

کربن عنصری است که به عنوان یک ماده ساده به اشکال مختلفی وجود دارد. یعنی قادر به ایجاد بیشترین تعداد تغییرات آلوتروپیک شناخته شده تا به امروز است.

1. تغییرات کریستالی - به شکل ساختارهای قوی با شبکه های اتمی منظم وجود دارد. این گروه شامل انواع زیر است:

• الماس؛
• فولرن ها
• گرافیت ها
• کارابین ها
• lonsdaleites;
• و لوله ها

همه آنها در شبکه ای متفاوت هستند که در مکان های آن یک اتم کربن وجود دارد. از این رو خواص کاملاً منحصر به فرد و غیر مشابه، هم فیزیکی و هم شیمیایی.

2. اشکال آمورف - آنها توسط یک اتم کربن، که بخشی از برخی از ترکیبات طبیعی است، تشکیل می شوند. یعنی اینها انواع خالص نیستند، بلکه با ناخالصی عناصر دیگر در مقادیر کم هستند. این گروه شامل:

• کربن فعال؛
• سنگ و چوب؛
• دوده؛
• نانوفوم کربنی؛
• آنتراسیت
• کربن شیشه ای؛
• نوع فنی ماده

آنها همچنین با ویژگی های ساختاری شبکه کریستالی متحد می شوند که ویژگی ها را توضیح می دهد و آشکار می کند.

3. ترکیبات کربن به صورت خوشه. چنین ساختاری که در آن اتم ها از داخل به شکل توخالی خاصی بسته شده و با آب یا هسته های عناصر دیگر پر شده اند. مثال ها:

• نانو مخروط کربنی؛
• astralenes;
• دی کربن

خواص فیزیکی کربن آمورف

با توجه به تنوع گسترده تغییرات آلوتروپیک، جداسازی هر گونه ویژگی فیزیکی کلی برای کربن دشوار است. صحبت در مورد یک فرم خاص آسان تر است. به عنوان مثال، کربن آمورف دارای ویژگی های زیر است.

1. همه فرم ها بر اساس انواع ریز کریستالی گرافیت هستند.
2. ظرفیت حرارتی بالا.
3. خواص رسانایی خوب
4. چگالی کربن حدود 2 گرم بر سانتی متر مکعب است.
5. هنگامی که بالاتر از 1600 0 C گرم می شود، انتقال به اشکال گرافیت رخ می دهد.

انواع کربن سیاه و سنگ به طور گسترده ای برای اهداف فنی استفاده می شود. آنها مظهر اصلاح کربن خالص نیستند، اما حاوی مقادیر بسیار زیادی از آن هستند.

کربن کریستالی

گزینه های مختلفی وجود دارد که در آنها کربن ماده ای است که کریستال های منظمی از انواع مختلف را تشکیل می دهد که در آن اتم ها به صورت سری به هم متصل می شوند. در نتیجه تغییرات زیر شکل می گیرد.

1. - مکعب، که در آن چهار چهار وجهی به هم متصل شده اند. در نتیجه، تمام پیوندهای شیمیایی کووالانسی هر اتم حداکثر اشباع و قوی هستند. این ویژگی های فیزیکی را توضیح می دهد: چگالی کربن 3300 کیلوگرم بر متر مکعب است. سختی بالا، ظرفیت حرارتی کم، عدم هدایت الکتریکی - همه اینها نتیجه ساختار شبکه کریستالی است. الماس های تولید فنی وجود دارد. در طی انتقال گرافیت به اصلاح بعدی تحت تأثیر دمای بالا و فشار معین تشکیل می شود. به طور کلی، به اندازه قدرت است - حدود 3500 0 C.
2. گرافیت. اتم ها مشابه ساختار ماده قبلی قرار دارند، با این حال، تنها سه پیوند اشباع شده است، و چهارم طولانی تر و بادوام تر می شود، "لایه های" حلقه های شبکه شش ضلعی را به هم متصل می کند. در نتیجه، معلوم می شود که گرافیت یک ماده سیاه نرم و چرب است. هدایت الکتریکی خوبی دارد و نقطه ذوب بالایی دارد - 3525 0 C. قادر به تصعید - تصعید از حالت جامد به گاز، دور زدن حالت مایع (در دمای 3700 0 C) است. چگالی کربن 2.26 گرم بر سانتی متر مکعب است که بسیار کمتر از الماس است. این ویژگی های مختلف آنها را توضیح می دهد. به دلیل ساختار لایه ای شبکه کریستالی، امکان استفاده از گرافیت برای ساخت مدادهای سربی وجود دارد. وقتی روی کاغذ رد می‌شوید، پوسته پوسته می‌شود و رد سیاهی روی کاغذ باقی می‌ماند.
3. فولرن ها آنها فقط در دهه 80 قرن گذشته کشف شدند. آنها تغییراتی هستند که در آنها کربن ها به یک ساختار بسته محدب خاص با یک فضای خالی در مرکز ترکیب می شوند. علاوه بر این، شکل کریستال یک چند وجهی است، با سازماندهی صحیح. تعداد اتم ها زوج است. معروف ترین فرم فولرن C60 است. نمونه هایی از یک ماده مشابه در طول تحقیقات پیدا شد:

• شهاب سنگ ها
• رسوبات پایین؛
• فویلگوریت ها;
• شونگیت ها
• فضای بیرونی، جایی که آنها به شکل گازها موجود بودند.

همه انواع کربن کریستالی اهمیت عملی زیادی دارند، زیرا دارای تعدادی خواص مفید در فناوری هستند.

فعالیت شیمیایی

کربن مولکولی به دلیل پیکربندی پایدار خود واکنش پذیری کمی از خود نشان می دهد. تنها با دادن انرژی اضافی به اتم و وادار کردن الکترون‌های سطح خارجی به تبخیر، می‌توان آن را مجبور به وارد کردن واکنش‌ها کرد. در این لحظه ظرفیت برابر با 4 می شود بنابراین در ترکیبات دارای حالت اکسیداسیون + 2، + 4، - 4 است.

تقریباً تمام واکنش‌ها با مواد ساده، اعم از فلزات و غیرفلزات، تحت تأثیر دمای بالا انجام می‌شوند. عنصر مورد نظر می تواند هم یک عامل اکسید کننده و هم یک عامل کاهنده باشد. با این حال، خواص اخیر به ویژه در او برجسته است، بر این اساس است که استفاده او در صنایع متالورژی و سایر صنایع است.

به طور کلی، توانایی وارد شدن به فعل و انفعالات شیمیایی به سه عامل بستگی دارد:

• پراکندگی کربن؛
• اصلاح آلوتروپیک؛
• دمای واکنش

بنابراین، در برخی موارد، تعامل با مواد زیر وجود دارد:

• غیر فلزات (هیدروژن، اکسیژن)؛
• فلزات (آلومینیوم، آهن، کلسیم و غیره)؛
• اکسیدهای فلزی و نمکهای آنها

با اسیدها و قلیاها واکنش نمی دهد، به ندرت با هالوژن ها. مهمترین ویژگی کربن توانایی تشکیل زنجیرهای بلند در بین خود است. آنها می توانند در یک چرخه بسته شوند، شاخه هایی تشکیل دهند. به این ترتیب تشکیل ترکیبات آلی که امروزه به میلیون ها نفر می رسد، رخ می دهد. اساس این ترکیبات دو عنصر است - کربن، هیدروژن. همچنین، ترکیب ممکن است شامل اتم های دیگر باشد: اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن، فسفر، فلزات و غیره.

ترکیبات اساسی و خصوصیات آنها

بسیاری از ترکیبات مختلف حاوی کربن هستند. فرمول معروف ترین آنها CO 2 - دی اکسید کربن است. با این حال، علاوه بر این اکسید، CO - مونوکسید یا مونوکسید کربن و همچنین C 3 O 2 زیر اکسید نیز وجود دارد.

در میان نمک های حاوی این عنصر، متداول ترین آنها کربنات کلسیم و منیزیم است. بنابراین، کربنات کلسیم چندین مترادف در نام دارد، زیرا در طبیعت به شکل زیر وجود دارد:

• گچ؛
• سنگ مرمر؛
• سنگ آهک؛
• دولومیت

اهمیت کربنات های فلزات قلیایی خاکی در این واقعیت آشکار می شود که آنها در تشکیل استالاکتیت ها و استالاگمیت ها و همچنین آب های زیرزمینی مشارکت فعال دارند.

اسید کربنیک ترکیب دیگری است که کربن را تشکیل می دهد. فرمول آن H 2 CO 3 است. با این حال، در شکل معمول خود، بسیار ناپایدار است و بلافاصله در محلول به دی اکسید کربن و آب تجزیه می شود. بنابراین، تنها املاح آن شناخته شده است، و نه خود او، به عنوان یک راه حل.

هالیدهای کربن - عمدتاً به طور غیر مستقیم به دست می آیند، زیرا سنتز مستقیم فقط در دماهای بسیار بالا و با بازده محصول کم انجام می شود. یکی از رایج ترین آنها CCL 4 - تتراکلرید کربن است. ترکیب سمی که در صورت استنشاق می تواند باعث مسمومیت شود. از واکنش های جایگزینی فتوشیمیایی رادیکال در متان به دست می آید.

کاربیدهای فلزی ترکیبات کربنی هستند که در آنها حالت اکسیداسیون 4 را نشان می دهد. همچنین ممکن است ترکیباتی با بور و سیلیکون وجود داشته باشد. خاصیت اصلی برخی از کاربیدهای فلزی (آلومینیوم، تنگستن، تیتانیوم، نیوبیم، تانتالم، هافنیوم) استحکام بالا و هدایت الکتریکی عالی است. کاربید بور B 4 C یکی از سخت ترین مواد بعد از الماس است (9.5 به گفته Mohs). این ترکیبات در مهندسی و همچنین در صنایع شیمیایی به عنوان منابع هیدروکربن استفاده می شوند (کاربید کلسیم با آب منجر به تشکیل استیلن و هیدروکسید کلسیم می شود).

بسیاری از آلیاژهای فلزی با استفاده از کربن ساخته می شوند و در نتیجه کیفیت و ویژگی های فنی آنها به طور قابل توجهی افزایش می یابد (فولاد آلیاژی از آهن با کربن است).

ترکیبات کربن آلی متعددی سزاوار توجه ویژه هستند، که در آنها یک عنصر اساسی است که قادر به ترکیب با اتم های مشابه در زنجیره های طولانی از ساختارهای مختلف است. این شامل:

• آلکان ها
• آلکن ها
• عرصه ها؛
• پروتئین ها؛
• کربوهیدرات ها؛
• اسیدهای نوکلئیک؛
• الکل ها
• اسیدهای کربوکسیلیک و بسیاری از کلاس های دیگر از مواد.

کاربرد کربن

اهمیت ترکیبات کربن و تغییرات آلوتروپیک آن در زندگی انسان بسیار زیاد است. می‌توانیم تعدادی از جهانی‌ترین صنایع را نام ببریم تا روشن کنیم که واقعاً چنین است.

1. این عنصر همه انواع سوخت آلی را تشکیل می دهد که از آن فرد انرژی دریافت می کند.
2. صنعت متالورژی از کربن به عنوان یک عامل کاهنده قوی برای تولید فلزات از ترکیبات آنها استفاده می کند. کربنات ها نیز در اینجا به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.
3. صنایع ساختمانی و شیمیایی برای سنتز مواد جدید و به دست آوردن محصولات مورد نیاز، مقادیر زیادی از ترکیبات کربن را مصرف می کنند.

همچنین می‌توانید بخش‌هایی از اقتصاد را نام ببرید:

• صنعت هسته ای؛
• جواهرات سازی;
• تجهیزات فنی (روان کننده ها، بوته های مقاوم در برابر حرارت، مدادها و غیره)؛
• تعیین سن زمین شناسی سنگ ها - یک شاخص رادیواکتیو 14 С.
• کربن یک جاذب عالی است که امکان استفاده از آن را برای ساخت فیلترها فراهم می کند.

چرخه در طبیعت

توده کربن موجود در طبیعت در یک چرخه ثابت گنجانده شده است که به صورت چرخه ای در هر ثانیه در سراسر جهان اتفاق می افتد. بنابراین، منبع اتمسفر کربن، CO 2، توسط گیاهان جذب شده و توسط همه موجودات زنده در فرآیند تنفس آزاد می شود. هنگامی که در جو قرار می گیرد، دوباره جذب می شود و بنابراین چرخه متوقف نمی شود. در این حالت، از بین رفتن بقایای آلی منجر به آزاد شدن کربن و تجمع آن در زمین می شود و از آنجا دوباره توسط موجودات زنده جذب شده و به شکل گاز در جو دفع می شود.

