Wzór chemiczny węgla. Co to jest węgiel? Opis, właściwości i formuła węgla

Jednym z najbardziej niesamowitych pierwiastków, które mogą tworzyć ogromną różnorodność związków o charakterze organicznym i nieorganicznym, jest węgiel. Ten pierwiastek ma tak niezwykłe właściwości, że nawet Mendelejew przewidział dla niego wspaniałą przyszłość, mówiąc o cechach jeszcze nie ujawnionych.

Później zostało to praktycznie potwierdzone. Okazało się, że jest to główny biogenny pierwiastek naszej planety, który jest częścią absolutnie wszystkich żywych istot. Ponadto może istnieć w formach radykalnie odmiennych pod każdym względem, ale jednocześnie składających się tylko z atomów węgla.

Ogólnie rzecz biorąc, ta struktura ma wiele cech, z którymi postaramy się uporać w trakcie artykułu.

Węgiel: formuła i pozycja w układzie pierwiastków

W układzie okresowym pierwiastek węgiel znajduje się w grupie IV (wg nowego modelu w 14), głównej podgrupie. Jego liczba atomowa wynosi 6, a masa atomowa 12,011. Oznaczenie elementu znakiem C wskazuje jego nazwę po łacinie - carboneum. Istnieje kilka różnych form węgla. Dlatego jego formuła jest inna i zależy od konkretnej modyfikacji.

Istnieje jednak oczywiście specjalne oznaczenie do zapisywania równań reakcji. Ogólnie rzecz biorąc, mówiąc o substancji w jej czystej postaci, przyjmuje się wzór cząsteczkowy węgla C, bez indeksowania.

Historia odkrywania elementów

Sam w sobie ten pierwiastek znany jest od starożytności. W końcu jednym z najważniejszych minerałów w przyrodzie jest węgiel. Dlatego dla starożytnych Greków, Rzymian i innych narodowości nie był tajemnicą.

Oprócz tej odmiany zastosowano również diamenty i grafit. Z tymi ostatnimi przez długi czas było wiele mylących sytuacji, ponieważ często bez analizy składu brano za grafit takie związki, jak:

• srebrny ołów;
• węglik żelaza;
• siarczek molibdenu.

Wszystkie zostały pomalowane na czarno i dlatego uważane są za grafitowe. Później to nieporozumienie zostało wyjaśnione i ta forma węgla stała się sobą.

Od 1725 r. diamenty nabrały dużego znaczenia handlowego, a w 1970 r. opanowano technologię ich sztucznego pozyskiwania. Od 1779 r. dzięki pracy Karla Scheele badano właściwości chemiczne, które wykazuje węgiel. Był to początek szeregu ważnych odkryć w dziedzinie tego pierwiastka i stał się podstawą do wyjaśnienia wszystkich jego najbardziej unikalnych cech.

Izotopy węgla i dystrybucja w przyrodzie

Pomimo tego, że rozważany pierwiastek jest jednym z najważniejszych biogenów, jego całkowita zawartość w masie skorupy ziemskiej wynosi 0,15%. Wynika to z faktu, że podlega ciągłemu obiegowi, naturalnemu cyklowi w przyrodzie.

Ogólnie istnieje kilka związków mineralnych zawierających węgiel. Są to takie naturalne rasy jak:

• dolomity i wapienie;
• antracyt;
• łupki bitumiczne;
• gazu ziemnego;
• węgiel;
• olej;
• brązowy węgiel;
• torf;
• bitum.

Ponadto nie powinniśmy zapominać o żywych istotach, które są jedynie składnicą związków węgla. W końcu stworzyli białka, tłuszcze, węglowodany, kwasy nukleinowe, czyli najważniejsze cząsteczki strukturalne. Ogólnie rzecz biorąc, przy przeliczaniu suchej masy ciała z 70 kg, 15 przypada na czysty pierwiastek. I tak jest z każdym człowiekiem, nie mówiąc już o zwierzętach, roślinach i innych stworzeniach.

Jeśli weźmiemy pod uwagę również wodę, czyli hydrosferę jako całość i atmosferę, to mamy do czynienia z mieszaniną węgla i tlenu wyrażoną wzorem CO 2 . Dwutlenek lub dwutlenek węgla to jeden z głównych gazów wchodzących w skład powietrza. W tej postaci ułamek masowy węgla wynosi 0,046%. Jeszcze więcej dwutlenku węgla rozpuszcza się w wodach oceanów.

Masa atomowa węgla jako pierwiastka wynosi 12.011. Wiadomo, że wartość tę oblicza się jako średnią arytmetyczną między masami atomowymi wszystkich gatunków izotopowych występujących w przyrodzie, z uwzględnieniem ich liczebności (w procentach). Dotyczy to również danej substancji. Istnieją trzy główne izotopy, w których znajduje się węgiel. Ten:

• 12 C - jego udział masowy w zdecydowanej większości wynosi 98,93%;
• 13C - 1,07%;
• 14 C - radioaktywny, okres półtrwania 5700 lat, stabilny emiter beta.

W praktyce określania wieku geochronologicznego próbek szeroko stosowany jest radioaktywny izotop 14 C, który jest wskaźnikiem ze względu na długi okres rozpadu.

Alotropowe modyfikacje pierwiastka

Węgiel to pierwiastek, który jako prosta substancja istnieje w kilku formach. Oznacza to, że jest w stanie stworzyć największą liczbę znanych obecnie modyfikacji alotropowych.

1. Wariacje krystaliczne - występują w postaci silnych struktur z regularnymi sieciami typu atomowego. Do tej grupy należą odmiany takie jak:

• diamenty;
• fulereny;
• grafity;
• karabinki;
• lonsdaleici;
• i rurki.

Wszystkie różnią się sieciami, w węzłach których znajduje się atom węgla. Stąd zupełnie wyjątkowe, niepodobne do siebie właściwości, zarówno fizyczne, jak i chemiczne.

2. Formy amorficzne - są tworzone przez atom węgla, który jest częścią niektórych naturalnych związków. Oznacza to, że nie są to czyste odmiany, ale z zanieczyszczeniami innych pierwiastków w małych ilościach. Ta grupa obejmuje:

• Węgiel aktywowany;
• kamień i drewno;
• sadza;
• nanopianka węglowa;
• antracyt;
• węgiel szklisty;
• techniczny rodzaj substancji.

Łączą je również cechy strukturalne sieci krystalicznej, które wyjaśniają i manifestują właściwości.

3. Związki węgla w postaci skupisk. Taka struktura, w której atomy zamknięte są od wewnątrz w specjalnym zagłębieniu konformacyjnym, wypełnionym wodą lub jądrami innych pierwiastków. Przykłady:

• nanostożki węglowe;
• astraleny;
• diwęgiel.

Właściwości fizyczne węgla amorficznego

Ze względu na dużą różnorodność modyfikacji alotropowych trudno jest zidentyfikować jakiekolwiek wspólne właściwości fizyczne węgla. Łatwiej jest mówić o konkretnej formie. Na przykład węgiel amorficzny ma następujące właściwości.

1. Sercem wszystkich form są drobnoziarniste odmiany grafitu.
2. Wysoka pojemność cieplna.
3. Dobre właściwości przewodzące.
4. Gęstość węgla wynosi około 2 g/cm3.
5. Po podgrzaniu powyżej 1600 0 C następuje przejście do form grafitowych.

Odmiany sadzy i kamienia są szeroko stosowane do celów inżynieryjnych. Nie są przejawem modyfikacji węgla w czystej postaci, ale zawierają go w bardzo dużych ilościach.

Węgiel krystaliczny

Istnieje kilka opcji, w których węgiel jest substancją tworzącą regularne kryształy różnych typów, w których atomy są połączone szeregowo. W rezultacie powstają następujące modyfikacje.

1. - sześcienny, w którym połączone są cztery czworościany. W rezultacie wszystkie kowalencyjne wiązania chemiczne każdego atomu są maksymalnie nasycone i mocne. To wyjaśnia właściwości fizyczne: gęstość węgla wynosi 3300 kg/m 3 . Wysoka twardość, niska pojemność cieplna, brak przewodności elektrycznej – wszystko to wynika ze struktury sieci krystalicznej. Istnieją diamenty pozyskiwane technicznie. Powstają podczas przejścia grafitu do kolejnej modyfikacji pod wpływem wysokiej temperatury i pewnego ciśnienia. Ogólnie jest tak wysoka jak wytrzymałość - około 3500 0 C.
2. Grafit. Atomy ułożone są podobnie do struktury poprzedniej substancji, jednak tylko trzy wiązania są nasycone, a czwarte staje się dłuższe i słabsze, łączy „warstwy” pierścieni heksagonalnych sieci. W efekcie okazuje się, że grafit jest w dotyku miękką, tłustą, czarną substancją. Ma dobrą przewodność elektryczną i ma wysoką temperaturę topnienia - 3525 0 С. Jest zdolny do sublimacji - sublimacji ze stanu stałego do stanu gazowego, z pominięciem stanu ciekłego (w temperaturze 3700 0 С). Gęstość węgla wynosi 2,26 g/cm3, czyli znacznie mniej niż diamentu. To wyjaśnia ich różne właściwości. Dzięki warstwowej budowie sieci krystalicznej istnieje możliwość wykorzystania grafitu do produkcji wkładów ołówkowych. Naniesione na papier łuski odklejają się i pozostawiają czarny ślad na papierze.
3. Fulereny. Zostały otwarte dopiero w latach 80. ubiegłego wieku. Są to modyfikacje, w których węgle są połączone w specjalną, wypukłą, zamkniętą strukturę z pustką pośrodku. A forma kryształu - wielościan, właściwa organizacja. Liczba atomów jest parzysta. Najsłynniejsza forma fullerenu C 60 . Próbki podobnej substancji znaleziono podczas badań:

• meteoryty;
• osady denne;
• folguryty;
• szungity;
• przestrzeń kosmiczna, gdzie były zawarte w postaci gazów.

Wszystkie odmiany węgla krystalicznego mają duże znaczenie praktyczne, ponieważ posiadają szereg technicznie użytecznych właściwości.