کربن(lat. Carboneum)، C، عنصر شیمیایی گروه IV از سیستم تناوبی مندلیف، عدد اتمی 6، جرم اتمی 12.011. دو ایزوتوپ پایدار شناخته شده وجود دارد: 12 C (98.892٪) و 13 C (1.108٪). مهمترین ایزوتوپ های رادیواکتیو 14 درجه سانتیگراد با نیمه عمر (T ½ = 5.6 · 10 3 سال) است. مقادیر کمی 14 درجه سانتیگراد (حدود 2 · 10-10 درصد جرمی) به طور مداوم در جو فوقانی تحت تأثیر نوترونهای تشعشع کیهانی بر روی ایزوتوپ نیتروژن 14 N تشکیل می شود. با توجه به فعالیت خاص ایزوتوپ 14 C در باقیمانده ها با منشا بیوژنیک، سن آنها تعیین می شود. 14 C به طور گسترده ای به عنوان نشانگر ایزوتوپ استفاده می شود.

مرجع تاریخ.کربن از زمان های قدیم شناخته شده است. زغال سنگ برای بازیابی فلزات از سنگ معدن، الماس - به عنوان یک سنگ قیمتی استفاده می شد. مدت‌ها بعد، گرافیت برای ساخت بوته‌ها و مدادها مورد استفاده قرار گرفت.

در سال 1778، K. Scheele، با گرم کردن گرافیت با نمک، کشف کرد که در این مورد، مانند زمانی که زغال سنگ با نمک نمک گرم می شود، دی اکسید کربن آزاد می شود. ترکیب شیمیایی الماس در نتیجه آزمایش‌های A. Lavoisier (1772) در مورد مطالعه احتراق الماس در هوا و تحقیقات S. Tennant (1797) مشخص شد، که ثابت کرد مقادیر مساوی از الماس و زغال سنگ برابر است. مقدار دی اکسید کربن در طول اکسیداسیون کربن در سال 1789 توسط Lavoisier به عنوان یک عنصر شیمیایی شناخته شد. نام لاتین sagboneum Carbon از کربن - زغال سنگ دریافت شده است.

توزیع کربن در طبیعتمیانگین محتوای کربن در پوسته زمین 2.3 10-2٪ جرمی است (1 10 -2 در اولترابازیک، 1 10 -2 - در بازی، 2 سنگ اسیدی). کربن در قسمت بالایی پوسته زمین (زیست کره) انباشته می شود: در ماده زنده 18٪ کربن، چوب 50٪، زغال سنگ 80٪، نفت 85٪، آنتراسیت 96٪. بخش قابل توجهی از کربن لیتوسفر در سنگ های آهکی و دولومیت ها متمرکز شده است.

تعداد کانی های خود کربن - 112؛ تعداد بسیار زیادی از ترکیبات آلی کربن - هیدروکربن ها و مشتقات آنها.

تجمع کربن در پوسته زمین با تجمع بسیاری از عناصر دیگر مرتبط است که توسط مواد آلی جذب شده و به شکل کربنات های نامحلول و غیره رسوب می کنند. CO 2 و اسید کربنیک نقش ژئوشیمیایی زیادی در پوسته زمین دارند. مقدار زیادی از CO 2 در طول آتشفشان آزاد می شود - در تاریخ زمین، منبع اصلی کربن برای بیوسفر بود.

در مقایسه با محتوای متوسط ​​در پوسته زمین، بشر کربن را از روده های زمین به مقدار استثنایی استخراج می کند (زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی)، زیرا این فسیل ها منبع اصلی انرژی هستند.

چرخه کربن از اهمیت ژئوشیمیایی بالایی برخوردار است.

کربن نیز در فضا گسترده است. در خورشید پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن در رتبه چهارم قرار دارد.

خواص فیزیکی کربنچندین اصلاح کریستالی کربن شناخته شده است: گرافیت، الماس، کاربین، لونسدالیت و غیره. گرافیت خاکستری مایل به سیاه، مات، روغنی در لمس، پوسته پوسته، توده بسیار نرم با درخشندگی فلزی است. ساخته شده از کریستال های ساختار شش ضلعی: a = 2.462 Å، c = 6.701 Å. در دمای اتاق و فشار معمولی (0.1 MN / m2 یا 1 kgf / cm2)، گرافیت از نظر ترمودینامیکی پایدار است. الماس یک ماده بسیار سخت و کریستالی است. بلورها یک شبکه مکعبی رو به مرکز دارند: a = 3.560 Å. در دمای اتاق و فشار معمولی، الماس ناپایدار است. تبدیل محسوس الماس به گرافیت در دمای بالاتر از 1400 درجه سانتیگراد در خلاء یا در اتمسفر بی اثر مشاهده می شود. در فشار اتمسفر و دمای حدود 3700 درجه سانتیگراد، گرافیت تعالی می یابد. کربن مایع را می توان در فشارهای بالاتر از 10.5 MN / m2 (105 kgf / cm2) و دماهای بالاتر از 3700 درجه سانتی گراد به دست آورد. کربن جامد (کک، دوده، زغال چوب) نیز با حالتی با ساختار نامنظم مشخص می شود - کربن به اصطلاح "بی شکل"، که اصلاح مستقلی را نشان نمی دهد. ساختار آن بر اساس ساختار گرافیت ریز کریستالی است. گرم کردن برخی از انواع کربن "بی شکل" در دمای بالای 1500-1600 درجه سانتیگراد بدون دسترسی به هوا باعث تبدیل آنها به گرافیت می شود. خواص فیزیکی کربن "آمورف" به شدت به اندازه ذرات و وجود ناخالصی ها بستگی دارد. چگالی، ظرفیت گرمایی، هدایت حرارتی و هدایت الکتریکی کربن "آمورف" همیشه بالاتر از گرافیت است. کاربین به صورت مصنوعی به دست می آید. این یک پودر سیاه کریستالی ریز است (چگالی 1.9-2 گرم بر سانتی متر مکعب). ساخته شده از زنجیره های بلند اتم های C که به موازات یکدیگر چیده شده اند. لونزدالیت در شهاب سنگ ها یافت می شود و به طور مصنوعی به دست می آید.

خواص شیمیایی کربنپیکربندی لایه الکترونی بیرونی اتم کربن 2s 2 2p 2 است. کربن با تشکیل چهار پیوند کووالانسی به دلیل تحریک پوسته الکترونی بیرونی به حالت 2sp 3 مشخص می شود. بنابراین کربن به همان اندازه توانایی جذب و اهدای الکترون را دارد. پیوند شیمیایی می تواند به دلیل اوربیتال های sp 3 -، sp 2 - و sp-hybrid انجام شود که با شماره های هماهنگی 4، 3 و 2 مطابقت دارد. تعداد الکترون های ظرفیت کربن و تعداد اوربیتال های ظرفیت یکسان است. این یکی از دلایل پایداری پیوند بین اتم های کربن است.

توانایی منحصر به فرد اتم های کربن در ترکیب با یکدیگر برای تشکیل زنجیره ها و چرخه های قوی و طولانی منجر به ظهور تعداد زیادی از ترکیبات کربن مختلف شده است که توسط شیمی آلی مورد مطالعه قرار گرفته اند.

در ترکیبات، کربن حالت های اکسیداسیون -4 را نشان می دهد. +2; +4. شعاع اتمی 0.77 Å، شعاع کووالانسی 0.77 Å، 0.67 Å، 0.60 Å، به ترتیب در پیوندهای منفرد، دوگانه و سه گانه. شعاع یونی C4 - 2.60 Å، C 4 + 0.20 Å. در شرایط عادی، کربن از نظر شیمیایی بی اثر است؛ در دماهای بالا، با بسیاری از عناصر ترکیب می شود و خواص کاهشی قوی از خود نشان می دهد. فعالیت شیمیایی به ترتیب زیر کاهش می یابد: کربن "بی شکل"، گرافیت، الماس. برهمکنش با اکسیژن اتمسفر (احتراق) به ترتیب در دماهای بالاتر از 300-500 درجه سانتیگراد، 600-700 درجه سانتیگراد و 850-1000 درجه سانتیگراد با تشکیل مونوکسید کربن (IV) CO 2 و مونوکسید کربن (II) CO رخ می دهد.

CO 2 در آب حل می شود و اسید کربنیک تشکیل می دهد. در سال 1906 O. Diels کربن آند اکسید С 3 О 2 را دریافت کرد. همه اشکال کربن در برابر قلیایی ها و اسیدها مقاوم هستند و فقط توسط اکسیدان های بسیار قوی (مخلوط کروم، مخلوطی از HNO 3 غلیظ و KClO 3 و غیره) به آرامی اکسید می شوند. کربن "آمورف" با فلوئور در دمای اتاق، گرافیت و الماس هنگام گرم شدن واکنش می دهد. اتصال مستقیم کربن با کلر در یک قوس الکتریکی اتفاق می افتد. کربن با برم و ید واکنش نمی دهد، بنابراین هالیدهای کربن متعددی به طور غیر مستقیم سنتز می شوند. از میان اکسی هالیدهای فرمول عمومی COX 2 (که در آن X هالوژن است)، کلروکسید COCl (فسژن) بیشتر شناخته شده است. هیدروژن با الماس تعامل ندارد. با گرافیت و کربن "آمورف" در دمای بالا در حضور کاتالیزورها (Ni, Pt) واکنش می دهد: در دمای 600-1000 درجه سانتیگراد عمدتا متان CH 4 تشکیل می شود ، در 1500-2000 درجه سانتیگراد - استیلن C 2 H 2. هیدروکربن های دیگر نیز ممکن است در محصولات وجود داشته باشد، به عنوان مثال، اتان C 2 H 6، بنزن C 6 H 6. برهم کنش گوگرد با کربن "بی شکل" و گرافیت در دمای 700-800 درجه سانتیگراد و با الماس در دمای 900-1000 درجه سانتیگراد شروع می شود. در همه موارد، دی سولفید کربن CS 2 تشکیل می شود. سایر ترکیبات کربنی حاوی گوگرد (تی اکسید CS، تیوندوکسید C 3 S 2، دی اکسید گوگرد COS و تیوفوسژن CSCl 2) به طور غیر مستقیم به دست می آیند. هنگامی که CS 2 با سولفیدهای فلزی تعامل می کند، تیو کربنات ها، نمک های اسید تیو کربنیک ضعیف، تشکیل می شوند. برهمکنش کربن با نیتروژن برای تولید سیانوژن (CN) 2 زمانی اتفاق می افتد که یک تخلیه الکتریکی بین الکترودهای کربن در اتمسفر نیتروژن منتقل شود. در میان ترکیبات حاوی نیتروژن کربن، سیانید هیدروژن HCN (اسید هیدروسیانیک) و مشتقات متعدد آن: سیانیدها، هالوسیانین ها، نیتریل ها و غیره از اهمیت عملی بالایی برخوردار هستند.در دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد، کربن با بسیاری از فلزات برهمکنش می کند و کاربید می دهد. وقتی گرم می شود، همه اشکال کربن اکسیدهای فلز را کاهش می دهند تا فلزات آزاد (روی، کادمیوم، مس، سرب و غیره) یا کاربیدها (CaC 2، Mo 2 C، WC، TaC و غیره) را تشکیل دهند. کربن در دماهای بالاتر از 600-800 درجه سانتیگراد با بخار آب و دی اکسید کربن واکنش می دهد (گاز شدن سوخت ها). ویژگی متمایز گرافیت توانایی، در حرارت متوسط ​​تا 300-400 درجه سانتیگراد، برای برهمکنش با فلزات قلیایی و هالیدها با تشکیل ترکیبات گنجانده شده از نوع C 8 Me، C 24 Me، C 8 X (جایی که X هالوژن است، من فلز است). ترکیبات شناخته شده گنجاندن گرافیت با HNO 3، H 2 SO 4، FeCl 3 و دیگران (به عنوان مثال، بی سولفات گرافیت C 24 SO 4 H 2). همه اشکال کربن در حلال‌های معدنی و آلی معمولی نامحلول هستند، اما در برخی از فلزات مذاب (مانند آهن، نیکل، کو) حل می‌شوند.

اهمیت اقتصاد ملی کربن با این واقعیت تعیین می شود که بیش از 90٪ از تمام منابع اولیه انرژی مصرف شده در جهان را سوخت های فسیلی تشکیل می دهند که نقش اصلی آن در دهه های آینده با وجود توسعه فشرده انرژی هسته ای باقی خواهد ماند. تنها حدود 10 درصد از سوخت استخراج شده به عنوان ماده خام برای سنتز آلی پایه و سنتز پتروشیمی، برای تولید پلاستیک و غیره استفاده می شود.

کربن در بدن.کربن مهمترین عنصر بیوژنیک است که اساس زندگی روی زمین را تشکیل می دهد، یک واحد ساختاری از تعداد زیادی از ترکیبات آلی که در ساخت ارگانیسم ها شرکت می کنند و فعالیت حیاتی آنها را تضمین می کنند (بیوپلیمرها و همچنین مواد فعال بیولوژیکی با وزن مولکولی کم). - ویتامین ها، هورمون ها، واسطه ها و دیگران). بخش قابل توجهی از انرژی لازم برای موجودات زنده به دلیل اکسیداسیون کربن در سلول ها تشکیل می شود. پیدایش حیات بر روی زمین در علم مدرن به عنوان فرآیند پیچیده تکامل ترکیبات کربنی در نظر گرفته می شود.

نقش منحصر به فرد کربن در طبیعت زنده به دلیل خواص آن است که در مجموع هیچ عنصر دیگری از سیستم تناوبی را ندارد. پیوندهای شیمیایی قوی بین اتم‌های کربن و همچنین بین کربن و سایر عناصر تشکیل می‌شود که، با این حال، می‌توانند تحت شرایط فیزیولوژیکی نسبتاً ملایم شکسته شوند (این پیوندها می‌توانند منفرد، دوتایی و سه‌گانه باشند). توانایی کربن برای تشکیل 4 پیوند ظرفیت معادل با سایر اتم‌های کربن، ساخت اسکلت‌های کربنی از انواع مختلف - خطی، شاخه‌ای، چرخه‌ای را ممکن می‌سازد. قابل توجه است که تنها سه عنصر - C، O و H - 98٪ از کل جرم موجودات زنده را تشکیل می دهند. این امر به مقرون به صرفه خاصی در طبیعت زنده دست می یابد: با تنوع ساختاری تقریبا نامحدود ترکیبات کربنی، تعداد کمی از انواع پیوندهای شیمیایی می توانند میزان آنزیم های مورد نیاز برای تجزیه و سنتز مواد آلی را به میزان قابل توجهی کاهش دهند. ویژگی‌های ساختاری اتم کربن زیربنای انواع مختلف ایزومریسم ترکیبات آلی است (توانایی ایزومریسم نوری در تکامل بیوشیمیایی اسیدهای آمینه، کربوهیدرات‌ها و برخی آلکالوئیدها تعیین‌کننده است).

طبق فرضیه عمومی پذیرفته شده A.I. Oparin، اولین ترکیبات آلی روی زمین منشاء بیوژنیک داشتند. منابع کربن متان (CH4) و هیدروژن سیانید (HCN) موجود در جو اولیه زمین بودند. با پیدایش حیات، تنها منبع کربن غیر آلی که به واسطه آن تمام مواد آلی بیوسفر تشکیل می‌شود، مونوکسید کربن (IV) (CO 2) است که در جو وجود دارد و همچنین در آب‌های طبیعی موجود در کره زمین حل شده است. فرم HCO 3. قوی ترین مکانیسم جذب (جذب) کربن (به شکل CO 2) - فتوسنتز - در همه جا توسط گیاهان سبز انجام می شود (حدود 100 میلیارد تن CO 2 سالانه جذب می شود). روی زمین، از نظر تکاملی، روشی قدیمی تر برای جذب CO2 توسط شیمی سنتز وجود دارد. در این مورد، میکروارگانیسم‌های شیمیایی از انرژی تابشی خورشید استفاده نمی‌کنند، بلکه از انرژی اکسیداسیون ترکیبات معدنی استفاده می‌کنند. اکثر حیوانات کربن را در رژیم غذایی خود به شکل ترکیبات آلی آماده مصرف می کنند. بسته به روش جذب ترکیبات آلی، مرسوم است که بین ارگانیسم های اتوتروف و موجودات هتروتروف تمایز قائل شوند. استفاده از میکروارگانیسم ها برای بیوسنتز پروتئین و سایر مواد مغذی با استفاده از هیدروکربن های نفتی به عنوان تنها منبع کربن، یکی از مهم ترین مشکلات علمی و فنی مدرن است.

میزان کربن موجودات زنده که بر روی ماده خشک محاسبه می شود در گیاهان و جانوران آبزی 34.5-40 درصد، در گیاهان و حیوانات خشکی 45.4-46.5 درصد و در باکتری ها 54 درصد است. در فرآیند زندگی موجودات، عمدتاً به دلیل تنفس بافتی، تجزیه اکسیداتیو ترکیبات آلی با انتشار CO 2 در محیط خارجی رخ می دهد. کربن همچنین در محصولات نهایی متابولیکی پیچیده تر آزاد می شود. پس از مرگ حیوانات و گیاهان، بخشی از کربن مجدداً در نتیجه فرآیندهای پوسیدگی انجام شده توسط میکروارگانیسم ها به CO2 تبدیل می شود. بنابراین، چرخه کربن در طبیعت رخ می دهد. بخش قابل توجهی از کربن معدنی است و ذخایر کربن فسیلی را تشکیل می دهد: زغال سنگ، نفت، سنگ آهک و غیره. علاوه بر عملکرد اصلی - منبع کربن - СО 2، محلول در آب های طبیعی و مایعات بیولوژیکی، در حفظ اسیدیته محیط بهینه برای فرآیندهای زندگی شرکت می کند. در ترکیب CaCO 3، کربن اسکلت بیرونی بسیاری از بی مهرگان را تشکیل می دهد (به عنوان مثال، پوسته نرم تنان) و همچنین در مرجان ها، پوسته تخم مرغ و سایرین یافت می شود. ضد متابولیت های متابولیسم

علاوه بر ایزوتوپ های پایدار کربن، رادیواکتیو 14 C در طبیعت گسترده است (حدود 0.1 میکروکوری در بدن انسان دارد). بسیاری از پیشرفت های عمده در مطالعه متابولیسم و ​​چرخه کربن در طبیعت با استفاده از ایزوتوپ های کربن در تحقیقات بیولوژیکی و پزشکی مرتبط است. بنابراین، با استفاده از یک برچسب رادیوکربن، امکان تثبیت Н 14 СО 3 توسط بافت های گیاهی و جانوری ثابت شد، توالی واکنش های فتوسنتز ایجاد شد، تبادل اسیدهای آمینه مورد مطالعه قرار گرفت، مسیرهای بیوسنتز بسیاری از ترکیبات فعال بیولوژیکی ردیابی شد. استفاده از 14 С به موفقیت زیست شناسی مولکولی در مکانیسم های مطالعه بیوسنتز پروتئین و انتقال اطلاعات ارثی کمک کرد. تعیین فعالیت ویژه 14 درجه سانتیگراد در بقایای آلی حاوی کربن، قضاوت در مورد سن آنها را ممکن می سازد که در دیرینه شناسی و باستان شناسی استفاده می شود.

CARBON، C (a. Carbon; n. Kohlenstoff; f. Carbone; and. Carbono)، یک عنصر شیمیایی از گروه IV جدول تناوبی مندلیف، عدد اتمی 6، جرم اتمی 12.041 است. کربن طبیعی از مخلوطی از 2 ایزوتوپ پایدار تشکیل شده است: 12 C (98.892٪) و 13 C (1.108٪). همچنین 6 ایزوتوپ رادیواکتیو کربن وجود دارد که مهمترین آنها ایزوتوپ 14 C با نیمه عمر 5.73.10 3 سال است (این ایزوتوپ به طور مداوم در مقادیر کمی در جو فوقانی در نتیجه تابش تابش تشکیل می شود. 14 هسته N با نوترون تشعشع کیهانی).

کربن از زمان های قدیم شناخته شده است. از چوب برای بازیابی فلزات از سنگ معدن استفاده می شد، در حالی که از الماس به عنوان. شناخت کربن به عنوان یک عنصر شیمیایی با نام شیمیدان فرانسوی A. Lavoisier (1789) مرتبط است.

تغییرات و خواص کربن

4 تغییر کریستالی شناخته شده کربن وجود دارد: گرافیت، الماس، کاربین و لونسدالیت که از نظر خواص بسیار متفاوت هستند. Carbyne نوعی کربن است که به طور مصنوعی به دست می آید که یک پودر سیاه کریستالی ریز است که ساختار بلوری آن با وجود زنجیره های طولانی اتم های کربن که به موازات یکدیگر قرار دارند مشخص می شود. چگالی 3230-3300 کیلوگرم بر متر مکعب، ظرفیت حرارتی 11.52 J / mol.K. لونزدالیت در شهاب سنگ ها یافت شده و به طور مصنوعی به دست آمده است. ساختار و خواص فیزیکی آن به طور قطعی مشخص نشده است. کربن نیز با حالتی با ساختار بی نظم مشخص می شود - به اصطلاح. کربن آمورف (دوده، کک، زغال چوب). خواص فیزیکی کربن "آمورف" تا حد زیادی به اندازه ذرات و وجود ناخالصی ها بستگی دارد.

خواص شیمیایی کربن

در ترکیبات، کربن دارای حالت های اکسیداسیون +4 (متداول ترین)، +2 و +3 است. در شرایط عادی کربن از نظر شیمیایی بی اثر است؛ در دماهای بالا با بسیاری از عناصر ترکیب می شود و خواص کاهشی قوی از خود نشان می دهد. فعالیت شیمیایی کربن در سری "آمورف" کربن، گرافیت، الماس کاهش می یابد. برهمکنش با اکسیژن اتمسفر در این نوع کربن به ترتیب در دماهای 300-500 درجه سانتیگراد، 600-700 درجه سانتیگراد و 850-1000 درجه سانتیگراد با تشکیل دی اکسید کربن (CO 2) و کربن مونوکسید (CO) رخ می دهد. دی اکسید در آب حل می شود و اسید کربنیک تشکیل می دهد. همه اشکال کربن در برابر قلیاها و اسیدها مقاوم هستند. کربن عملاً با هالوژن ها برهمکنش نمی کند (به جز گرافیت که با F 2 بالای 900 درجه سانتیگراد واکنش می دهد)، بنابراین هالیدهای آن به طور غیر مستقیم به دست می آیند. هیدروژن سیانید HCN (اسید هیدروسیانیک) و مشتقات متعدد آن از اهمیت عملی زیادی در میان ترکیبات حاوی نیتروژن برخوردار است. در دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد، کربن با بسیاری از فلزات برهمکنش می کند و کاربیدها را تشکیل می دهد. همه اشکال کربن در حلال های معدنی و آلی معمولی نامحلول هستند.

مهمترین خاصیت کربن توانایی اتمهای آن در ایجاد پیوندهای شیمیایی قوی بین خود و همچنین بین خود و سایر عناصر است. توانایی کربن برای تشکیل 4 پیوند ظرفیت معادل با سایر اتم های کربن، ساخت اسکلت های کربنی از انواع مختلف (خطی، شاخه ای، حلقوی) را ممکن می سازد. این خواص است که نقش استثنایی کربن را در ساختار همه ترکیبات آلی و به ویژه همه موجودات زنده توضیح می دهد.

کربن در طبیعت

میانگین محتوای کربن در پوسته زمین 2.3.10٪ (بر حسب جرم) است. بخش عمده کربن در سنگ های رسوبی (1%) متمرکز شده است، در حالی که در سایر سنگ ها غلظت این عنصر به طور قابل توجهی کمتر و تقریباً یکسان است (10-3.1%). کربن در قسمت بالایی انباشته می شود، جایی که حضور آن عمدتاً با مواد زنده (18٪)، چوب (50٪)، زغال سنگ (80٪)، نفت (85٪)، آنتراسیت (96٪)، و همچنین دولومیت ها و دولومیت ها و ... سنگ های آهکی بیش از 100 کانی کربن شناخته شده است که رایج ترین آنها کربنات های کلسیم، منیزیم و آهن (کلسیت CaCO 3، دولومیت (Ca, Mg) CO 3 و سیدریت FeCO 3) می باشد. تجمع کربن در پوسته زمین اغلب با تجمع سایر عناصری است که توسط مواد آلی جذب شده و پس از دفن آن در کف بدنه های آبی به شکل ترکیبات نامحلول رسوب می کنند. در طول فعالیت های آتشفشانی و در طی احتراق سوخت های آلی، مقادیر زیادی دی اکسید CO2 از زمین به جو آزاد می شود. از اتمسفر، CO 2 توسط گیاهان در فرآیند فتوسنتز جذب شده و در آب دریا حل می شود و در نتیجه مهمترین پیوندها در چرخه کلی کربن روی زمین را تشکیل می دهد. کربن نیز نقش مهمی در فضا دارد. در خورشید، کربن پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن چهارمین فراوانی است که در فرآیندهای هسته ای شرکت می کند.