Aktywność chemiczna

Węgiel cząsteczkowy wykazuje niską reaktywność ze względu na swoją stabilną konfigurację. Można go zmusić do wejścia w reakcje tylko przez nadanie atomowi dodatkowej energii i zmuszenie elektronów z poziomu zewnętrznego do odparowania. W tym momencie wartościowość wynosi 4. Dlatego w związkach ma stopień utlenienia + 2, + 4, - 4.

Niemal wszystkie reakcje z prostymi substancjami, zarówno metalami, jak i niemetalami, zachodzą pod wpływem wysokich temperatur. Omawiany pierwiastek może być zarówno środkiem utleniającym, jak i środkiem redukującym. Jednak te ostatnie właściwości są w nim szczególnie wyraźne i na tym opiera się jego zastosowanie w przemyśle metalurgicznym i innych.

Ogólnie rzecz biorąc, zdolność do wejścia w interakcję chemiczną zależy od trzech czynników:

• dyspersja węgla;
• modyfikacja alotropowa;
• temperatura reakcji.

Tak więc w niektórych przypadkach dochodzi do interakcji z następującymi substancjami:

• niemetale (wodór, tlen);
• metale (aluminium, żelazo, wapń i inne);
• tlenki metali i ich sole.

Nie reaguje z kwasami i zasadami, bardzo rzadko z halogenami. Najważniejszą z właściwości węgla jest zdolność do tworzenia ze sobą długich łańcuchów. Mogą zamykać się cyklicznie, tworzyć gałęzie. W ten sposób powstają związki organiczne, których dziś liczą miliony. Podstawą tych związków są dwa pierwiastki - węgiel, wodór. W składzie mogą znajdować się również inne atomy: tlen, azot, siarka, halogeny, fosfor, metale i inne.

Podstawowe związki i ich charakterystyka

Istnieje wiele różnych związków zawierających węgiel. Formuła najsłynniejszego z nich to CO 2 - dwutlenek węgla. Jednak oprócz tego tlenku występuje również tlenek CO - lub tlenek węgla, a także podtlenek C 3 O 2.

Wśród soli zawierających ten pierwiastek najczęściej występują węglany wapnia i magnezu. Tak więc węglan wapnia ma w nazwie kilka synonimów, ponieważ występuje w naturze w postaci:

• kreda;
• marmur;
• wapień;
• dolomit.

Znaczenie węglanów metali ziem alkalicznych przejawia się w tym, że są aktywnymi uczestnikami procesów powstawania stalaktytów i stalagmitów oraz wód gruntowych.

Kwas węglowy to kolejny związek tworzący węgiel. Jego formuła to H 2 CO 3. Jednak w swojej zwykłej postaci jest wyjątkowo niestabilny i natychmiast rozkłada się na dwutlenek węgla i wodę w roztworze. Dlatego znane są tylko jego sole, a nie sam jako roztwór.

Halogenki węgla - pozyskiwane są głównie pośrednio, gdyż bezpośrednia synteza zachodzi tylko w bardzo wysokich temperaturach i z niską wydajnością produktu. Jeden z najczęstszych - CCL 4 - czterochlorek węgla. Toksyczny związek, który może powodować zatrucie w przypadku wdychania. Otrzymywany w wyniku rodnikowych reakcji podstawienia fotochemicznego w metanie.

Węgliki metali to związki węgla, w których stopień utlenienia wynosi 4. Możliwe są również asocjacje z borem i krzemem. Główną właściwością węglików niektórych metali (aluminium, wolframu, tytanu, niobu, tantalu, hafnu) jest wysoka wytrzymałość i doskonała przewodność elektryczna. Węglik boru B 4 C jest jedną z najtwardszych substancji po diamencie (9,5 wg Mohsa). Związki te wykorzystywane są w inżynierii, a także w przemyśle chemicznym, jako źródła do produkcji węglowodorów (węglik wapnia z wodą prowadzi do powstania acetylenu i wodorotlenku wapnia).

Wiele stopów metali wytwarzanych jest przy użyciu węgla, co znacznie podnosi ich jakość i właściwości techniczne (stal jest stopem żelaza i węgla).

Na szczególną uwagę zasługują liczne organiczne związki węgla, w których węgiel jest podstawowym pierwiastkiem zdolnym do łączenia się z tymi samymi atomami w długie łańcuchy o różnej strukturze. Obejmują one:

• alkany;
• alkeny;
• areny;
• białka;
• węglowodany;
• kwasy nukleinowe;
• alkohole;
• kwasy karboksylowe i wiele innych klas substancji.

Zastosowanie węgla

Znaczenie związków węgla i jego alotropowych modyfikacji w życiu człowieka jest bardzo duże. Możesz wymienić kilka najbardziej globalnych branż, aby jasno powiedzieć, że to prawda.

1. Pierwiastek ten tworzy wszystkie rodzaje paliwa organicznego, z którego człowiek otrzymuje energię.
2. Przemysł metalurgiczny wykorzystuje węgiel jako najsilniejszy czynnik redukujący do pozyskiwania metali z ich związków. Węglany są tu również szeroko stosowane.
3. Budownictwo i przemysł chemiczny zużywają ogromne ilości związków węgla do syntezy nowych substancji i pozyskiwania niezbędnych produktów.

Można również wymienić takie sektory gospodarki jak:

• przemysł jądrowy;
• biznes jubilerski;
• wyposażenie techniczne (smary, tygle żaroodporne, ołówki itp.);
• określenie wieku geologicznego skał - znacznik promieniotwórczy 14 C;
• węgiel jest doskonałym adsorbentem, dzięki czemu można go wykorzystać do produkcji filtrów.

Cykl w przyrodzie

Masa węgla znaleziona w przyrodzie jest zawarta w stałym cyklu, który krąży co sekundę na całym świecie. W ten sposób atmosferyczne źródło węgla - CO 2 - jest absorbowane przez rośliny i uwalniane przez wszystkie żywe istoty w procesie oddychania. Raz w atmosferze zostaje ponownie wchłonięty, więc cykl się nie zatrzymuje. Jednocześnie śmierć pozostałości organicznych prowadzi do uwolnienia węgla i jego akumulacji w ziemi, skąd jest ponownie wchłaniany przez organizmy żywe i uwalniany do atmosfery w postaci gazu.

Węgiel(łac. Carboneum), C, pierwiastek chemiczny grupy IV układu okresowego Mendelejewa, liczba atomowa 6, masa atomowa 12.011. Znane są dwa stabilne izotopy: 12 C (98,892%) i 13 C (1,108%). Spośród izotopów promieniotwórczych najważniejszym jest 14 C z okresem półtrwania (T ½ \u003d 5,6 10 3 lat). Niewielkie ilości 14 C (około 2 10 -10% mas.) stale tworzą się w górnej atmosferze pod działaniem neutronów promieniowania kosmicznego na izotop azotu 14 N. Ich wiek jest zdeterminowany specyficzną aktywnością izotopu 14 C w szczątki pochodzenia biogenicznego. 14 C jest szeroko stosowany jako znacznik izotopowy.

Odniesienie do historii. Węgiel znany jest od czasów starożytnych. Węgiel drzewny służył do wydobywania metali z rud, diament – ​​jako kamień szlachetny. Dużo później z grafitu wyrabiano tygle i ołówki.

W 1778 r. K. Scheele, ogrzewając grafit saletrą, odkrył, że w tym przypadku, podobnie jak podczas ogrzewania węgla za pomocą saletry, uwalniany jest dwutlenek węgla. Skład chemiczny diamentu został ustalony w wyniku doświadczeń A. Lavoisiera (1772) nad spalaniem diamentu w powietrzu oraz badań S. Tennanta (1797), który dowiódł, że te same ilości diamentu i węgla dają równe ilości dwutlenku węgla podczas utleniania. Węgiel został uznany za pierwiastek chemiczny w 1789 roku przez Lavoisiera. Nazwa łacińska carboneum carbon otrzymywana z węgla.

Dystrybucja węgla w przyrodzie.Średnia zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 2,3 10 -2% masy (1 10 -2 w ultrabasic, 1 10 -2 - w zasadowej, 2 10 -2 - w średniej, 3 10 -2 - w kwaśnych skałach) . Węgiel gromadzi się w górnej części skorupy ziemskiej (biosferze): w żywej materii 18% Węgiel, drewno 50%, węgiel 80%, olej 85%, antracyt 96%. Znaczna część węgla w litosferze koncentruje się w wapieniach i dolomitach.

Ilość kopalin własnych Węgiel - 112; wyjątkowo duża liczba organicznych związków węgla - węglowodorów i ich pochodnych.

Z akumulacją węgla w skorupie ziemskiej wiąże się akumulacja wielu innych pierwiastków sorbowanych przez materię organiczną i wytrącanych w postaci nierozpuszczalnych węglanów itp. CO 2 i kwas węglowy odgrywają ważną rolę geochemiczną w skorupie ziemskiej. Podczas wulkanizmu uwalniana jest ogromna ilość CO 2 - w historii Ziemi było to główne źródło węgla dla biosfery.

W porównaniu ze średnią zawartością skorupy ziemskiej, ludzkość wydobywa węgiel z głębin (węgiel, ropa, gaz ziemny) w wyjątkowo dużych ilościach, ponieważ te skamieniałości są głównym źródłem energii.

Obieg węgla ma duże znaczenie geochemiczne.

Węgiel jest również szeroko rozpowszechniony w kosmosie; na Słońcu zajmuje 4 miejsce po wodorze, helu i tlenie.

Właściwości fizyczne węgla. Znanych jest kilka krystalicznych modyfikacji węgla: grafit, diament, karabinek, lonsdaleit i inne. Grafit - szaro-czarna, nieprzezroczysta, tłusta w dotyku, łuszcząca się, bardzo miękka masa z metalicznym połyskiem. Zbudowany z kryształów o strukturze heksagonalnej: a = 2,462Å, c = 6,701Å. W temperaturze pokojowej i przy normalnym ciśnieniu (0,1 MN/m2 lub 1 kgf/cm2) grafit jest termodynamicznie stabilny. Diament jest bardzo twardą, krystaliczną substancją. Kryształy mają sześcienną siatkę skupioną na twarzy: a = 3,560 Å. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem diament jest metastabilny. Zauważalną przemianę diamentu w grafit obserwuje się w temperaturach powyżej 1400 °C w próżni lub w atmosferze obojętnej. Przy ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze około 3700 °C grafit sublimuje. Ciekły węgiel można uzyskać przy ciśnieniu powyżej 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) i temperaturach powyżej 3700°C. Węgiel stały (koks, sadza, węgiel drzewny) charakteryzuje się również stanem o nieuporządkowanej strukturze – tzw. węglem „amorficznym”, który nie jest samodzielną modyfikacją; jego struktura oparta jest na strukturze drobnoziarnistego grafitu. Ogrzewanie niektórych odmian węgla „amorficznego” powyżej 1500-1600°C bez dostępu powietrza powoduje ich przekształcenie w grafit. Właściwości fizyczne węgla „amorficznego” bardzo silnie zależą od rozdrobnienia cząstek i obecności zanieczyszczeń. Gęstość, pojemność cieplna, przewodność cieplna i przewodność elektryczna „amorficznego” węgla są zawsze wyższe niż grafitu. Karabin pozyskiwany sztucznie. Jest to drobnokrystaliczny czarny proszek (gęstość 1,9-2 g/cm3). Jest zbudowany z długich łańcuchów atomów C ułożonych równolegle do siebie. Lonsdaleite znajduje się w meteorytach i jest pozyskiwany sztucznie.

Właściwości chemiczne węgla. Konfiguracja zewnętrznej powłoki elektronowej atomu węgla to 2s 2 2p 2 . Węgiel charakteryzuje się tworzeniem czterech wiązań kowalencyjnych w wyniku wzbudzenia zewnętrznej powłoki elektronowej do stanu 2sp3. Dlatego węgiel jest w równym stopniu zdolny zarówno do przyciągania, jak i oddawania elektronów. Wiązanie chemiczne może być realizowane dzięki orbitalom sp 3 -, sp 2 - i sp-hybrydowym, które odpowiadają liczbom koordynacyjnym 4, 3 i 2. Liczba elektronów walencyjnych węgla i liczba orbitali walencyjnych są takie same ; jest to jeden z powodów stabilności wiązania między atomami węgla.

Wyjątkowa zdolność atomów węgla do łączenia się ze sobą w celu tworzenia silnych i długich łańcuchów i cykli doprowadziła do pojawienia się ogromnej liczby różnych związków węgla badanych przez chemię organiczną.

W związkach węgiel wykazuje stopień utlenienia -4; +2; +4. Promień atomowy 0,77 ł promienie kowalencyjne 0,77 ł 0,67 ł 0,60 Ł odpowiednio w wiązaniach pojedynczych, podwójnych i potrójnych; promień jonowy C 4- 2,60 Å, C 4+ 0,20 Å. W normalnych warunkach węgiel jest chemicznie obojętny, w wysokich temperaturach łączy się z wieloma pierwiastkami, wykazując silne właściwości redukujące. Aktywność chemiczna spada w seriach: „bezpostaciowy” węgiel, grafit, diament; oddziaływanie z tlenem atmosferycznym (spalanie) zachodzi odpowiednio w temperaturach powyżej 300-500 ° C, 600-700 ° C i 850-1000 ° C z powstawaniem tlenku węgla (IV) CO 2 i tlenku węgla (II) CO.

CO 2 rozpuszcza się w wodzie tworząc kwas węglowy. W 1906 roku O. Diels otrzymał podtlenek węgla C 3 O 2 . Wszystkie formy węgla są odporne na ługi i kwasy i powoli utleniają się tylko bardzo silnymi środkami utleniającymi (mieszanina chromu, mieszanina stężonego HNO 3 i KClO 3 i inne). „Amorficzny” węgiel reaguje z fluorem w temperaturze pokojowej, grafitem i diamentem - po podgrzaniu. Bezpośrednie połączenie węgla z chlorem następuje w łuku elektrycznym; z bromem i jodem Węgiel nie reaguje, więc liczne halogenki węgla są syntetyzowane pośrednio. Spośród oksyhalogenków o wzorze ogólnym COX2 (gdzie X oznacza halogen), najbardziej znany jest chlorek COCI (fosgen). Wodór nie wchodzi w interakcje z diamentem; reaguje z grafitem i „bezpostaciowym” węglem w wysokich temperaturach w obecności katalizatorów (Ni, Pt): w 600-1000°C powstaje głównie metan CH4, w 1500-200°C - acetylen C2H2; W produktach mogą również występować inne węglowodory, na przykład C2H6etan, C6H6benzen. Oddziaływanie siarki z „bezpostaciowym” węglem i grafitem rozpoczyna się w 700-800°C, a diament w 900-1000°C; we wszystkich przypadkach tworzy się dwusiarczek węgla CS2. Inne związki węgla zawierające siarkę (tiotlenek CS, tlenek tionu C3S2, siarczek COS i tiofosgen CSCl2) otrzymuje się pośrednio. Gdy CS 2 oddziałuje z siarczkami metali, powstają tiowęglany - sole słabego kwasu tiowęglowego. Oddziaływanie węgla z azotem w celu wytworzenia cyjanku (CN) 2 występuje, gdy wyładowanie elektryczne przechodzi między elektrodami węglowymi w atmosferze azotu. Spośród zawierających azot związków węgla duże znaczenie praktyczne ma cyjanowodór HCN (kwas pruski) i jego liczne pochodne: cyjanki, halogenocyjanki, nitryle itp. W temperaturach powyżej 1000 °C węgiel oddziałuje z wieloma metalami, dając węgliki . Wszystkie formy węgla po podgrzaniu redukują tlenki metali, tworząc wolne metale (Zn, Cd, Cu, Pb i inne) lub węgliki (CaC 2 , Mo 2 C, WC, TaC i inne). Węgiel reaguje w temperaturach powyżej 600-800 °C z parą wodną i dwutlenkiem węgla (zgazowanie paliw). Charakterystyczną cechą grafitu jest zdolność, po umiarkowanym podgrzaniu do 300-400 ° C, oddziaływać z metalami alkalicznymi i halogenkami w celu utworzenia związków inkluzyjnych typu C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (gdzie X oznacza halogen , ja jestem metalem). Grafitowe związki inkluzyjne są znane z HNO 3 , H 2 SO 4 , FeCl 3 i innymi (na przykład wodorosiarczan grafitu C 24 SO 4 H 2 ). Wszystkie formy węgla są nierozpuszczalne w zwykłych rozpuszczalnikach nieorganicznych i organicznych, ale są rozpuszczalne w niektórych stopionych metalach (np. Fe, Ni, Co).

Gospodarcze znaczenie węgla determinuje fakt, że ponad 90% wszystkich pierwotnych źródeł energii zużywanych na świecie to paliwa kopalne, których dominująca rola pozostanie przez kolejne dziesięciolecia, pomimo intensywnego rozwoju energetyki jądrowej. Tylko około 10% wydobytego paliwa jest wykorzystywane jako surowiec do podstawowej syntezy organicznej i petrochemicznej, do produkcji tworzyw sztucznych i innych.

węgiel w ciele. Węgiel to najważniejszy pierwiastek biogenny stanowiący podstawę życia na Ziemi, strukturalna jednostka ogromnej liczby związków organicznych biorących udział w budowaniu organizmów i zapewniających ich aktywność życiową (biopolimery, a także liczne niskocząsteczkowe substancje biologicznie czynne - witaminy , hormony, mediatory i inne). Znaczna część energii potrzebnej organizmom powstaje w komórkach w wyniku utleniania węgla. Pojawienie się życia na Ziemi uważane jest we współczesnej nauce za złożony proces ewolucji związków węgla.

Wyjątkowa rola węgla w przyrodzie żywej wynika z jego właściwości, których w agregacie nie posiada żaden inny element układu okresowego. Pomiędzy atomami węgla, a także między węglem a innymi pierwiastkami powstają silne wiązania chemiczne, które jednak w stosunkowo łagodnych warunkach fizjologicznych mogą zostać zerwane (mogą to być wiązania pojedyncze, podwójne i potrójne). Zdolność węgla do tworzenia 4 równoważnych wiązań walencyjnych z innymi atomami węgla umożliwia budowanie szkieletów węglowych różnych typów - liniowych, rozgałęzionych, cyklicznych. Znamienne jest, że tylko trzy pierwiastki - C, O i H - stanowią 98% całkowitej masy organizmów żywych. Osiąga to pewną ekonomię w żywej przyrodzie: przy prawie nieograniczonej różnorodności strukturalnej związków węgla, niewielka liczba rodzajów wiązań chemicznych umożliwia znaczne zmniejszenie liczby enzymów niezbędnych do rozkładu i syntezy substancji organicznych. Cechy strukturalne atomu węgla leżą u podstaw różnych typów izomerii związków organicznych (zdolność do izomerii optycznej okazała się decydująca w biochemicznej ewolucji aminokwasów, węglowodanów i niektórych alkaloidów).

Zgodnie z ogólnie przyjętą hipotezą AI Oparina, pierwsze związki organiczne na Ziemi miały pochodzenie abiogenne. Metan (CH 4 ) i cyjanowodór (HCN) zawarte w pierwotnej atmosferze Ziemi służyły jako źródła węgla. Wraz z pojawieniem się życia jedynym źródłem węgla nieorganicznego, dzięki któremu powstaje cała materia organiczna biosfery, jest tlenek węgla (IV) (CO 2), który znajduje się w atmosferze, a także rozpuszcza się w naturalnych wodach w postać HCO 3 . Najpotężniejszy mechanizm asymilacji (asymilacji) węgla (w postaci CO2) - fotosynteza - jest realizowany wszędzie przez rośliny zielone (rocznie asymiluje się około 100 miliardów ton CO 2 ). Na Ziemi istnieje również bardziej starożytny ewolucyjnie sposób asymilacji CO 2 przez chemosyntezę; w tym przypadku mikroorganizmy chemosyntetyczne wykorzystują nie energię promieniowania słońca, ale energię utleniania związków nieorganicznych. Większość zwierząt spożywa węgiel wraz z pożywieniem w postaci gotowych związków organicznych. W zależności od metody asymilacji związków organicznych zwyczajowo rozróżnia się organizmy autotroficzne i organizmy heterotroficzne. Wykorzystanie mikroorganizmów do biosyntezy białka i innych składników odżywczych, przy wykorzystaniu węglowodorów olejowych jako jedynego źródła węgla, jest jednym z ważnych współczesnych problemów naukowych i technicznych.