کاربرد و استفاده

مهمترین اهمیت اقتصادی ملی کربن با این واقعیت مشخص می شود که حدود 90 درصد از کل منابع انرژی اولیه مصرف شده توسط انسان را سوخت های فسیلی تشکیل می دهند. تمایل به استفاده از نفت نه به عنوان سوخت، بلکه به عنوان ماده خام برای صنایع مختلف شیمیایی وجود دارد. کربن تولید شده به شکل کربنات ها (متالورژی، ساخت و ساز، تولید مواد شیمیایی)، الماس (جواهرات، لوازم خانگی) و گرافیت (فناوری هسته ای، بوته های مقاوم در برابر حرارت، مدادها) نقش کوچکتر، اما با این وجود بسیار مهم در اقتصاد ملی دارد. برخی از انواع روان کننده ها و غیره و غیره). با توجه به فعالیت ویژه ایزوتوپ 14 C در بقایای منشأ بیوژنیک، سن آنها تعیین می شود (تاریخ رادیوکربنی). 14 C به طور گسترده ای به عنوان یک نشانگر رادیواکتیو استفاده می شود. رایج ترین ایزوتوپ 12 C از اهمیت زیادی برخوردار است - یک دوازدهم جرم اتم این ایزوتوپ به عنوان واحد جرم اتمی عناصر شیمیایی در نظر گرفته می شود.

کربن (از لاتین: carbo "coal") یک عنصر شیمیایی با نماد C و عدد اتمی 6 است. چهار الکترون برای تشکیل پیوندهای شیمیایی کووالانسی در دسترس هستند. این ماده غیرفلزی و چهار ظرفیتی است. سه ایزوتوپ کربن به طور طبیعی وجود دارد، 12C و 13C پایدار هستند، و 14C یک ایزوتوپ رادیواکتیو است که با نیمه عمر حدود 5730 سال تجزیه می شود. کربن یکی از معدود عناصر شناخته شده از دوران باستان است. کربن پانزدهمین عنصر فراوان در پوسته زمین و چهارمین عنصر فراوان در جهان پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن است. فراوانی کربن، تنوع منحصر به فرد ترکیبات آلی آن، و توانایی غیرمعمول آن برای تشکیل پلیمرها در دمایی که معمولاً روی زمین یافت می شود، به این عنصر اجازه می دهد تا به عنوان یک عنصر مشترک برای تمام اشکال حیات شناخته شده عمل کند. این عنصر از نظر وزنی (حدود 18.5٪) بعد از اکسیژن دومین عنصر فراوان در بدن انسان است. اتم‌های کربن می‌توانند به روش‌های مختلفی به هم متصل شوند که آلوتروپ‌های کربن نامیده می‌شوند. معروف ترین آلوتروپ ها گرافیت، الماس و کربن آمورف هستند. خواص فیزیکی کربن بسته به شکل آلوتروپیک بسیار متفاوت است. به عنوان مثال، گرافیت مات و سیاه است، در حالی که الماس بسیار شفاف است. گرافیت به اندازه‌ای نرم است که رگه‌ای روی کاغذ ایجاد کند (از این رو نام آن از فعل یونانی γράφειν به معنای نوشتن است)، در حالی که الماس سخت‌ترین ماده شناخته شده در طبیعت است. گرافیت رسانای الکتریکی خوبی است، در حالی که الماس رسانایی الکتریکی کمی دارد. در شرایط عادی، الماس، نانولوله های کربنی و گرافن بالاترین رسانایی حرارتی را در بین مواد شناخته شده دارند. همه آلوتروپ های کربن در شرایط عادی جامد هستند و گرافیت پایدارترین شکل از نظر ترمودینامیکی است. آنها از نظر شیمیایی پایدار هستند و برای واکنش حتی با اکسیژن به دمای بالا نیاز دارند. رایج ترین حالت اکسیداسیون کربن در ترکیبات معدنی +4 و +2 در مجتمع های کربوکسیل مونوکسید کربن و یک فلز واسطه است. بزرگترین منابع کربن غیر آلی سنگ آهک، دولومیت و دی اکسید کربن است، اما مقادیر قابل توجهی از ذخایر آلی زغال سنگ، ذغال سنگ نارس، نفت و کلترات متانات به دست می آید. کربن تعداد زیادی از ترکیبات را تشکیل می دهد، بیش از هر عنصر دیگری، با نزدیک به ده میلیون ترکیب تا به امروز توصیف شده است، و با این حال این تعداد تنها کسری از تعداد ترکیبات ممکن در شرایط استاندارد است. به همین دلیل، کربن اغلب به عنوان "سلطان عناصر" شناخته می شود.

مشخصات فنی

آلوتروپ های کربن شامل گرافیت، یکی از نرم ترین مواد شناخته شده، و الماس، سخت ترین ماده طبیعی است. کربن به آسانی به اتم های کوچک دیگر از جمله اتم های کربن دیگر متصل می شود و قادر است پیوندهای کووالانسی پایدار متعددی با اتم های چند ظرفیتی مناسب ایجاد کند. مشخص است که کربن نزدیک به ده میلیون ترکیب مختلف را تشکیل می دهد که اکثریت قریب به اتفاق تمام ترکیبات شیمیایی است. کربن همچنین دارای بالاترین نقطه تصعید در بین هر عنصر است. در فشار اتمسفر، نقطه ذوب ندارد، زیرا نقطه سه گانه آن 0.2 ± 10.8 مگاپاسکال و 4600 ± 300 K (~ 4330 درجه سانتیگراد یا 7820 درجه فارنهایت) است، بنابراین در حدود 3900 کلوین تصعید می شود. گرافیت بسیار واکنش پذیرتر از الماس در شرایط استاندارد، علیرغم اینکه از نظر ترمودینامیکی پایدارتر است، زیرا سیستم pi غیرمحلی آن در برابر حمله بسیار آسیب پذیرتر است. به عنوان مثال، گرافیت را می توان با اسید نیتریک غلیظ داغ تحت شرایط استاندارد به اسید ملیتیک C6 (CO2H) 6 اکسید کرد، که واحدهای شش ضلعی گرافیت را حفظ می کند و در عین حال ساختار بزرگتر را می شکند. کربن در یک قوس کربنی در دمای حدود 5800 کلوین (5530 درجه سانتیگراد، 9980 درجه فارنهایت) تعالی می یابد. بنابراین، صرف نظر از شکل آلوتروپیک آن، کربن در دماهای بالاتر نسبت به بالاترین نقطه ذوب مانند تنگستن یا رنیوم جامد باقی می ماند. اگرچه از نظر ترمودینامیکی مستعد اکسیداسیون است، کربن نسبت به عناصری مانند آهن و مس که عوامل کاهش دهنده ضعیف تری در دمای اتاق هستند، در برابر اکسیداسیون مقاوم تر است. کربن ششمین عنصر با پیکربندی الکترونیکی حالت پایه 1s22s22p2 است که چهار الکترون خارجی آن الکترون های ظرفیتی هستند. چهار انرژی یونیزاسیون اول آن 1086.5، 2352.6، 4620.5 و 6222.7 کیلوژول بر مول است که بسیار بیشتر از عناصر سنگین تر گروه 14 است. الکترونگاتیوی کربن 2.5 است که به طور قابل توجهی بیشتر از عناصر سنگین تر گروه 14 است. 1.8-1.9)، اما به اکثر غیر فلزات همسایه و همچنین به برخی از فلزات واسطه ردیف دوم و سوم نزدیک است. شعاع های کووالانسی کربن به طور کلی به عنوان 77.2 pm (CC)، 66.7 pm (C = C) و 60.3 pm (C≡C) پذیرفته می شوند، اگرچه این شعاع ها بسته به تعداد هماهنگی و آنچه که با کربن مرتبط است می توانند متفاوت باشند. به طور کلی، شعاع کووالانسی با کاهش تعداد هماهنگی و افزایش ترتیب پیوند کاهش می یابد. ترکیبات کربن اساس همه حیات شناخته شده روی زمین را تشکیل می دهند و چرخه کربن-نیتروژن بخشی از انرژی آزاد شده توسط خورشید و سایر ستارگان را فراهم می کند. اگرچه کربن تنوع فوق‌العاده‌ای از ترکیبات را تشکیل می‌دهد، اکثر اشکال کربن در شرایط عادی نسبتاً غیر فعال هستند. در دماها و فشارهای استاندارد، کربن در برابر تمام اکسیدان‌ها به جز قوی‌ترین اکسیدان‌ها مقاومت می‌کند. با اسید سولفوریک، اسید کلریدریک، کلر یا مواد قلیایی واکنش نمی دهد. در دماهای بالا، کربن با اکسیژن واکنش داده و اکسیدهای کربنی را تشکیل می دهد و اکسیژن را از اکسیدهای فلزی خارج می کند و یک فلز عنصری باقی می ماند. این واکنش گرمازا در صنعت آهن و فولاد برای ذوب آهن و کنترل محتوای کربن فولاد استفاده می شود:

Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

با گوگرد برای تشکیل دی سولفید کربن و با بخار در واکنش زغال سنگ-گاز:

C (s) + H2O (g) → CO (g) + H2 (g)

کربن با فلزات خاصی در دماهای بالا ترکیب می شود و کاربیدهای فلزی مانند سمنتیت کاربید آهن در فولاد و کاربید تنگستن را تشکیل می دهد که به طور گسترده به عنوان ساینده و برای ساختن نوک های سخت برای ابزارهای برش استفاده می شود. سیستم آلوتروپ کربن تعدادی از موارد افراطی را پوشش می دهد:

برخی از انواع گرافیت برای عایق حرارتی استفاده می شود (به عنوان مثال، دیوارهای آتش و سپرهای حرارتی)، اما برخی از اشکال دیگر رسانای حرارتی خوبی هستند. الماس معروف ترین رسانای حرارت طبیعی است. گرافیت مات است. الماس بسیار شفاف است. گرافیت در یک سیستم شش ضلعی متبلور می شود. الماس در یک سیستم مکعبی متبلور می شود. کربن آمورف کاملاً همسانگرد است. نانولوله های کربنی یکی از شناخته شده ترین مواد ناهمسانگرد هستند.

آلوتروپ های کربن

کربن اتمی گونه ای بسیار کوتاه مدت است و بنابراین کربن در ساختارهای چند اتمی مختلف با پیکربندی های مولکولی متفاوت به نام آلوتروپ تثبیت می شود. سه آلوتروپ نسبتاً شناخته شده کربن عبارتند از کربن آمورف، گرافیت و الماس. فولرن‌ها که قبلاً عجیب و غریب در نظر گرفته می‌شد، اکنون معمولاً سنتز شده و در تحقیقات مورد استفاده قرار می‌گیرند. اینها شامل باکی‌بال‌ها، نانولوله‌های کربنی، نانو نقطه‌های کربنی و نانوالیاف هستند. چندین آلوتروپ عجیب دیگر نیز کشف شده‌اند، مانند لونسالیت، کربن شیشه‌ای، نانوفوم کربن و کربن استیلن خطی (کاربین). از سال 2009، گرافن قوی‌ترین ماده‌ای است که تاکنون آزمایش شده است. فرآیند جداسازی آن از گرافیت، قبل از اینکه برای فرآیندهای صنعتی اقتصادی شود، به توسعه فناوری بیشتری نیاز دارد. در صورت موفقیت، می توان از گرافن در ساخت آسانسورهای فضایی استفاده کرد. همچنین می توان از آن برای ذخیره ایمن هیدروژن برای استفاده در موتورهای مبتنی بر هیدروژن در خودروها استفاده کرد. فرم آمورف مجموعه‌ای از اتم‌های کربن در حالت غیر بلوری، نامنظم، شیشه‌ای است و در ساختار کلان کریستالی وجود ندارد. به صورت پودر وجود دارد و ترکیب اصلی موادی مانند زغال چوب، دوده لامپ (دوده) و کربن فعال است. در فشارهای معمولی، کربن به شکل گرافیت است که در آن هر اتم به صورت مثلثی توسط سه اتم دیگر در صفحه ای متشکل از حلقه های شش ضلعی ذوب شده مانند هیدروکربن های آروماتیک به هم متصل می شود. شبکه حاصل دو بعدی است و ورقه های مسطح حاصل از طریق نیروهای ضعیف واندروالسی تا شده و به صورت شل به هم متصل می شوند. این به گرافیت خاصیت نرمی و شکافتگی می دهد (ورق ها به راحتی یکی پس از دیگری می لغزند). گرافیت به دلیل تغییر مکان یکی از الکترون های بیرونی هر اتم برای تشکیل یک ابر π، الکتریسیته را هدایت می کند، اما فقط در صفحه هر صفحه با پیوند کووالانسی. این منجر به هدایت الکتریکی کمتری برای کربن نسبت به اکثر فلزات می شود. جابجایی همچنین پایداری انرژی گرافیت بر الماس را در دمای اتاق توضیح می دهد. در فشارهای بسیار بالا، کربن آلوتروپ فشرده تری به نام الماس را تشکیل می دهد که تقریباً دو برابر گرافیت چگالی دارد. در اینجا، هر اتم به صورت چهار وجهی به چهار اتم دیگر متصل است و یک شبکه سه بعدی از حلقه های شش عضوی چروکیده از اتم ها را تشکیل می دهد. الماس ساختار مکعبی مشابه سیلیکون و ژرمانیوم دارد و به دلیل استحکام پیوندهای کربن-کربن آن، سخت‌ترین ماده طبیعی در جهان است که با مقاومت در برابر خراش اندازه‌گیری می‌شود. برخلاف تصور رایج که "الماس ها همیشه هستند"، در شرایط عادی از نظر ترمودینامیکی ناپایدار هستند و به گرافیت تبدیل می شوند. با توجه به سد انرژی بالا برای فعال سازی، انتقال به شکل گرافیت در دمای معمولی آنقدر کند است که نامرئی است. در شرایط خاص، کربن به صورت lonsaleite متبلور می شود، یک شبکه کریستالی شش ضلعی با تمام اتم های پیوند کووالانسی و خواص مشابه با الماس. فولرن ها یک تشکیل کریستالی مصنوعی با ساختار گرافیت مانند هستند، اما به جای شش ضلعی، فولرن ها از پنج ضلعی (یا حتی هفت ضلعی) اتم های کربن تشکیل شده اند. اتم های مفقود (یا اضافی) ورق ها را به شکل کره، بیضی یا استوانه تغییر می دهند. خواص فولرن ها (تقسیم شده به باکی بال، باکیتوبا و نانوباد) هنوز به طور کامل مورد تجزیه و تحلیل قرار نگرفته است و نشان دهنده منطقه ای فشرده از تحقیقات در نانومواد است. نام‌های «فولرین» و «باکی‌بال» با نام ریچارد باکمینستر فولر، محبوب‌کننده گنبدهای ژئودزیکی که شبیه ساختار فولرن‌ها هستند، مرتبط است. باکی‌بال‌ها مولکول‌های نسبتاً بزرگی هستند که به طور کامل از پیوندهای کربنی به‌صورت مثلثی تشکیل شده‌اند تا کروی‌ها را تشکیل دهند (مشهورترین و ساده‌ترین آنها Baxinisterfellerene C60 با شکل یک توپ فوتبال است). نانولوله‌های کربنی از نظر ساختاری شبیه به باکی‌بال‌ها هستند، با این تفاوت که هر اتم به صورت مثلثی در یک صفحه منحنی که یک استوانه توخالی را تشکیل می‌دهد، پیوند خورده است. نانوبادها برای اولین بار در سال 2007 معرفی شدند و مواد هیبریدی هستند (باکی‌بال‌ها به صورت کووالانسی به دیواره بیرونی نانولوله پیوند می‌خورند) که خواص هر دو را در یک ساختار ترکیب می‌کنند. از دیگر آلوتروپ های یافت شده، نانوفوم کربنی یک آلوتروپ فرومغناطیسی است که در سال 1997 کشف شد. این شامل مجموعه ای از اتم های کربن با چگالی کم است که در یک شبکه سه بعدی شل به هم متصل شده اند که در آن اتم ها به صورت مثلثی در حلقه های شش و هفت عضوی به هم متصل شده اند. این یکی از سبک ترین جامدات با چگالی حدود 2 کیلوگرم بر متر مکعب است. به همین ترتیب، کربن زجاجیه حاوی نسبت بالایی از تخلخل بسته است، اما بر خلاف گرافیت معمولی، لایه‌های گرافیت مانند صفحات یک کتاب روی هم قرار نمی‌گیرند، بلکه به صورت تصادفی‌تر چیده شده‌اند. کربن استیلن خطی ساختار شیمیایی دارد - (C ::: C) n-. کربن در این اصلاح خطی با هیبریداسیون مداری sp است و پلیمری با پیوندهای منفرد و سه گانه متناوب است. این کاربین برای فناوری نانو بسیار مورد توجه است، زیرا مدول یانگ آن چهل برابر بیشتر از سخت‌ترین ماده یعنی الماس است. در سال 2015، تیمی در دانشگاه کارولینای شمالی توسعه آلوتروپ دیگری را اعلام کردند که آن را Q-carbon نامیدند که توسط یک پالس لیزری پرانرژی و کم‌مدت روی غبار کربن آمورف ایجاد شد. گزارش شده است که کربن کیو دارای فرومغناطیس، فلورسانس و سختی بالاتری نسبت به الماس است.

شیوع

کربن چهارمین عنصر شیمیایی فراوان در جهان پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن است. کربن در خورشید، ستاره ها، دنباله دارها و جو اکثر سیارات به وفور یافت می شود. برخی از شهاب سنگ ها حاوی الماس های میکروسکوپی هستند که زمانی که منظومه شمسی هنوز یک قرص پیش سیاره ای بود تشکیل شده اند. الماس های میکروسکوپی نیز می توانند تحت فشار شدید و دمای بالا در مناطق برخورد شهاب سنگ تشکیل شوند. در سال 2014، ناسا یک پایگاه داده به روز شده برای ردیابی هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای (PAHs) در جهان را اعلام کرد. بیش از 20 درصد کربن موجود در جهان را می توان با PAH ها، ترکیبات پیچیده کربن و هیدروژن بدون اکسیژن مرتبط کرد. این ترکیبات در فرضیه جهانی PAH قرار دارند، جایی که احتمالاً نقشی در زیست‌زایی و تشکیل حیات دارند. به نظر می رسد که PAH ها «چند میلیارد سال» پس از بیگ بنگ تشکیل شده اند، در سراسر جهان پراکنده هستند و با ستاره ها و سیارات فراخورشیدی جدید مرتبط هستند. تخمین زده می شود که پوسته جامد زمین به طور کلی حاوی 730 پی پی ام کربن است که 2000 پی پی ام در هسته و 120 پی پی ام در گوشته و پوسته ترکیب شده است. از آنجایی که جرم زمین 5.9 72 × 1024 کیلوگرم است، این به معنای 4360 میلیون گیگاتن کربن است. این مقدار بسیار بیشتر از میزان کربن موجود در اقیانوس ها یا جو (زیر) است. هنگامی که با اکسیژن موجود در دی اکسید کربن ترکیب می شود، کربن در جو زمین یافت می شود (تقریباً 810 گیگا تن کربن) و در تمام آب ها حل می شود (تقریباً 36000 گیگا تن کربن). زیست کره حاوی حدود 1900 گیگاتن کربن است. هیدروکربن ها (مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی) نیز حاوی کربن هستند. "ذخایر" زغال سنگ (نه "منابع") حدود 900 گیگاتن با احتمالاً 18000 Gt منابع است. ذخایر نفت حدود 150 گیگاتن است. منابع اثبات شده گاز طبیعی حدود 1751012 متر مکعب است (حاوی حدود 105 گیگا تن کربن)، اما مطالعات 9001012 متر مکعب دیگر ذخایر "غیر متعارف" مانند گاز شیل را تخمین زده اند که حدود 540 گیگا تن کربن است. کربن همچنین در هیدرات های متان در مناطق قطبی و زیر دریاها یافت شده است. بر اساس برآوردهای مختلف، مقدار این کربن 500، 2500 Gt یا 3000 Gt است. در گذشته میزان هیدروکربن ها بیشتر بود. طبق یک منبع، بین سال های 1751 تا 2008، حدود 347 گیگاتن کربن به عنوان دی اکسید کربن در جو از سوختن سوخت های فسیلی در جو آزاد شد. منبع دیگری مقدار اضافه شده به جو را بین 1750 تا 879 گیگا تن اضافه می کند و مجموع آن در جو، دریا و خشکی (مثلاً باتلاق های ذغال سنگ نارس) تقریباً 2000 Gt است. کربن جزء تشکیل دهنده (12 درصد جرمی) توده های بسیار بزرگ سنگ های کربناته (سنگ آهک، دولومیت، مرمر و غیره) است. زغال سنگ حاوی مقدار بسیار بالایی کربن است (آنتراسیت حاوی 92-98 درصد کربن است) و بزرگترین منبع تجاری کربن معدنی است که 4000 گیگاتن یا 80 درصد سوخت های فسیلی را شامل می شود. از نظر آلوتروپ های کربن منفرد، گرافیت در مقادیر زیادی در ایالات متحده (عمدتا نیویورک و تگزاس)، روسیه، مکزیک، گرینلند و هند یافت می شود. الماس های طبیعی در کیمبرلیت سنگی موجود در "گردن" یا "لوله" آتشفشانی باستانی یافت می شوند. بیشتر ذخایر الماس در آفریقا به ویژه در آفریقای جنوبی، نامیبیا، بوتسوانا، جمهوری کنگو و سیرالئون قرار دارد. ذخایر الماس در آرکانزاس، کانادا، قطب شمال روسیه، برزیل و استرالیای شمالی و غربی نیز یافت شده است. اکنون الماس‌هایی نیز از کف اقیانوس در نزدیکی دماغه امید خوب بازیابی می‌شوند. الماس به طور طبیعی یافت می شود، اما حدود 30 درصد از تمام الماس های صنعتی مورد استفاده در ایالات متحده در حال حاضر تولید می شود. کربن 14 در تروپوسفر فوقانی و استراتوسفر در ارتفاعات 9-15 کیلومتری در واکنشی که توسط پرتوهای کیهانی رسوب می کند تشکیل می شود. نوترون های حرارتی تولید می شوند که با هسته های نیتروژن-14 برخورد می کنند و کربن-14 و پروتون تشکیل می دهند. بنابراین، 1.2×1010 درصد از دی اکسید کربن اتمسفر حاوی کربن 14 است. سیارک های غنی از کربن در قسمت های بیرونی کمربند سیارکی در منظومه شمسی ما نسبتاً غالب هستند. این سیارک ها هنوز به طور مستقیم توسط دانشمندان مورد بررسی قرار نگرفته اند. سیارک ها را می توان در استخراج فرضی زغال سنگ مبتنی بر فضا استفاده کرد، که ممکن است در آینده امکان پذیر باشد، اما در حال حاضر از نظر فناوری غیرممکن است.

ایزوتوپ های کربن

ایزوتوپ‌های کربن هسته‌های اتمی هستند که شامل شش پروتون به اضافه طیف وسیعی از نوترون‌ها هستند (2 تا 16). کربن دارای دو ایزوتوپ طبیعی پایدار است. ایزوتوپ کربن-12 (12C) 98.93 درصد کربن زمین را تشکیل می دهد و کربن-13 (13C) 1.07 درصد باقی مانده را تشکیل می دهد. غلظت 12C در مواد بیولوژیکی حتی بیشتر افزایش می یابد، زیرا واکنش های بیوشیمیایی نسبت به 13C متمایز می شود. در سال 1961، اتحادیه بین المللی شیمی محض و کاربردی (IUPAC) کربن-12 ایزوتوپی را به عنوان مبنای وزن اتمی پذیرفت. شناسایی کربن در آزمایش‌های رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) با ایزوتوپ 13C انجام می‌شود. کربن 14 (14C) یک رادیو ایزوتوپ طبیعی است که در اتمسفر فوقانی (استراتوسفر پایینی و تروپوسفر فوقانی) توسط برهمکنش نیتروژن با پرتوهای کیهانی ایجاد شده است. به مقدار کمی در زمین به مقدار تا 1 قسمت در تریلیون (0.0000000001%)، عمدتاً در جو و رسوبات سطحی، به ویژه ذغال سنگ نارس و سایر مواد آلی یافت می شود. این ایزوتوپ در طول گسیل β 0.158 مگا ولت تجزیه می شود. به دلیل نیمه عمر نسبتاً کوتاه، 5730 سال، 14 درجه سانتیگراد عملاً در سنگهای باستانی وجود ندارد. در جو و موجودات زنده، مقدار 14C تقریبا ثابت است، اما در موجودات پس از مرگ کاهش می یابد. این اصل در تاریخ گذاری رادیوکربنی که در سال 1949 اختراع شد، استفاده می شود که به طور گسترده ای برای تعیین سن مواد کربنی تا 40000 سال استفاده می شد. 15 ایزوتوپ کربن شناخته شده است که کوتاهترین آنها 8 درجه سانتیگراد دارد که به دلیل گسیل پروتونها و واپاشی آلفا تجزیه می شود و نیمه عمر آن 10-21 × 1.98739 است. Exotic 19C یک هاله هسته ای را نشان می دهد، به این معنی که شعاع آن به طور قابل توجهی بزرگتر از چیزی است که اگر هسته کره ای با چگالی ثابت بود، انتظار می رفت.