Zawartość węgla w organizmach żywych w przeliczeniu na suchą masę wynosi: 34,5-40% dla roślin i zwierząt wodnych, 45,4-46,5% dla roślin i zwierząt lądowych oraz 54% dla bakterii. W procesie życiowej aktywności organizmów, głównie w wyniku oddychania tkankowego, następuje rozkład oksydacyjny związków organicznych z uwolnieniem CO 2 do środowiska zewnętrznego. Węgiel jest również uwalniany jako część bardziej złożonych produktów końcowych metabolizmu. Po śmierci zwierząt i roślin część węgla jest ponownie przekształcana w CO 2 w wyniku procesów rozpadu prowadzonych przez mikroorganizmy. Tak obiega węgiel w przyrodzie. Znaczna część węgla jest zmineralizowana i tworzy złoża węgla kopalnego: węgla, ropy naftowej, wapienia i innych. Oprócz głównej funkcji - źródła węgla - CO 2 rozpuszczony w naturalnych wodach i płynach biologicznych bierze udział w utrzymaniu optymalnej dla procesów życiowych kwasowości środowiska. Jako część CaCO 3, węgiel tworzy zewnętrzny szkielet wielu bezkręgowców (np. muszle mięczaków), występuje także w koralowcach, skorupkach ptasich jaj itp. Związki węgla, takie jak HCN, CO, CCl 4, które dominowały w Pierwotne ziemskie dalej, w procesie ewolucji biologicznej, zamieniły się w silne antymetabolity metabolizmu.

Oprócz stabilnych izotopów węgla, radioaktywny 14 C jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie (zawiera około 0,1 mikrocurie w ludzkim ciele). Wiele znaczących postępów w badaniach metabolizmu i obiegu węgla w przyrodzie wiąże się z wykorzystaniem izotopów węgla w badaniach biologicznych i medycznych. Tak więc za pomocą znacznika radiowęglowego udowodniono możliwość wiązania H 14 CO 3 - przez rośliny i tkanki zwierzęce, ustalono sekwencję reakcji fotosyntezy, zbadano wymianę aminokwasów, szlaki biosyntezy wielu aktywnych biologicznie związki były śledzone itp. Zastosowanie 14 C przyczyniło się do sukcesu biologii molekularnej w badaniu mechanizmów biosyntezy białek i przekazywania informacji dziedzicznych. Oznaczenie aktywności właściwej 14 C w szczątkach organicznych zawierających węgiel umożliwia ocenę ich wieku, co jest wykorzystywane w paleontologii i archeologii.

CARBON, C (a. carbon; n. Kohlenstoff; f. carbone; and. carbono), jest pierwiastkiem chemicznym grupy IV układu okresowego Mendelejewa, liczba atomowa 6, masa atomowa 12,041. Naturalny węgiel składa się z mieszaniny 2 stabilnych izotopów: 12 C (98,892%) i 13 C (1,108%). Istnieje również 6 radioaktywnych izotopów węgla, z których najważniejszym jest izotop 14 C o okresie półtrwania 5,73,10 3 lat (izotop ten powstaje stale w niewielkich ilościach w górnych warstwach atmosfery w wyniku napromieniowania 14 Jądra N z neutronami promieniowania kosmicznego).

Węgiel znany jest od czasów starożytnych. Drewno służyło do wydobywania metali z rud, a diament był używany jako. Uznanie węgla jako pierwiastka chemicznego wiąże się z nazwiskiem francuskiego chemika A. Lavoisiera (1789).

Modyfikacje i właściwości węgla

Znane są 4 krystaliczne modyfikacje węgla: grafit, diament, karbyn i lonsdaleit, które różnią się znacznie właściwościami. Carbyne to sztucznie uzyskana odmiana węgla, który jest drobnokrystalicznym czarnym proszkiem, którego struktura krystaliczna charakteryzuje się obecnością długich łańcuchów atomów węgla ułożonych równolegle do siebie. Gęstość 3230-3300 kg/m3, pojemność cieplna 11,52 J/mol.K. Lonsdaleite znajduje się w meteorytach i jest pozyskiwany sztucznie; jego struktura i właściwości fizyczne nie zostały ostatecznie ustalone. Węgiel charakteryzuje się również stanem o nieuporządkowanej strukturze – tzw. węgiel amorficzny (sadza, koks, węgiel drzewny). Właściwości fizyczne węgla „amorficznego” zależą w dużej mierze od rozdrobnienia cząstek i obecności zanieczyszczeń.

Właściwości chemiczne węgla

W związkach węgiel ma stopnie utlenienia +4 (najczęściej), +2 i +3. W normalnych warunkach węgiel jest chemicznie obojętny, w wysokich temperaturach łączy się z wieloma pierwiastkami, wykazując silne właściwości redukujące. Aktywność chemiczna węgla spada w serii „amorficzny” węgiel, grafit, diament; oddziaływanie z tlenem atmosferycznym w tych rodzajach węgla zachodzi odpowiednio w temperaturach 300-500 ° C, 600-700 ° C i 850-1000 ° C z tworzeniem dwutlenku węgla (CO 2) i tlenku (CO) węgla. Dwutlenek rozpuszcza się w wodzie tworząc kwas węglowy. Wszystkie formy węgla są odporne na zasady i kwasy. Węgiel praktycznie nie wchodzi w interakcje z halogenami (z wyjątkiem grafitu, który reaguje z F 2 powyżej 900°C), dlatego jego halogenki otrzymuje się pośrednio. Spośród związków zawierających azot duże znaczenie praktyczne ma cyjanowodór HCN (kwas cyjanowodorowy) i jego liczne pochodne. W temperaturach powyżej 1000°C węgiel oddziałuje z wieloma metalami, tworząc węgliki. Wszystkie formy węgla są nierozpuszczalne w powszechnych rozpuszczalnikach nieorganicznych i organicznych.

Najważniejszą właściwością węgla jest zdolność jego atomów do tworzenia silnych wiązań chemicznych między sobą, a także między sobą a innymi pierwiastkami. Zdolność węgla do tworzenia 4 równoważnych wiązań walencyjnych z innymi atomami węgla pozwala budować różne rodzaje szkieletów węglowych (liniowe, rozgałęzione, cykliczne); To właśnie te właściwości wyjaśniają wyjątkową rolę węgla w strukturze wszystkich związków organicznych, a w szczególności wszystkich organizmów żywych.

węgiel w naturze

Średnia zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 2,3,10% (masy); w tym przypadku większość węgla jest skoncentrowana w skałach osadowych (1%), podczas gdy w innych skałach występują znacznie niższe i mniej więcej takie same (1-3,10%) stężenia tego pierwiastka. Węgiel gromadzi się w górnej części, gdzie jego obecność związana jest głównie z materią żywą (18%), drewnem (50%), węglem (80%), ropą (85%), antracytem (96%), a także dolomitami i wapienie. Znanych jest ponad 100 minerałów węglowych, z których najczęściej występują węglany wapnia, magnezu i żelaza (kalcyt CaCO 3 , dolomit (Ca, Mg) CO 3 i syderyt FeCO 3 ). Akumulacja węgla w skorupie ziemskiej jest często związana z akumulacją innych pierwiastków pochłoniętych przez materię organiczną i osadzających się po jej zakopaniu na dnie zbiorników wodnych w postaci nierozpuszczalnych związków. Duże ilości dwutlenku CO 2 są emitowane z Ziemi do atmosfery podczas aktywności wulkanicznej oraz podczas spalania paliw kopalnych. Z atmosfery CO 2 jest pobierany przez rośliny podczas fotosyntezy i rozpuszczany w wodzie morskiej, tworząc w ten sposób najważniejsze ogniwa w ogólnym obiegu węgla na Ziemi. Węgiel odgrywa również ważną rolę w kosmosie; Na Słońcu węgiel zajmuje 4 miejsce pod względem obfitości po wodorze, helu i tlenie, biorąc udział w procesach jądrowych.

Zastosowanie i użytkowanie

Najważniejsze znaczenie węgla w gospodarce narodowej wynika z faktu, że około 90% wszystkich pierwotnych źródeł energii zużywanych przez ludzi to paliwa kopalne. Istnieje tendencja do wykorzystywania ropy naftowej nie jako paliwa, ale jako surowca dla różnych gałęzi przemysłu chemicznego. Mniejszą, ale jednak bardzo istotną rolę w gospodarce narodowej odgrywa węgiel wydobywany w postaci węglanów (hutnictwo, budownictwo, przemysł chemiczny), diamentów (biżuteria, technologia) i grafitu (technologia jądrowa, tygle żaroodporne, ołówki, niektóre rodzaje smarów itp.). Zgodnie ze specyficzną aktywnością izotopu 14 C w szczątkach pochodzenia biogenicznego określa się ich wiek (metoda datowania radiowęglowego). 14 C jest szeroko stosowany jako znacznik radioaktywny. Najpowszechniejszy izotop 12 C ma ogromne znaczenie - jedna dwunasta masy atomu tego izotopu jest traktowana jako jednostka masy atomowej pierwiastków chemicznych.

Węgiel (z łac. carbo „węgiel”) to pierwiastek chemiczny o symbolu C i liczbie atomowej 6. Cztery elektrony są dostępne do tworzenia kowalencyjnych wiązań chemicznych. Substancja jest niemetaliczna i czterowartościowa. Trzy izotopy węgla występują naturalnie, 12C i 13C są stabilne, a 14C jest rozpadającym się izotopem radioaktywnym o okresie półtrwania około 5730 lat. Węgiel jest jednym z nielicznych pierwiastków znanych od starożytności. Węgiel jest 15. najliczniej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej i czwartym najliczniej występującym pierwiastkiem we wszechświecie pod względem masy po wodorze, helu i tlenie. Obfitość węgla, wyjątkowa różnorodność jego związków organicznych i jego niezwykła zdolność do tworzenia polimerów w temperaturach powszechnie występujących na Ziemi pozwalają temu pierwiastkowi służyć jako wspólny pierwiastek dla wszystkich znanych form życia. Jest to drugi co do masy pierwiastek w organizmie człowieka (około 18,5%) po tlenie. Atomy węgla mogą wiązać się na różne sposoby, nazywając je alotropami węgla. Najbardziej znanymi alotropami są grafit, diament i węgiel amorficzny. Właściwości fizyczne węgla różnią się znacznie w zależności od formy alotropowej. Na przykład grafit jest nieprzezroczysty i czarny, a diament jest bardzo przezroczysty. Grafit jest na tyle miękki, że tworzy smugę na papierze (stąd jego nazwa, od greckiego czasownika „γράφειν” oznaczającego „pisać”), natomiast diament jest najtwardszym materiałem znanym w naturze. Grafit jest dobrym przewodnikiem elektrycznym, podczas gdy diament ma niską przewodność elektryczną. W normalnych warunkach diament, nanorurki węglowe i grafen mają najwyższą przewodność cieplną spośród wszystkich znanych materiałów. Wszystkie alotropy węgla są w normalnych warunkach ciałami stałymi, przy czym grafit jest formą najbardziej stabilną termodynamicznie. Są stabilne chemicznie i wymagają wysokich temperatur, aby reagować nawet z tlenem. Najczęstszy stopień utlenienia węgla w związkach nieorganicznych to +4 i +2 w kompleksach karboksylowych tlenku węgla i metalu przejściowego. Największymi źródłami węgla nieorganicznego są wapienie, dolomity i dwutlenek węgla, ale znaczne ilości pochodzą z organicznych złóż węgla, torfu, ropy naftowej i klatratów metanu. Węgiel tworzy ogromną liczbę związków, więcej niż jakikolwiek inny pierwiastek, z prawie dziesięcioma milionami związków opisanych do tej pory, a jednak liczba ta jest tylko ułamkiem liczby teoretycznie możliwej w standardowych warunkach. Z tego powodu węgiel jest często określany jako „król żywiołów”.

Specyfikacje

Do alotropów węgla należą grafit, jedna z najdelikatniejszych znanych substancji, oraz diament, najtwardsza substancja naturalna. Węgiel łatwo wiąże się z innymi małymi atomami, w tym innymi atomami węgla, i jest zdolny do tworzenia wielu stabilnych wiązań kowalencyjnych z odpowiednimi atomami wielowartościowymi. Wiadomo, że węgiel tworzy prawie dziesięć milionów różnych związków, zdecydowaną większość wszystkich związków chemicznych. Węgiel ma również najwyższy punkt sublimacji ze wszystkich pierwiastków. Pod ciśnieniem atmosferycznym nie ma temperatury topnienia, ponieważ jego punkt potrójny wynosi 10,8 ± 0,2 MPa i 4600 ± 300 K (~4330 ° C lub 7820 ° F), więc sublimuje przy około 3900 K. Grafit jest znacznie bardziej reaktywny niż diament pod ciśnieniem standardowe warunki, mimo że są bardziej stabilne termodynamicznie, ponieważ jego zdelokalizowany system pi jest znacznie bardziej podatny na atak. Na przykład grafit można utlenić gorącym stężonym kwasem azotowym w standardowych warunkach do kwasu melitowego C6(CO2H)6, który zachowuje heksagonalne jednostki grafitu po zniszczeniu większej struktury. Węgiel jest sublimowany w łuku węglowym, który ma temperaturę około 5800 K (5530 °C, 9980 °F). Tak więc, niezależnie od swojej postaci alotropowej, węgiel pozostaje stały w wyższych temperaturach niż najwyższe temperatury topnienia, takie jak wolfram czy ren. Chociaż węgiel jest termodynamicznie podatny na utlenianie, jest bardziej odporny na utlenianie niż pierwiastki takie jak żelazo i miedź, które są słabszymi reduktorami w temperaturze pokojowej. Węgiel jest szóstym pierwiastkiem o konfiguracji elektronowej stanu podstawowego 1s22s22p2, z którego cztery zewnętrzne elektrony są elektronami walencyjnymi. Jego cztery pierwsze energie jonizacji to 1086,5, 2352,6, 4620,5 i 6222,7 kJ/mol, znacznie wyższe niż cięższe pierwiastki z grupy 14. Elektroujemność węgla wynosi 2,5, czyli jest znacznie wyższa niż cięższych pierwiastków z grupy 14 (1,8-1,9), ale jest zbliżony do większości sąsiednich niemetali, a także do niektórych metali przejściowych z drugiego i trzeciego rzędu. Promienie kowalencyjne węgla są zwykle przyjmowane jako 77,2 µm (CC), 66,7 µm (C=C) i 60,3 µm (C≡C), chociaż mogą się one różnić w zależności od liczby koordynacyjnej i tego, z czym jest związana z węglem. Ogólnie promień kowalencyjny maleje wraz ze spadkiem liczby koordynacyjnej i wzrostem kolejności wiązania. Związki węgla stanowią podstawę wszystkich znanych form życia na Ziemi, a cykl węgiel-azot dostarcza część energii uwalnianej przez Słońce i inne gwiazdy. Chociaż węgiel tworzy niezwykłą różnorodność związków, większość form węgla jest stosunkowo niereaktywna w normalnych warunkach. W standardowych temperaturach i ciśnieniach węgiel wytrzyma wszystkie, oprócz najsilniejszych utleniaczy. Nie reaguje z kwasem siarkowym, kwasem solnym, chlorem ani zasadami. W podwyższonych temperaturach węgiel reaguje z tlenem, tworząc tlenki węgla i usuwa tlen z tlenków metali, pozostawiając metal pierwiastkowy. Ta egzotermiczna reakcja jest stosowana w przemyśle stalowym do topienia żelaza i kontrolowania zawartości węgla w stali:

Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

z siarką do dwusiarczku węgla iz parą w reakcji węgiel-gaz:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Węgiel łączy się z niektórymi metalami w wysokich temperaturach, tworząc węgliki metali, takie jak cementyt z węglika żelaza w stali i węglik wolframu, szeroko stosowany jako materiał ścierny i do wytwarzania twardych końcówek narzędzi skrawających. System alotropów węgla obejmuje szereg skrajności:

Niektóre rodzaje grafitu są używane do izolacji termicznej (takie jak bariery ogniowe i osłony termiczne), ale inne formy są dobrymi przewodnikami ciepła. Diament jest najbardziej znanym naturalnym przewodnikiem ciepła. Grafit jest nieprzezroczysty. Diament jest bardzo przezroczysty. Grafit krystalizuje w układzie heksagonalnym. Diament krystalizuje w układzie sześciennym. Węgiel amorficzny jest całkowicie izotropowy. Nanorurki węglowe należą do najbardziej znanych materiałów anizotropowych.

Alotropy węgla

Węgiel atomowy jest gatunkiem bardzo krótko żyjącym i dlatego węgiel jest stabilizowany w różnych strukturach wieloatomowych o różnych konfiguracjach molekularnych zwanych alotropami. Trzy stosunkowo dobrze znane alotropy węgla to węgiel amorficzny, grafit i diament. Wcześniej uważane za egzotyczne, fulereny są obecnie powszechnie syntetyzowane i wykorzystywane w badaniach; należą do nich kulki buckyballa, nanorurki węglowe, nanokropki węglowe i nanowłókien. Odkryto również kilka innych egzotycznych alotropów, takich jak lonsaletyt, węgiel szklisty, nanofaum węglowy i liniowy węgiel acetylenowy (karbin). Od 2009 r. grafen jest uważany za najmocniejszy materiał, jaki kiedykolwiek testowano. Proces oddzielania go od grafitu będzie wymagał dalszego rozwoju technologicznego, zanim stanie się opłacalny dla procesów przemysłowych. Jeśli się powiedzie, grafen może zostać wykorzystany do budowy wind kosmicznych. Może być również używany do bezpiecznego przechowywania wodoru do użytku w pojazdach wodorowych w pojazdach. Forma amorficzna to zbiór atomów węgla w stanie niekrystalicznym, nieregularnym, szklistym i niezawartym w makrostrukturze krystalicznej. Występuje w postaci proszku i jest głównym składnikiem substancji takich jak węgiel drzewny, sadza lampowa (sadza) i węgiel aktywny. W normalnych ciśnieniach węgiel ma postać grafitu, w którym każdy atom jest połączony trygonalnie z trzema innymi atomami w płaszczyźnie złożonej ze skondensowanych pierścieni heksagonalnych, jak w węglowodorach aromatycznych. Powstała sieć jest dwuwymiarowa, a powstałe płaskie arkusze są składane i swobodnie łączone dzięki słabym siłom van der Waalsa. Nadaje to grafitowi miękkość i właściwości rozszczepiające (płyty łatwo przesuwają się po sobie). Dzięki delokalizacji jednego z zewnętrznych elektronów każdego atomu do postaci chmury π, grafit przewodzi prąd elektryczny, ale tylko w płaszczyźnie każdego związanego kowalencyjnie arkusza. Powoduje to niższą przewodność elektryczną węgla niż w przypadku większości metali. Delokalizacja wyjaśnia również stabilność energetyczną grafitu nad diamentem w temperaturze pokojowej. Przy bardzo wysokich ciśnieniach węgiel tworzy bardziej zwarty alotrop, diament, który ma prawie dwukrotnie większą gęstość niż grafit. Tutaj każdy atom jest czworościennie połączony z czterema innymi, tworząc trójwymiarową sieć pomarszczonych sześcioczłonowych pierścieni atomów. Diament ma taką samą strukturę sześcienną jak krzem i german, a ze względu na siłę wiązań węgiel-węgiel jest najtwardszą naturalną substancją pod względem odporności na zarysowania. Wbrew powszechnemu przekonaniu, że „diamenty są wieczne”, w normalnych warunkach są niestabilne termodynamicznie i zamieniają się w grafit. Ze względu na wysoką barierę aktywacji energii przejście do formy grafitowej w normalnej temperaturze jest tak powolne, że nie jest zauważalne. W pewnych warunkach węgiel krystalizuje jako lonsaleit, heksagonalna sieć krystaliczna ze wszystkimi atomami związanymi kowalencyjnie i właściwościami podobnymi do diamentu. Fulereny to syntetyczna formacja krystaliczna o strukturze podobnej do grafitu, ale zamiast sześciokątów fulereny składają się z pięciokątów (lub nawet siedmiokątów) atomów węgla. Brakujące (lub dodatkowe) atomy deformują arkusze w kule, elipsy lub cylindry. Właściwości fulerenów (podzielonych na buckyballe, buckytubes i nanobads) nie zostały jeszcze w pełni przeanalizowane i stanowią intensywny obszar badań nad nanomateriałami. Nazwy „fullerene” i „buckyball” związane są z nazwiskiem Richarda Buckminstera Fullera, który spopularyzował kopuły geodezyjne przypominające budowę fulerenów. Buckyballs to dość duże molekuły utworzone w całości z wiązań węglowych trójkątnie, tworzące sferoidy (najsłynniejszy i najprostszy to baksinisterfellerene C60 o kształcie piłki nożnej). Nanorurki węglowe są strukturalnie podobne do piłek Buckyballa, z wyjątkiem tego, że każdy atom jest połączony trygonalnie w zakrzywionym arkuszu, który tworzy pusty cylinder. Nanobuds zostały po raz pierwszy wprowadzone na rynek w 2007 roku i są materiałami hybrydowymi (buckyballs są kowalencyjnie związane z zewnętrzną ścianką nanorurki), które łączą właściwości obu w jedną strukturę. Spośród innych odkrytych alotropów nanopianka węglowa jest alotropem ferromagnetycznym odkrytym w 1997 roku. Składa się z skupionego zespołu atomów węgla o małej gęstości połączonych razem w luźną trójwymiarową sieć, w której atomy są połączone trygonalnie w sześcio- i siedmioczłonowe pierścienie. Należy do najlżejszych ciał stałych o gęstości około 2 kg/m3. Podobnie węgiel szklisty zawiera dużą część porowatości zamkniętej, ale w przeciwieństwie do zwykłego grafitu, warstwy grafitu nie są ułożone w stos jak strony w książce, ale są ułożone bardziej losowo. Liniowy węgiel acetylenowy ma budowę chemiczną - (C:::C) n-. Węgiel w tej modyfikacji jest liniowy z hybrydyzacją orbitalną sp i jest polimerem z naprzemiennymi wiązaniami pojedynczymi i potrójnymi. Ten karabinek jest bardzo interesujący dla nanotechnologii, ponieważ jego moduł Younga jest czterdziestokrotnie większy niż w przypadku najtwardszego materiału, diamentu. W 2015 roku zespół z University of North Carolina ogłosił opracowanie innego alotropu, który nazwali Q-carbon, stworzonym przez niskotrwały, wysokoenergetyczny impuls laserowy na amorficznym pyle węglowym. Według doniesień węgiel Q wykazuje ferromagnetyzm, fluorescencję i ma wyższą twardość niż diamenty.