آموزش ستاره

تشکیل یک هسته کربن اتمی به برخورد تقریباً همزمان سه گانه ذرات آلفا (هسته هلیوم) در داخل هسته یک ستاره غول پیکر یا ابرغول نیاز دارد که به عنوان فرآیند آلفای سه گانه شناخته می شود، زیرا محصولات حاصل از همجوشی هسته ای بیشتر هلیوم با هیدروژن است. یا یک هسته هلیوم دیگر به ترتیب لیتیوم-5 و بریلیم -8 را تولید می کند که هر دو بسیار ناپایدار هستند و تقریباً بلافاصله به هسته های کوچکتر تبدیل می شوند. این در شرایط دمای بیش از 100 مگا کالوین و غلظت هلیوم رخ می دهد، که در شرایط انبساط سریع و سرد شدن کیهان اولیه غیرقابل قبول است و بنابراین مقادیر قابل توجهی کربن در طول انفجار بزرگ ایجاد نشد. بر اساس نظریه مدرن کیهان شناسی فیزیکی، کربن در داخل ستارگان در یک شاخه افقی از برخورد و تبدیل سه هسته هلیوم تشکیل می شود. وقتی این ستاره ها مانند یک ابرنواختر می میرند، کربن به شکل غبار در فضا پراکنده می شود. این گرد و غبار به ماده تشکیل دهنده ای برای تشکیل منظومه های ستاره ای نسل دوم یا سوم با سیارات تجمع یافته تبدیل می شود. منظومه شمسی یکی از این منظومه‌های ستاره‌ای است که کربن فراوانی دارد و زندگی را به شکلی که ما می‌شناسیم امکان‌پذیر می‌کند. چرخه CNO یک مکانیسم همجوشی اضافی است که ستاره ها را به حرکت در می آورد، جایی که کربن به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند. انتقال چرخشی اشکال مختلف ایزوتوپی مونوکسید کربن (به عنوان مثال، 12CO، 13CO و 18CO) در محدوده طول موج زیر میلی متری یافت می شود و در مطالعه ستارگان تازه تشکیل شده در ابرهای مولکولی استفاده می شود.

چرخه کربن

در شرایط زمینی، تبدیل یک عنصر به عنصر دیگر پدیده ای بسیار نادر است. بنابراین، مقدار کربن روی زمین به طور موثر ثابت است. بنابراین، در فرآیندهایی که از کربن استفاده می شود، باید از جایی آمده و در جای دیگری دفع شود. مسیرهای کربن در محیط، چرخه کربن را تشکیل می دهند. به عنوان مثال، گیاهان فتوسنتزی دی اکسید کربن را از جو (یا آب دریا) استخراج می کنند و آن را به زیست توده تبدیل می کنند، مانند چرخه کالوین، فرآیند تثبیت کربن. بخشی از این زیست توده توسط حیوانات خورده می شود، در حالی که مقداری از کربن توسط حیوانات به صورت دی اکسید کربن بازدم می شود. چرخه کربن بسیار پیچیده تر از این چرخه کوتاه است. برای مثال، مقداری دی اکسید کربن در اقیانوس ها حل می شود. اگر باکتری ها آن را جذب نکنند، مواد مرده گیاهی یا حیوانی می توانند به نفت یا زغال سنگ تبدیل شوند که در هنگام سوزاندن کربن آزاد می شود.

ترکیبات کربن

کربن می تواند زنجیره های بسیار طولانی از پیوندهای کربن-کربن به هم پیوسته را تشکیل دهد که خاصیت تشکیل زنجیره نامیده می شود. پیوندهای کربن-کربن پایدار هستند. کربن از طریق کاتاناسیون (تشکیل زنجیره) ترکیبات بی شماری را تشکیل می دهد. ارزیابی ترکیبات منحصر به فرد نشان می دهد که تعداد بیشتری از آنها حاوی کربن هستند. گفته مشابهی را می توان در مورد هیدروژن نیز بیان کرد زیرا اکثر ترکیبات آلی حاوی هیدروژن نیز هستند. ساده ترین شکل یک مولکول آلی یک هیدروکربن است - خانواده بزرگی از مولکول های آلی که از اتم های هیدروژن متصل به زنجیره ای از اتم های کربن تشکیل شده اند. طول زنجیره، زنجیره های جانبی و گروه های عاملی بر خواص مولکول های آلی تأثیر می گذارد. کربن در تمام اشکال حیات آلی شناخته شده یافت می شود و اساس شیمی آلی است. هنگامی که کربن با هیدروژن ترکیب می شود، هیدروکربن های مختلفی را تشکیل می دهد که برای صنعت به عنوان مبرد، روان کننده، حلال، به عنوان مواد اولیه شیمیایی برای پلاستیک ها و فرآورده های نفتی و به عنوان سوخت های فسیلی مهم هستند. هنگامی که کربن با اکسیژن و هیدروژن ترکیب می شود، می تواند گروه های زیادی از ترکیبات بیولوژیکی مهم از جمله قندها، لیگنان ها، کیتین ها، الکل ها، چربی ها و استرهای معطر، کاروتنوئیدها و ترپن ها را تشکیل دهد. کربن با نیتروژن، آلکالوئیدها را تشکیل می دهد و با افزودن گوگرد، آنتی بیوتیک ها، اسیدهای آمینه و محصولات لاستیکی را نیز تشکیل می دهد. با افزودن فسفر به این عناصر دیگر، DNA و RNA، حامل کد شیمیایی حیات، و آدنوزین تری فسفات (ATP)، مهم ترین مولکول انتقال انرژی در تمام سلول های زنده را تشکیل می دهد.

ترکیبات غیر آلی

معمولاً ترکیبات حاوی کربن که به مواد معدنی متصل هستند یا حاوی هیدروژن یا فلوئور نیستند، جدا از ترکیبات آلی کلاسیک درمان می شوند. این تعریف سختگیرانه نیست. از جمله آنها اکسیدهای کربن ساده هستند. شناخته شده ترین اکسید دی اکسید کربن (CO2) است. زمانی این ماده جزء اصلی اتمسفر دیرینه بود، اما امروزه جزء جزئی جو زمین است. هنگامی که این ماده در آب حل می شود، دی اکسید کربن (H2CO3) را تشکیل می دهد، اما مانند بسیاری از ترکیبات با چندین اکسیژن متصل به یک کربن روی یک کربن، ناپایدار است. با این حال، یون های کربنات تثبیت شده تشدید شده از طریق این واسطه تشکیل می شوند. برخی از مواد معدنی مهم کربنات ها، به ویژه کلسیت ها هستند. دی سولفید کربن (CS2) مشابه است. یکی دیگر از اکسیدهای رایج، مونوکسید کربن (CO) است. این گاز در اثر احتراق ناقص به وجود می آید و گازی بی رنگ و بی بو است. هر مولکول حاوی یک پیوند سه گانه است و نسبتاً قطبی است، که باعث می شود دائماً به مولکول های هموگلوبین متصل شود و اکسیژن را جایگزین کند، که میل ترکیبی کمتری دارد. سیانید (CN-) ساختار مشابهی دارد اما مانند یون هالید (شبه هالوژن) رفتار می کند. به عنوان مثال، می تواند یک مولکول سیانوژن نیترید (CN) 2) مشابه هالیدهای دیاتومه را تشکیل دهد. سایر اکسیدهای غیر معمول عبارتند از ساب اکسید کربن (C3O2)، مونوکسید کربن ناپایدار (C2O)، تری اکسید کربن (CO3)، سیکلوپنتان پپتون (C5O5)، سیکلوهگزاناکسون (C6O6)، و انیدرید ملیتیک (C12O9). با فلزات واکنش پذیر مانند تنگستن، کربن یا کاربید (C4-) یا استیلید (C2-2) را تشکیل می دهد تا آلیاژهایی با نقطه ذوب بالا تشکیل دهد. این آنیون ها همچنین با متان و استیلن مرتبط هستند که هر دو اسیدهای بسیار ضعیفی هستند. در الکترونگاتیوی 2.5، کربن ترجیح می دهد پیوندهای کووالانسی تشکیل دهد. چندین کاربید شبکه‌های کووالانسی هستند مانند کربوراندوم (SiC) که شبیه الماس است. با این حال، حتی قطبی ترین و شورترین کاربیدها نیز ترکیبات یونی کامل نیستند.

ترکیبات آلی فلزی

ترکیبات آلی فلزی، طبق تعریف، حداقل دارای یک پیوند کربن و فلز هستند. انواع مختلفی از این ترکیبات وجود دارد. کلاس های اصلی شامل ترکیبات فلزی ساده آلکیل (مانند تترا اتیلید)، ترکیبات η2-آلکن (به عنوان مثال نمک Zeise)، و ترکیبات η3-آلیل (به عنوان مثال آلیل پالادیم کلرید دایمر). متالوسن های حاوی لیگاندهای سیکلوپنتادینیل (مانند فروسن). و مجتمع های کربنی فلزات واسطه. کربونیل های فلزی زیادی وجود دارد (به عنوان مثال تترا کربنیل نیکل). برخی از کارگران معتقدند که لیگاند مونوکسید کربن یک ترکیب کاملا معدنی و نه آلی فلزی است. در حالی که تصور می‌شود کربن منحصراً چهار پیوند را تشکیل می‌دهد، ترکیب جالبی گزارش شده است که حاوی یک اتم کربن هشت‌وجهی است. کاتیون این ترکیب 2+ است. این پدیده با شنوایی دوستی لیگاندهای طلا توضیح داده می شود. در سال 2016 تأیید شد که هگزا متیل بنزن حاوی یک اتم کربن با شش پیوند است و نه چهار پیوند معمولی.

تاریخچه و ریشه شناسی

نام انگلیسی کربن (کربن) از واژه لاتین carbo به معنی زغال سنگ و زغال چوب گرفته شده است، از این رو کلمه فرانسوی charbon به معنای زغال چوب است. در آلمانی، هلندی و دانمارکی، نام کربن به ترتیب Kohlenstoff، koolstof و kulstof است که همه به معنای واقعی کلمه زغال سنگ هستند. کربن در دوران ماقبل تاریخ کشف شد و در تمدن های اولیه بشری به شکل دوده و زغال چوب شناخته شده بود. الماس احتمالاً در 2500 سال قبل از میلاد شناخته شده بود. در چین، و کربن به شکل زغال چوب در زمان رومیان با همان شیمی امروزی، با حرارت دادن چوب در یک هرم پوشیده شده با خاک رس برای دفع هوا ساخته می شد. در سال 1722، René Antoine Fercho de Réamour نشان داد که آهن از طریق جذب ماده ای که امروزه به نام کربن شناخته می شود، به فولاد تبدیل می شود. در سال 1772، Antoine Lavoisier نشان داد که الماس شکلی از کربن است. زمانی که نمونه هایی از زغال سنگ و الماس را سوزاند و متوجه شد که هیچکدام آب تولید نمی کنند و هر دو ماده به ازای هر گرم مقدار مساوی دی اکسید کربن آزاد می کنند. در سال 1779، کارل ویلهلم شیله نشان داد که گرافیت، که تصور می‌شود شکلی از سرب است، در عوض با زغال چوب یکسان است، اما با مقدار کمی آهن، و هنگامی که با نیتریک اکسید می‌شود، «اسید هوا» (که دی‌اکسید کربن است) تولید می‌کند. اسید. در سال 1786، دانشمندان فرانسوی، کلود لوئیس برتوله، گاسپارد مونگ و سی. ای. واندرموند تأیید کردند که گرافیت عمدتاً کربن است و در اکسیژن به همان روشی که لاووازیه با الماس اکسید می‌کند. مقدار مشخصی آهن دوباره باقی ماند که به گفته دانشمندان فرانسوی برای ساختار گرافیت ضروری بود. آنها در نشریه خود نام کربن (کلمه لاتین کربن) را برای عنصری در گرافیت پیشنهاد کردند که هنگام سوزاندن گرافیت به صورت گاز آزاد می شد. سپس آنتوان لاووازیه کربن را به عنوان عنصری در کتاب درسی خود در سال 1789 ذکر کرد. یک آلوتروپ کربن جدید، فولرن، که در سال 1985 کشف شد، شامل اشکال نانوساختاری مانند توپ های پشتی و نانولوله ها است. پیشگامان آنها - رابرت کرل، هارولد کروتو و ریچارد اسمالی - در سال 1996 جایزه نوبل شیمی را دریافت کردند. علاقه مجدد به اشکال جدید منجر به کشف آلوتروپ های عجیب و غریب اضافی، از جمله کربن شیشه ای، و درک این موضوع می شود که "کربن آمورف" کاملا بی شکل نیست.