Rozpowszechnienie

Węgiel jest czwartym pod względem masy pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, po wodorze, helu i tlenie. Węgiel występuje obficie w Słońcu, gwiazdach, kometach i atmosferach większości planet. Niektóre meteoryty zawierają mikroskopijne diamenty, które powstały, gdy Układ Słoneczny był jeszcze dyskiem protoplanetarnym. Mikroskopijne diamenty mogą również tworzyć się pod wpływem wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury w miejscach uderzenia meteorytów. W 2014 r. NASA ogłosiła zaktualizowaną bazę danych do śledzenia wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) we wszechświecie. Ponad 20% węgla we wszechświecie może być związane z WWA, złożonymi związkami węgla i wodoru bez tlenu. Związki te pojawiają się w światowej hipotezie PAH, gdzie przypuszczalnie odgrywają rolę w abiogenezie i tworzeniu życia. Wygląda na to, że PAH powstały „kilka miliardów lat” po Wielkim Wybuchu, są szeroko rozpowszechnione we wszechświecie i są powiązane z nowymi gwiazdami i egzoplanetami. Szacuje się, że twarda skorupa ziemi zawiera łącznie 730 ppm węgla, z 2000 ppm w jądrze i 120 ppm w połączonym płaszczu i skorupie. Ponieważ masa Ziemi wynosi 5,9 x 72 x 1024 kg, oznaczałoby to 4360 milionów gigaton węgla. To znacznie więcej niż ilość węgla w oceanach czy atmosferze (poniżej). W połączeniu z tlenem zawartym w dwutlenku węgla węgiel znajduje się w atmosferze ziemskiej (około 810 gigaton węgla) i rozpuszcza się we wszystkich zbiornikach wodnych (około 36 000 gigaton węgla). W biosferze znajduje się około 1900 gigaton węgla. Węglowodory (takie jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny) również zawierają węgiel. „Rezerwy” węgla (zamiast „zasobów”) wynoszą około 900 gigaton z prawdopodobnie 18 000 Gt zasobów. Zasoby ropy naftowej wynoszą około 150 gigaton. Potwierdzone źródła gazu ziemnego to około 175 1012 metrów sześciennych (zawiera około 105 gigaton węgla), jednak badania szacują kolejne 900 1012 metrów sześciennych „niekonwencjonalnych” złóż, takich jak gaz łupkowy, który zawiera około 540 gigaton węgla. Węgiel znaleziono również w hydratach metanu w regionach polarnych i pod morzami. Według różnych szacunków ilość tego węgla wynosi 500, 2500 Gt lub 3000 Gt. W przeszłości ilość węglowodorów była większa. Według jednego ze źródeł, w latach 1751-2008 około 347 gigaton węgla zostało uwolnionych do atmosfery w postaci dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych. Inne źródło dodaje, że ilość dodana do atmosfery wynosi od 1750 do 879 Gt, a całkowita ilość w atmosferze, morzu i lądzie (np. torfowiska) wynosi prawie 2000 Gt. Węgiel jest składnikiem (12% mas.) bardzo dużych mas skał węglanowych (wapień, dolomit, marmur itp.). Węgiel zawiera bardzo dużą ilość węgla (antracyt zawiera 92-98% węgla) i jest największym komercyjnym źródłem węgla mineralnego, stanowiąc 4000 gigaton lub 80% paliw kopalnych. Jeśli chodzi o poszczególne alotropy węgla, grafit występuje w dużych ilościach w Stanach Zjednoczonych (głównie w Nowym Jorku i Teksasie), Rosji, Meksyku, Grenlandii i Indiach. Naturalne diamenty znajdują się w skalnym kimberlicie zawartym w starożytnych wulkanicznych „szyjkach” lub „rurach”. Najwięcej złóż diamentów znajduje się w Afryce, zwłaszcza w Afryce Południowej, Namibii, Botswanie, Republice Konga i Sierra Leone. Złoża diamentów znaleziono również w Arkansas, Kanadzie, rosyjskiej Arktyce, Brazylii oraz północnej i zachodniej Australii. Teraz diamenty są również odzyskiwane z dna oceanu na Przylądku Dobrej Nadziei. Diamenty występują naturalnie, ale około 30% wszystkich diamentów przemysłowych używanych w USA jest obecnie produkowanych. Węgiel-14 powstaje w górnej troposferze i stratosferze na wysokościach 9-15 km w reakcji osadzanej przez promieniowanie kosmiczne. Wytwarzane są neutrony termiczne, które zderzają się z jądrami azotu-14, tworząc węgiel-14 i proton. Tak więc 1,2 × 1010% atmosferycznego dwutlenku węgla zawiera węgiel-14. W zewnętrznych częściach pasa planetoid w naszym Układzie Słonecznym stosunkowo dominują asteroidy bogate w węgiel. Te asteroidy nie zostały jeszcze bezpośrednio zbadane przez naukowców. Asteroidy mogą być wykorzystywane w hipotetycznym kosmicznym górnictwie węgla, co może być możliwe w przyszłości, ale obecnie nie jest możliwe z technologicznego punktu widzenia.

Izotopy węgla

Izotopy węgla to jądra atomowe zawierające sześć protonów i kilka neutronów (od 2 do 16). Węgiel ma dwa stabilne, naturalnie występujące izotopy. Izotop węgla-12 (12C) tworzy 98,93% węgla na Ziemi, a węgiel-13 (13C) tworzy pozostałe 1,07%. Stężenie 12C wzrasta jeszcze bardziej w materiałach biologicznych, ponieważ reakcje biochemiczne dyskryminują 13C. W 1961 roku Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) przyjęła izotopowy węgiel-12 jako podstawę masy atomowej. Identyfikacja węgla w eksperymentach z magnetycznym rezonansem jądrowym (NMR) prowadzona jest z izotopem 13C. Węgiel-14 (14C) jest naturalnym radioizotopem powstałym w górnej atmosferze (dolna stratosfera i górna troposfera) w wyniku oddziaływania azotu z promieniowaniem kosmicznym. Występuje w śladowych ilościach na Ziemi do 1 części na bilion (0,0000000001%), głównie w atmosferze i osadach powierzchniowych, zwłaszcza w torfie i innych materiałach organicznych. Ten izotop rozpada się podczas emisji beta o energii 0,158 MeV. Ze względu na stosunkowo krótki okres półtrwania wynoszący 5730 lat, 14C praktycznie nie występuje w starożytnych skałach. W atmosferze iw organizmach żywych ilość 14C jest prawie stała, ale zmniejsza się w organizmach po śmierci. Ta zasada jest stosowana w datowaniu radiowęglowym, wynalezionym w 1949 r., które jest szeroko stosowane do starzenia materiałów zawierających węgiel do 40 000 lat. Znanych jest 15 izotopów węgla, a najkrótszy z nich to 8C, który rozpada się w wyniku emisji protonów i rozpadu alfa, a jego okres półtrwania wynosi 1,98739 × 10-21 s. Egzotyczny 19C zawiera halo jądrowe, co oznacza, że ​​jego promień jest znacznie większy niż można by oczekiwać, gdyby jądro było kulą o stałej gęstości.

Edukacja w gwiazdach

Utworzenie jądra atomowego węgla wymaga niemal jednoczesnego potrójnego zderzenia cząstek alfa (jąder helu) wewnątrz jądra gwiazdy olbrzyma lub nadolbrzyma, co jest znane jako potrójny proces alfa, ponieważ produkty dalszych reakcji syntezy jądrowej helu z wodorem lub innym jądrem helu wytwarzają odpowiednio lit-5 i beryl -8, które są bardzo niestabilne i prawie natychmiast rozpadają się z powrotem na mniejsze jądra. Dzieje się to w temperaturach przekraczających 100 megakalwinów i stężeniach helu, które są niedopuszczalne w warunkach gwałtownej ekspansji i ochładzania wczesnego Wszechświata, dlatego też podczas Wielkiego Wybuchu nie powstały znaczne ilości węgla. Zgodnie z nowoczesną teorią kosmologii fizycznej, węgiel powstaje wewnątrz gwiazd w gałęzi poziomej w wyniku zderzenia i transformacji trzech jąder helu. Kiedy te gwiazdy umierają w postaci supernowej, węgiel jest rozpraszany w przestrzeni jako pył. Pył ten staje się materiałem składowym do formowania się systemów gwiezdnych drugiej lub trzeciej generacji z akreowanymi planetami. Układ Słoneczny jest jednym z takich systemów gwiezdnych z dużą ilością węgla, co pozwala na istnienie życia, jakie znamy. Cykl CNO to dodatkowy mechanizm fuzji, który napędza gwiazdy, w których węgiel działa jak katalizator. Przejścia rotacyjne różnych form izotopowych tlenku węgla (na przykład 12CO, 13CO i 18CO) są wykrywane w zakresie fal submilimetrowych i są wykorzystywane do badania nowo tworzących się gwiazd w obłokach molekularnych.

obieg węgla

W warunkach ziemskich konwersja jednego pierwiastka w inny jest zjawiskiem bardzo rzadkim. Dlatego ilość węgla na Ziemi jest praktycznie stała. Dlatego w procesach wykorzystujących węgiel musi on być skądś pozyskiwany i usuwany gdzie indziej. Ścieżki węgla w środowisku tworzą cykl węglowy. Na przykład rośliny fotosyntetyczne pobierają dwutlenek węgla z atmosfery (lub wody morskiej) i przetwarzają go w biomasę, tak jak w cyklu Calvina, procesie wiązania węgla. Część tej biomasy jest zjadana przez zwierzęta, podczas gdy część węgla jest wydychana przez zwierzęta jako dwutlenek węgla. Cykl węglowy jest znacznie bardziej złożony niż ten krótki cykl; na przykład część dwutlenku węgla rozpuszcza się w oceanach; jeśli bakterie go nie wchłoną, martwa materia roślinna lub zwierzęca może stać się olejem lub węglem, który podczas spalania uwalnia węgiel.

Związki węgla

Węgiel może tworzyć bardzo długie łańcuchy zazębiających się wiązań węgiel-węgiel, właściwość nazywaną tworzeniem łańcucha. Wiązania węgiel-węgiel są stabilne. Poprzez katanację (tworzenie łańcuchów) węgiel tworzy niezliczoną liczbę związków. Ocena unikalnych związków pokazuje, że więcej z nich zawiera węgiel. Podobne stwierdzenie można poczynić w przypadku wodoru, ponieważ większość związków organicznych również zawiera wodór. Najprostszą formą cząsteczki organicznej jest węglowodór, duża rodzina cząsteczek organicznych, które składają się z atomów wodoru związanych z łańcuchem atomów węgla. Długość łańcucha, łańcuchy boczne i grupy funkcyjne wpływają na właściwości cząsteczek organicznych. Węgiel występuje we wszystkich znanych formach życia organicznego i jest podstawą chemii organicznej. W połączeniu z wodorem węgiel tworzy różne węglowodory, które są ważne dla przemysłu, takie jak czynniki chłodnicze, smary, rozpuszczalniki, surowce chemiczne do produkcji tworzyw sztucznych i produktów naftowych oraz paliwa kopalne. W połączeniu z tlenem i wodorem węgiel może tworzyć wiele grup ważnych związków biologicznych, w tym cukry, lignany, chityny, alkohole, tłuszcze i aromatyczne estry, karotenoidy i terpeny. Wraz z azotem węgiel tworzy alkaloidy, a z dodatkiem siarki także antybiotyki, aminokwasy i produkty gumowe. Wraz z dodatkiem fosforu do tych innych pierwiastków tworzy DNA i RNA, nośniki chemicznego kodu życia oraz adenozynotrójfosforan (ATP), najważniejszą cząsteczkę transportującą energię we wszystkich żywych komórkach.

związki nieorganiczne

Zazwyczaj związki zawierające węgiel, które są związane z minerałami lub które nie zawierają wodoru lub fluoru, traktuje się oddzielnie od klasycznych związków organicznych; ta definicja nie jest ścisła. Wśród nich są proste tlenki węgla. Najbardziej znanym tlenkiem jest dwutlenek węgla (CO2). Niegdyś główny składnik paleoatmosfery, materia ta jest dziś pomniejszym składnikiem ziemskiej atmosfery. Po rozpuszczeniu w wodzie substancja ta tworzy kwas węglowy (H2CO3), ale podobnie jak większość związków z kilkoma pojedynczymi wiązaniami tlenowymi na jednym węglu, jest niestabilna. Jednak przez ten produkt pośredni powstają jony węglanowe stabilizowane rezonansem. Niektóre ważne minerały to węglany, zwłaszcza kalcyty. Dwusiarczek węgla (CS2) jest podobny. Innym powszechnym tlenkiem jest tlenek węgla (CO). Powstaje podczas niepełnego spalania i jest gazem bezbarwnym, bezwonnym. Każda cząsteczka zawiera potrójne wiązanie i jest dość polarna, co powoduje, że stale wiąże się z cząsteczkami hemoglobiny, wypierając tlen, który ma mniejsze powinowactwo wiązania. Cyjanek (CN-) ma podobną strukturę, ale zachowuje się jak jon halogenkowy (pseudohalogen). Na przykład może tworzyć cząsteczkę azotku cyjanku (CN) 2 podobną do halogenków okrzemek. Inne niezwykłe tlenki to podtlenek węgla (C3O2), niestabilny tlenek węgla (C2O), trójtlenek węgla (CO3), pepton cyklopentan (C5O5), cykloheksanohekson (C6O6) i bezwodnik melitowy (C12O9). W przypadku metali reaktywnych, takich jak wolfram, węgiel tworzy węgliki (C4-) lub acetylidki (C2-2), tworząc stopy o wysokiej temperaturze topnienia. Te aniony są również związane z metanem i acetylenem, które są bardzo słabymi kwasami. Przy elektroujemności 2,5 węgiel preferuje tworzenie wiązań kowalencyjnych. Kilka węglików to sieci kowalencyjne, takie jak karborund (SiC), który przypomina diament. Jednak nawet najbardziej polarne i solnopodobne węgliki nie są związkami w pełni jonowymi.

Związki metaloorganiczne

Związki metaloorganiczne z definicji zawierają co najmniej jedno wiązanie węgiel-metal. Istnieje wiele takich związków; główne klasy obejmują proste związki alkilometaliczne (np. elid tetraetylowy), związki η2-alkenowe (np. sól Zeise) i związki η3-allilowe (np. dimer chlorku allilopalladu); metaloceny zawierające ligandy cyklopentadienylowe (np. ferrocen); i karbenowe kompleksy metali przejściowych. Istnieje wiele karbonylków metali (na przykład tetrakarbonyl niklu); niektórzy pracownicy uważają, że ligand tlenku węgla jest związkiem czysto nieorganicznym, a nie metaloorganicznym. Chociaż uważa się, że węgiel tworzy wyłącznie cztery wiązania, doniesiono o interesującym związku zawierającym ośmiościenny heksakoordynacyjny atom węgla. Kation tego związku to 2+. Zjawisko to tłumaczy się aurofilnością ligandów złota. W 2016 r. potwierdzono, że heksametylobenzen zawiera atom węgla z sześcioma wiązaniami zamiast zwykłych czterech.

Historia i etymologia

Angielska nazwa carbon (węgiel) pochodzi od łacińskiego carbo, co oznacza „węgiel drzewny” i „węgiel drzewny”, stąd francuskie słowo charbon, które oznacza „węgiel drzewny”. Niemieckie, holenderskie i duńskie nazwy węgla to odpowiednio Kohlenstoff, koolstof i kulstof, co dosłownie oznacza substancję węglową. Węgiel został odkryty w czasach prehistorycznych i był znany w postaci sadzy i węgla drzewnego w najwcześniejszych cywilizacjach ludzkich. Diamenty znane były prawdopodobnie już 2500 lat p.n.e. w Chinach, a węgiel w postaci węgla drzewnego był wytwarzany w czasach rzymskich przez tę samą chemię, co dzisiaj, przez ogrzewanie drewna w piramidzie pokrytej gliną, aby wykluczyć powietrze. W 1722 roku René Antoine Ferho de Réamour wykazał, że żelazo przekształca się w stal poprzez wchłanianie substancji znanej obecnie jako węgiel. W 1772 Antoine Lavoisier wykazał, że diamenty są formą węgla; kiedy spalił próbki węgla drzewnego i diamentu i stwierdził, że żadne z nich nie wytwarzają wody i że obie substancje uwalniają taką samą ilość dwutlenku węgla na gram. W 1779 r. Carl Wilhelm Scheele wykazał, że grafit, uważany za formę ołowiu, był identyczny z węglem drzewnym, ale zawierał niewielką ilość żelaza i wytwarzał „kwas powietrzny” (który jest dwutlenkiem węgla) po utlenieniu kwasem azotowym . W 1786 roku francuscy naukowcy Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge i C. A. Vandermonde potwierdzili, że grafit jest zasadniczo węglem, utleniając go w tlenie w podobny sposób jak Lavoisier z diamentem. Znów pozostało trochę żelaza, które według francuskich naukowców było niezbędne do budowy grafitu. W swojej publikacji zaproponowali nazwę carbone (łac. carbonum) dla pierwiastka w graficie, który był uwalniany jako gaz podczas spalania grafitu. Antoine Lavoisier wymienił węgiel jako pierwiastek w swoim podręczniku z 1789 roku. Nowy alotrop węgla, fuleren, odkryty w 1985 roku, obejmuje formy nanostrukturalne, takie jak buckyballs i nanorurki. Ich odkrywcy - Robert Curl, Harold Kroto i Richard Smalley - otrzymali w 1996 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Wynikające z tego ponowne zainteresowanie nowymi formami prowadzi do odkrycia dodatkowych egzotycznych alotropów, w tym węgla szklistego, oraz do uświadomienia sobie, że „węgiel amorficzny” nie jest ściśle amorficzny.