تولید

گرافیت

ذخایر طبیعی گرافیت از نظر تجاری قابل دوام در بسیاری از نقاط جهان یافت می شود، اما مهم ترین منابع از نظر اقتصادی در چین، هند، برزیل و کره شمالی یافت می شود. نهشته های گرافیت منشأ دگرگونی دارند و در ترکیب با کوارتز، میکا و فلدسپات ها در شیل ها، گنیس ها و ماسه سنگ ها و سنگ های آهکی دگرگون شده به شکل عدسی یا رگه، گاهی چند متر یا بیشتر ضخامت یافت می شوند. ذخایر گرافیت در Borrowdale، کامبرلند، انگلستان در ابتدا از اندازه و خلوص کافی برخوردار بودند که تا قرن 19، مدادها به سادگی با اره کردن بلوک‌های گرافیت طبیعی به صورت نوارها قبل از چسباندن نوارها به چوب ساخته می‌شدند. امروزه ذخایر کوچک تری از گرافیت با خرد کردن سنگ مادر و شناور کردن گرافیت سبک تر روی آب تولید می شود. سه نوع گرافیت طبیعی وجود دارد - آمورف، پولکی یا کریستالی. گرافیت آمورف پایین ترین کیفیت و فراوان ترین را دارد. بر خلاف علم، در صنعت، "بی شکل" به جای فقدان کامل یک ساختار بلوری، به یک اندازه کریستال بسیار کوچک اشاره دارد. واژه آمورف برای محصولاتی با مقدار کم گرافیت به کار می رود و ارزان ترین گرافیت است. ذخایر بزرگ گرافیت آمورف در چین، اروپا، مکزیک و ایالات متحده یافت می شود. گرافیت مسطح نسبت به گرافیت آمورف کمتر رایج است و از کیفیت بالاتری برخوردار است. به نظر می رسد صفحات جداگانه ای است که در سنگ های دگرگونی متبلور می شوند. قیمت گرافیت دانه ای می تواند چهار برابر بیشتر از قیمت آمورف باشد. گرافیت پوسته‌دار با کیفیت خوب را می‌توان به گرافیت منبسط‌پذیر برای بسیاری از کاربردها مانند بازدارنده‌های شعله تبدیل کرد. ذخایر اولیه گرافیت در اتریش، برزیل، کانادا، چین، آلمان و ماداگاسکار یافت می شود. گرافیت مایع یا توده ای نادرترین، با ارزش ترین و با کیفیت ترین نوع گرافیت طبیعی است. این ماده در رگه‌های امتداد تماس‌های نفوذی در توده‌های جامد یافت می‌شود و فقط به صورت تجاری در سریلانکا استخراج می‌شود. بر اساس گزارش USGS، تولید جهانی گرافیت طبیعی در سال 2010، 1.1 میلیون تن بوده است که 800000 تن در چین، 130000 تن در هند، 76000 تن در برزیل، 30000 تن در کره شمالی و کانادا 0000 min. در ایالات متحده، اما 118000 تن گرافیت مصنوعی در سال 2009 با ارزش تخمینی 998 میلیون دلار آمریکا استخراج شد.

الماس

عرضه الماس توسط تعداد محدودی از مشاغل کنترل می شود و همچنین به شدت در تعداد کمی از مکان ها در سراسر جهان متمرکز است. تنها بخش بسیار کمی از سنگ معدن الماس از الماس واقعی تشکیل شده است. سنگ معدن خرد می شود که طی آن لازم است اقداماتی برای جلوگیری از تخریب الماس های بزرگ در این فرآیند انجام شود و سپس ذرات بر اساس چگالی دسته بندی می شوند. امروزه الماس ها در بخش غنی از الماس با استفاده از فلورسانس اشعه ایکس استخراج می شوند و پس از آن مراحل مرتب سازی نهایی به صورت دستی انجام می شود. قبل از گسترش استفاده از اشعه ایکس، جداسازی با تسمه های روان کننده انجام شد. مشخص است که الماس تنها در نهشته های آبرفتی در جنوب هند یافت می شود. مشخص است که الماس بیشتر از سایر مواد معدنی در سنگ معدن مستعد چسبیدن به جرم است. هند از زمان کشف الماس در حدود قرن 9 قبل از میلاد تا اواسط قرن 18 پس از میلاد پیشرو در تولید الماس بود، اما پتانسیل تجاری این منابع در پایان قرن 18 به پایان رسید و در آن زمان هند تحت الشعاع برزیل قرار گرفت. اولین الماس در سال 1725 پیدا شد. تولید الماس ذخایر اولیه (کیمبرلیت ها و لامپرویت ها) تنها در دهه 1870 و پس از کشف ذخایر الماس در آفریقای جنوبی آغاز شد. تولید الماس در طول زمان افزایش یافته است و از آن تاریخ تاکنون تنها 4.5 میلیارد قیراط انباشته شده است. حدود 20 درصد از این میزان تنها در 5 سال گذشته استخراج شده است و طی ده سال گذشته تولید 9 معدن جدید آغاز شده و 4 معدن دیگر در انتظار کشف قریب الوقوع آنها هستند. بیشتر این ذخایر در کانادا، زیمباوه، آنگولا و یکی در روسیه قرار دارند. در ایالات متحده، الماس در آرکانزاس، کلرادو و مونتانا یافت شده است. در سال 2004، کشف شگفت انگیز یک الماس میکروسکوپی در ایالات متحده منجر به انتشار نمونه عظیمی از لوله های کیمبرلیت در مونتانای دوردست در ژانویه 2008 شد. امروزه، بیشتر ذخایر الماس قابل دوام در روسیه، بوتسوانا، استرالیا و جمهوری دموکراتیک کنگو قرار دارند. بر اساس گزارش سازمان زمین شناسی بریتانیا، روسیه در سال 2005 نزدیک به یک پنجم الماس های جهان را تولید کرد. در استرالیا، در دهه 1990، غنی ترین لوله دیومانته به اوج تولید 42 تن (41 تن، 46 تن کوتاه) در سال رسید. همچنین میادین تجاری وجود دارد که تولید فعال آنها در مناطق شمال غربی کانادا، سیبری (به طور عمده در یاکوتیا، به عنوان مثال، در لوله میر و در لوله Udachnaya)، در برزیل، و همچنین در شمال و شمال انجام می شود. استرالیای غربی.

برنامه های کاربردی

کربن برای تمام سیستم های زنده شناخته شده ضروری است. بدون آن، وجود حیات، آن گونه که ما می شناسیم، غیرممکن است. عمده‌ترین کاربردهای اقتصادی کربن، جدای از غذا و چوب، در هیدروکربن‌ها، عمدتاً سوخت‌های فسیلی، گاز متان و نفت خام است. نفت خام توسط پالایشگاه ها برای تولید بنزین، نفت سفید و سایر محصولات فرآوری می شود. سلولز یک پلیمر طبیعی حاوی کربن است که توسط گیاهان به شکل چوب، پنبه، کتان و کنف تولید می‌شود. سلولز عمدتاً برای حفظ ساختار گیاهان استفاده می شود. پلیمرهای کربن حیوانی با ارزش تجاری شامل پشم، ترمه و ابریشم هستند. پلاستیک‌ها از پلیمرهای کربن مصنوعی، اغلب با اتم‌های اکسیژن و نیتروژن در فواصل زمانی معین در ستون فقرات پلیمری ساخته می‌شوند. خوراک بسیاری از این مواد مصنوعی از نفت خام می آید. استفاده از کربن و ترکیبات آن بسیار متنوع است. کربن می تواند با آهن آلیاژهایی تشکیل دهد که رایج ترین آنها فولاد کربنی است. گرافیت با خاک رس ترکیب می شود و "سرب" مورد استفاده در مدادهای مورد استفاده برای نوشتن و طراحی را تشکیل می دهد. همچنین به عنوان روان کننده و رنگدانه، به عنوان ماده قالب گیری در شیشه سازی، در الکترودهای باتری های خشک و آبکاری و آبکاری الکتریکی، در برس برای موتورهای الکتریکی و به عنوان تعدیل کننده نوترون در راکتورهای هسته ای استفاده می شود. زغال سنگ به عنوان ماده ای برای آثار هنری، به عنوان کباب پز، برای ذوب آهن استفاده می شود و کاربردهای بسیار دیگری نیز دارد. از چوب، زغال سنگ و نفت به عنوان سوخت برای تولید انرژی و گرمایش استفاده می شود. از الماس های مرغوب در جواهرسازی استفاده می شود، در حالی که از الماس های صنعتی برای حفاری، برش و صیقل ابزار برای کار فلزات و سنگ استفاده می شود. پلاستیک‌ها از هیدروکربن‌های فسیلی ساخته می‌شوند و فیبر کربن که از تجزیه در اثر حرارت الیاف پلی‌استر مصنوعی ساخته می‌شود، برای تقویت پلاستیک‌ها برای تشکیل کامپوزیت‌های پیشرفته و سبک استفاده می‌شود. فیبر کربن از طریق پیرولیز رشته های پلی اکریلونیتریل (PAN) اکسترود شده و کشیده و سایر مواد آلی ساخته می شود. ساختار کریستالی و خواص مکانیکی الیاف به نوع ماده اولیه و پردازش بعدی بستگی دارد. الیاف کربن ساخته شده از PAN ساختاری شبیه رشته های باریک گرافیت دارند، اما عملیات حرارتی می تواند ساختار را به یک صفحه پیوسته تغییر دهد. در نتیجه الیاف دارای استحکام کششی بالاتری نسبت به فولاد هستند. کربن سیاه به عنوان رنگدانه سیاه در جوهرهای چاپ، رنگ‌های روغنی هنرمندان و آبرنگ‌ها، کاغذ کربنی، تزئینات خودرو، جوهر و چاپگرهای لیزری استفاده می‌شود. کربن سیاه همچنین به عنوان پرکننده در محصولات لاستیکی مانند لاستیک ها و در اتصالات پلاستیکی استفاده می شود. کربن فعال به عنوان جاذب و جاذب در محیط های فیلتر در کاربردهای متنوعی مانند ماسک های گاز، تصفیه آب و هود اجاق گاز و همچنین در پزشکی برای جذب سموم، سموم یا گازهای دستگاه گوارش استفاده می شود. کربن در کاهش شیمیایی در دماهای بالا استفاده می شود. کک برای تبدیل سنگ آهن به آهن (ذوب) استفاده می شود. انجماد فولاد با حرارت دادن اجزای فولاد تمام شده در پودر کربن حاصل می شود. کاربیدهای سیلیکون، تنگستن، بور و تیتانیوم از سخت ترین مواد هستند و به عنوان ساینده برای برش و آسیاب استفاده می شوند. ترکیبات کربن بیشتر مواد مورد استفاده در پوشاک را تشکیل می دهند، مانند منسوجات طبیعی و مصنوعی و چرم و تقریباً تمام سطوح داخلی در محیط هایی غیر از شیشه، سنگ و فلز.

الماس

صنعت الماس به دو دسته تقسیم می شود که یکی از آنها الماس های مرغوب (سنگ های قیمتی) و دیگری الماس های درجه صنعتی است. در حالی که تجارت زیادی در هر دو نوع الماس وجود دارد، هر دو بازار به روش های بسیار متفاوتی عمل می کنند. بر خلاف فلزات گرانبها مانند طلا یا پلاتین، الماس سنگ های قیمتی به عنوان یک کالا معامله نمی شود: حق بیمه قابل توجهی در فروش الماس وجود دارد و بازار فروش مجدد الماس چندان فعال نیست. الماس های صنعتی در درجه اول به دلیل سختی و رسانایی حرارتی ارزشمند هستند، در حالی که کیفیت گوهرشناسی شفافیت و رنگ تا حد زیادی بی ربط است. حدود 80 درصد از الماس های استخراج شده (برابر با حدود 100 میلیون قیراط یا 20 تن در سال) غیرقابل استفاده هستند و در صنعت (ضایعات الماس) استفاده می شوند. الماس های مصنوعی، که در دهه 1950 اختراع شدند، تقریباً بلافاصله کاربردهای صنعتی پیدا کردند. سالانه 3 میلیارد قیراط (600 تن) الماس مصنوعی تولید می شود. کاربردهای صنعتی غالب الماس عبارتند از: برش، حفاری، سنگ زنی و پرداخت. بیشتر این برنامه ها به الماس بزرگ نیاز ندارند. در واقع، اکثر الماس های با کیفیت گوهر، به استثنای الماس های کوچک، می توانند در صنعت استفاده شوند. الماس ها را در نوک مته یا تیغه های اره قرار می دهند یا برای استفاده در سنگ زنی و پرداخت به پودر تبدیل می شوند. کاربردهای تخصصی شامل استفاده آزمایشگاهی به عنوان ذخیره سازی برای آزمایش های فشار بالا، بلبرینگ های با کارایی بالا و استفاده محدود در پنجره های تخصصی است. با پیشرفت در تولید الماس مصنوعی، کاربردهای جدید در حال امکان پذیر شدن است. توجه زیادی به استفاده احتمالی الماس به عنوان نیمه هادی مناسب برای ریزتراشه ها و به دلیل هدایت حرارتی استثنایی آن به عنوان یک هیت سینک در الکترونیک می شود.

مشخصات فیزیکی:کربن بسیاری از تغییرات آلوتروپیک را تشکیل می دهد: الماس- یکی از سخت ترین مواد گرافیت، زغال سنگ، دوده.

یک اتم کربن دارای 6 الکترون است: 1s 2 2s 2 2p 2 . دو الکترون آخر روی اوربیتال های p مجزا قرار دارند و جفت نشده اند. در اصل، این جفت می تواند یک اوربیتال را اشغال کند، اما در این حالت دافعه الکترون-الکترون به شدت افزایش می یابد. به همین دلیل یکی از آنها 2p x و دیگری یا 2p y می گیرد , یا اوربیتال های 2p z.

تفاوت بین انرژی‌های لایه‌های فرعی s و p لایه بیرونی کم است؛ بنابراین، اتم به راحتی به حالت برانگیخته می‌رود، که در آن یکی از دو الکترون از مدار 2s به حالت آزاد می‌رسد. 2p.یک حالت ظرفیت با پیکربندی 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . این حالت اتم کربن است که مشخصه شبکه الماس است - آرایش فضایی چهار وجهی اوربیتال های هیبریدی، طول پیوند و انرژی یکسان.

این پدیده به نام شناخته شده است sp 3 -هیبریداسیون،و توابع بوجود آمده sp 3 -hybrid هستند . تشکیل چهار پیوند sp 3 وضعیت پایدارتری نسبت به سه اتم کربن را فراهم می کند p-p-و یک s-s-link. علاوه بر هیبریداسیون sp 3 در اتم کربن، هیبریداسیون sp 2 و sp نیز مشاهده می شود. . در حالت اول، همپوشانی متقابل وجود دارد s-و دو اوربیتال p سه اوربیتال معادل sp 2 - هیبریدی تشکیل می شود که در یک صفحه با زاویه 120 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند. مدار سوم p بدون تغییر است و عمود بر صفحه است sp 2.

در طول هیبریداسیون sp، اوربیتال های s و p با هم همپوشانی دارند. زاویه 180 درجه بین دو اوربیتال ترکیبی معادل ایجاد می شود، در حالی که دو اوربیتال p هر یک از اتم ها بدون تغییر باقی می مانند.

آلوتروپی کربن الماس و گرافیت

در یک کریستال گرافیت، اتم های کربن در صفحات موازی قرار دارند و رئوس شش ضلعی های منظم را در آنها اشغال می کنند. هر یک از اتم های کربن به سه پیوند مجاور sp 2 -hybrid متصل است. اتصال بین صفحات موازی توسط نیروهای واندروالس انجام می شود. اوربیتال های آزاد p هر یک از اتم ها عمود بر صفحات پیوندهای کووالانسی هدایت می شوند. همپوشانی آنها پیوند π اضافی بین اتم های کربن را توضیح می دهد. بنابراین از حالت ظرفیت که در آن اتم های کربن در یک ماده قرار دارند، خواص این ماده بستگی دارد.

خواص شیمیایی کربن

معمولی ترین حالت های اکسیداسیون +4، +2 هستند.

در دماهای پایین، کربن بی اثر است، اما هنگامی که گرم می شود، فعالیت آن افزایش می یابد.

کربن به عنوان یک عامل کاهنده:

- با اکسیژن
C 0 + O 2 - t ° = دی اکسید کربن CO 2
با کمبود اکسیژن - احتراق ناقص:
2C 0 + O 2 - t ° = 2C +2 O مونوکسید کربن

- با فلوئور
C + 2F 2 = CF 4

- با بخار آب
C 0 + H 2 O - 1200 ° = C + 2 O + H 2 گاز آب

- با اکسیدهای فلزی بنابراین، فلز از سنگ معدن ذوب می شود.
C 0 + 2CuO - t ° = 2Cu + C +4 O 2

- با اسیدها - عوامل اکسید کننده:
C 0 + 2H 2 SO 4 (conc.) = C + 4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (conc.) = C + 4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- دی سولفید کربن را با گوگرد تشکیل می دهد:
C + 2S 2 = CS 2.

کربن به عنوان یک عامل اکسید کننده:

- با برخی فلزات کاربید تشکیل می دهد

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- با هیدروژن - متان (و همچنین مقدار زیادی از ترکیبات آلی)

C 0 + 2H 2 = CH 4

- با سیلیکون، کربوراندوم را تشکیل می دهد (در دمای 2000 درجه سانتیگراد در یک کوره الکتریکی):

یافتن کربن در طبیعت

کربن آزاد به شکل الماس و گرافیت وجود دارد. کربن به شکل ترکیبات در ترکیب مواد معدنی است: گچ، مرمر، سنگ آهک - CaCO 3، دولومیت - MgCO 3 * CaCO 3. هیدروکربنات ها - منیزیم (HCO 3) 2 و Ca (HCO 3) 2، CO 2 بخشی از هوا است. کربن بخش اصلی تشکیل دهنده ترکیبات آلی طبیعی - گاز، نفت، زغال سنگ، ذغال سنگ نارس است؛ این بخشی از مواد آلی، پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات ها، اسیدهای آمینه است که موجودات زنده را تشکیل می دهند.

ترکیبات کربن غیر آلی

نه یون های C 4 + و نه C 4- تحت هیچ فرآیند شیمیایی معمولی تشکیل نمی شوند: پیوندهای کووالانسی با قطبیت های مختلف در ترکیبات کربن وجود دارد.

مونوکسید کربن (II) CO

مونوکسید کربن؛ بی رنگ، بی بو، کمی محلول در آب، محلول در حلال های آلی، سمی، دمای عدل = -192 درجه سانتیگراد؛ t pl. = -205 درجه سانتیگراد.

در حال دریافت
1) در صنعت (در مولدهای گاز):
C + O 2 = CO 2

2) در آزمایشگاه - با تجزیه حرارتی اسید فرمیک یا اگزالیک در حضور H 2 SO 4 (conc.):
HCOOH = H 2 O + CO

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

خواص شیمیایی

CO در شرایط عادی بی اثر است. هنگام گرم شدن - یک عامل کاهنده؛ اکسید غیر نمک ساز

1) با اکسیژن

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

2) با اکسیدهای فلزی

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

3) با کلر (در نور)

CO + Cl 2 - hn = COCl 2 (فسژن)

4) با مذاب های قلیایی (تحت فشار) واکنش می دهد.

CO + NaOH = HCOONa (فرمت سدیم)

5) با فلزات واسطه کربونیل تشکیل می دهد

Ni + 4CO - t ° = Ni (CO) 4

Fe + 5CO - t ° = Fe (CO) 5

مونوکسید کربن (IV) CO2

دی اکسید کربن، بی رنگ، بی بو، حلالیت در آب - 0.9V CO 2 در 1V H 2 O حل می شود (در شرایط عادی). سنگین تر از هوا؛ t ° pl = -78.5 ° C (CO 2 جامد "یخ خشک" نامیده می شود). از احتراق پشتیبانی نمی کند.

در حال دریافت

1. تجزیه حرارتی نمک های اسید کربنیک (کربنات ها). برشته کردن سنگ آهک:

CaCO 3 - t ° = CaO + CO 2

1. اثر اسیدهای قوی بر کربنات ها و بی کربنات ها:

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

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

شیمیاییخواصCO2
اکسید اسیدی: با اکسیدهای بازی و باز واکنش می دهد و نمک های اسید کربنیک را تشکیل می دهد

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

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

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

ممکن است در دماهای بالا خاصیت اکسید کننده از خود نشان دهد

С +4 O 2 + 2 میلی گرم - t ° = 2 میلی گرم + 2 O + C 0

واکنش کیفی

کدورت آب آهک:

Ca (OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (رسوب سفید) + H 2 O

با عبور طولانی مدت CO 2 از آب آهک ناپدید می شود، زیرا کربنات کلسیم نامحلول به بی کربنات محلول تبدیل می شود:

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

اسید کربنیک و آننمک

H 2CO 3 -اسید ضعیف است، فقط در محلول آبی وجود دارد:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

دو پایه:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - نمک های اسیدی - بی کربنات ها، هیدروکربن ها
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- نمکهای متوسط ​​- کربناتها

تمام خواص اسیدها مشخص است.

کربنات ها و هیدروکربن ها را می توان به یکدیگر تبدیل کرد:

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

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

کربنات‌های فلزات (به استثنای فلزات قلیایی) هنگامی که حرارت داده می‌شوند، دکربوکسیله می‌شوند تا اکسید شوند:

CuCO 3 - t ° = CuO + CO 2

واکنش کیفی- "جوش" تحت عمل یک اسید قوی:

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

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

کاربیدها

کاربید کلسیم:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

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

هنگامی که کاربیدهای روی، کادمیوم، لانتانیم و سریم با آب واکنش می دهند، استیلن آزاد می شود:

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

2 C باشد و Al 4 C 3 با آب تجزیه می شود و متان تشکیل می شود:

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

در فناوری، از کاربیدهای تیتانیوم TiC، تنگستن W 2 C (آلیاژهای سخت)، سیلیکون SiC (کاربوراندوم به عنوان ساینده و ماده ای برای بخاری) استفاده می شود.

سیانور

از گرم کردن سودا در جوی حاوی آمونیاک و مونوکسید کربن به دست می آید:

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

هیدروسیانیک اسید HCN یک محصول مهم در صنایع شیمیایی است و به طور گسترده در سنتز آلی استفاده می شود. تولید جهانی آن به 200 هزار تن در سال می رسد. ساختار الکترونیکی آنیون سیانید شبیه مونوکسید کربن (II) است، چنین ذرات ایزوالکترونیک نامیده می شوند:

سی = O: [: C = N:] -

سیانیدها (محلول آبی 0.1-0.2٪) در معدن طلا استفاده می شود:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0.5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

هنگام جوشاندن محلول های سیانید با گوگرد یا همجوشی مواد جامد، تیوسیانات ها:
KCN + S = KSCN.

هنگامی که سیانیدهای فلزات کم فعالیت گرم می شوند، سیانوژن به دست می آید: جیوه (CN) 2 = جیوه + (CN) 2. محلول های سیانید اکسید می شوند سیانات ها:

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

اسید سیانیک به دو صورت وجود دارد:

H-N = C = O; H-O-C = ن:

در سال 1828، فردریش ویلر (1800-1882) اوره را از سیانات آمونیوم به دست آورد: NH 4 OCN = CO (NH 2) 2 با تبخیر یک محلول آبی.

این رویداد معمولاً به عنوان پیروزی شیمی مصنوعی بر "نظریه حیات گرایی" تلقی می شود.

یک ایزومر اسید سیانیک وجود دارد - اسید فرار

H-O-N = C.
نمک های آن (جیوه انفجاری جیوه (ONC) 2) در جرقه زن ضربه ای استفاده می شود.

سنتز اوره(اوره):

CO 2 + 2 NH 3 = CO (NH 2) 2 + H 2 O. در 130 0 C و 100 atm.

اوره آمید اسید کربنیک است، همچنین "آنالوگ نیتروژن" آن - گوانیدین وجود دارد.

کربنات ها

مهمترین ترکیبات کربن غیر آلی نمکهای اسید کربنیک (کربناتها) هستند. H 2 CO 3 یک اسید ضعیف است (K 1 = 1.3 · 10 -4؛ K 2 = 5 · 10 -11). پشتیبانی بافر کربنات تعادل دی اکسید کربندر جو اقیانوس ها ظرفیت بافر عظیمی دارند زیرا یک سیستم باز هستند. واکنش بافر اصلی تعادل در تفکیک اسید کربنیک است:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

با کاهش اسیدیته، جذب اضافی دی اکسید کربن از جو با تشکیل اسید اتفاق می افتد:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

با افزایش اسیدیته، انحلال سنگ های کربناته (پوسته، رسوبات گچ و سنگ آهک در اقیانوس) رخ می دهد. این اتلاف یون های هیدروکربنات را جبران می کند:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (جامد) ↔ Ca 2 + + CO 3 2-

کربنات های جامد به هیدروکربنات های محلول تبدیل می شوند. این فرآیند انحلال شیمیایی دی اکسید کربن اضافی است که با "اثر گلخانه ای" - گرم شدن کره زمین به دلیل جذب تشعشعات حرارتی از زمین توسط دی اکسید کربن مقابله می کند. حدود یک سوم از سودای جهان (کربنات سدیم Na 2 CO 3) در تولید شیشه استفاده می شود.