Produkcja

Grafit

Komercyjnie opłacalne złoża naturalnego grafitu występują w wielu częściach świata, ale najważniejsze ekonomicznie źródła znajdują się w Chinach, Indiach, Brazylii i Korei Północnej. Złoża grafitu mają pochodzenie metamorficzne, występują w połączeniu z kwarcem, miką i skaleniami w łupkach, gnejsach oraz przeobrażonych piaskowcach i wapieniach w postaci soczewek lub żył, czasami o grubości kilku metrów lub większej. Zapasy grafitu w Borrowdale w Cumberland w Anglii miały początkowo wystarczającą wielkość i czystość, że aż do XIX wieku ołówki wytwarzano po prostu przez piłowanie bloków naturalnego grafitu w paski przed wklejeniem pasków w drewno. Obecnie mniejsze złoża grafitu uzyskuje się poprzez kruszenie skały macierzystej i unoszenie lżejszego grafitu na wodzie. Istnieją trzy rodzaje grafitu naturalnego - amorficzny, płatkowy lub krystaliczny. Grafit amorficzny jest najniższej jakości i występuje najczęściej. W przeciwieństwie do nauki, w przemyśle „amorficzny” odnosi się raczej do bardzo małych rozmiarów kryształów niż do całkowitego braku struktury krystalicznej. Słowo „amorficzny” odnosi się do produktów o niskiej zawartości grafitu i jest to najtańszy grafit. Duże złoża amorficznego grafitu znajdują się w Chinach, Europie, Meksyku i USA. Grafit planarny jest mniej powszechny i ​​wyższej jakości niż amorficzny; wygląda jak oddzielne płyty, które krystalizują się w skałach metamorficznych. Cena grafitu ziarnistego może być czterokrotnie wyższa od ceny grafitu amorficznego. Dobrej jakości grafit płatkowy może być przetwarzany na grafit ekspandowany do wielu zastosowań, takich jak środki zmniejszające palność. Pierwotne złoża grafitu występują w Austrii, Brazylii, Kanadzie, Chinach, Niemczech i na Madagaskarze. Grafit płynny lub grudkowy to najrzadszy, najcenniejszy i najwyższej jakości rodzaj grafitu naturalnego. Znajduje się w żyłach wzdłuż natrętnych kontaktów w twardych grudkach i jest wydobywany wyłącznie komercyjnie na Sri Lance. Według USGS światowa produkcja grafitu naturalnego w 2010 roku wyniosła 1,1 miliona ton, przy czym Chiny wyprodukowały 800 000 ton, Indie 130 000 ton, Brazylia 76 000 ton, Korea Północna 30 000 ton, a Kanada 25 000 t. W Stanach Zjednoczonych nie wydobywano grafitu naturalnego. , ale w 2009 roku wydobyto 118 000 ton grafitu syntetycznego, którego koszt szacuje się na 998 milionów dolarów.

Diament

Podaż diamentów jest kontrolowana przez ograniczoną liczbę przedsiębiorstw i jest również silnie skoncentrowana w niewielkiej liczbie lokalizacji na całym świecie. Tylko bardzo mała część rudy diamentowej składa się z prawdziwych diamentów. Ruda jest kruszona, podczas której należy uważać, aby w tym procesie nie doszło do zniszczenia dużych diamentów, a następnie cząstki są sortowane według gęstości. Obecnie diamenty są wydobywane we frakcji bogatej w diamenty za pomocą fluorescencji rentgenowskiej, po czym końcowe etapy sortowania są wykonywane ręcznie. Przed rozpowszechnieniem zastosowania promieni rentgenowskich separację przeprowadzono za pomocą taśm smarujących; wiadomo, że diamenty znaleziono tylko w osadach aluwialnych w południowych Indiach. Wiadomo, że diamenty częściej przywierają do masy niż inne minerały w rudzie. Indie były liderem w produkcji diamentów od ich odkrycia około IX wieku p.n.e. do połowy XVIII wieku naszej ery, ale potencjał komercyjny tych źródeł został wyczerpany pod koniec XVIII wieku, kiedy to Indie zostały zalane przez Brazylia, gdzie pierwsze diamenty znaleziono w 1725 roku. Produkcja diamentów ze złóż pierwotnych (kimberlitów i lamproitów) rozpoczęła się dopiero w latach 70. XIX wieku, po odkryciu złóż diamentów w Afryce Południowej. Produkcja diamentów wzrosła z biegiem czasu i od tego czasu zgromadzono zaledwie 4,5 miliarda karatów. Tylko w ciągu ostatnich 5 lat wydobyto około 20% tej ilości, aw ciągu ostatnich dziesięciu rozpoczęło się wydobycie 9 nowych złóż, a kolejne 4 czekają na odkrycie. Większość tych złóż znajduje się w Kanadzie, Zimbabwe, Angoli i jedno w Rosji. W Stanach Zjednoczonych diamenty odkryto w Arkansas, Kolorado i Montanie. W 2004 r. zaskakujące odkrycie mikroskopijnego diamentu w Stanach Zjednoczonych doprowadziło do uwolnienia w styczniu 2008 r. masowych próbek rur kimberlitowych w odległej części Montany. Obecnie większość komercyjnie opłacalnych złóż diamentów znajduje się w Rosji, Botswanie, Australii i Demokratycznej Republice Konga. Według British Geological Survey, w 2005 roku Rosja wyprodukowała prawie jedną piątą światowych dostaw diamentów. W Australii najbogatsza wysadzana diamentami rura osiągnęła szczytowy poziom produkcji wynoszący 42 tony metryczne (41 ton, 46 ton amerykańskich) rocznie w latach 90. XX wieku. Istnieją również złoża komercyjne, które są aktywnie eksploatowane na Terytoriach Północno-Zachodnich Kanady, Syberii (głównie w Jakucji, na przykład w rurze Mir i Udachnaya), w Brazylii, a także w północnej i zachodniej Australii.

Aplikacje

Węgiel jest niezbędny dla wszystkich znanych żywych systemów. Bez niej życie, jakie znamy, nie może istnieć. Główne zastosowania gospodarcze węgla inne niż żywność i drewno to węglowodory, głównie paliwa kopalne, metan i ropa naftowa. Ropa naftowa jest przetwarzana przez rafinerie do produkcji benzyny, nafty i innych produktów. Celuloza to naturalnie występujący polimer zawierający węgiel, wytwarzany przez rośliny w postaci drewna, bawełny, lnu i konopi. Celuloza stosowana jest głównie do utrzymania struktury roślin. Do cennych handlowo polimerów węglowych pochodzenia zwierzęcego należą wełna, kaszmir i jedwab. Tworzywa sztuczne są wykonane z syntetycznych polimerów węglowych, często z atomami tlenu i azotu wbudowanymi w regularnych odstępach do szkieletu polimeru. Surowiec do wielu z tych syntetyków pochodzi z ropy naftowej. Zastosowanie węgla i jego związków jest niezwykle różnorodne. Węgiel może tworzyć stopy z żelazem, z których najpowszechniejszym jest stal węglowa. Grafit łączy się z glinkami tworząc „ołówek” używany w ołówkach używanych do pisania i rysowania. Jest również stosowany jako smar i pigment jako materiał do formowania w produkcji szkła, w elektrodach do suchych baterii oraz galwanizacji i galwanizacji, w szczotkach do silników elektrycznych oraz jako moderator neutronów w reaktorach jądrowych. Węgiel jest używany jako materiał do tworzenia sztuki, jako grill, do wytopu żelaza i wielu innych zastosowań. Drewno, węgiel i ropa są wykorzystywane jako paliwo do produkcji energii i do ogrzewania. Diamenty wysokiej jakości wykorzystywane są w jubilerstwie, natomiast diamenty przemysłowe wykorzystywane są do wiercenia, cięcia i polerowania narzędzi do obróbki metalu i kamienia. Tworzywa sztuczne są wytwarzane z węglowodorów kopalnych, a włókno węglowe powstałe w wyniku pirolizy syntetycznych włókien poliestrowych jest wykorzystywane do wzmacniania tworzyw sztucznych w zaawansowane, lekkie materiały kompozytowe. Włókno węglowe jest wytwarzane przez pirolizę wytłaczanych i rozciąganych włókien poliakrylonitrylu (PAN) i innych materiałów organicznych. Struktura krystaliczna i właściwości mechaniczne włókna zależą od rodzaju materiału wyjściowego i późniejszej obróbki. Włókna węglowe wykonane z PAN mają strukturę przypominającą wąskie włókna grafitu, ale obróbka cieplna może zmienić strukturę struktury w ciągły arkusz. W rezultacie włókna mają wyższą wytrzymałość właściwą na rozciąganie niż stal. Sadza jest stosowana jako czarny pigment w tuszach drukarskich, artystycznych farbach olejnych i akwarelach, kalce, wykończeniach samochodowych, tuszach i drukarkach laserowych. Sadzę stosuje się również jako wypełniacz w produktach gumowych, takich jak opony, oraz w mieszankach tworzyw sztucznych. Węgiel aktywny jest wykorzystywany jako absorbent i adsorbent w mediach filtracyjnych w tak różnych zastosowaniach, jak maski gazowe, oczyszczanie wody i okapy kuchenne oraz w medycynie do pochłaniania toksyn, trucizn lub gazów z układu pokarmowego. Węgiel jest stosowany w redukcji chemicznej w wysokich temperaturach. Koks służy do redukcji rudy żelaza w żelazie (wytapianie). Zestalenie stali osiąga się przez ogrzewanie gotowych elementów stalowych w proszku węglowym. Węgliki krzemu, wolframu, boru i tytanu należą do najtwardszych materiałów i są stosowane jako materiały ścierne do cięcia i szlifowania. Związki węgla stanowią większość materiałów używanych w odzieży, takich jak naturalne i syntetyczne tekstylia i skóra, a także prawie wszystkie powierzchnie wewnętrzne w środowiskach innych niż szkło, kamień i metal.

diamenty

Branża diamentowa dzieli się na dwie kategorie, jedna to diamenty wysokiej jakości (klejnoty), a druga to diamenty klasy przemysłowej. Chociaż handel obydwoma rodzajami diamentów jest duży, oba rynki działają zupełnie inaczej. W przeciwieństwie do metali szlachetnych, takich jak złoto czy platyna, diamenty z kamieni szlachetnych nie są sprzedawane jako towar: sprzedaż diamentów jest znaczna, a rynek odsprzedaży diamentów nie jest zbyt aktywny. Diamenty przemysłowe cenione są głównie ze względu na ich twardość i przewodność cieplną, natomiast gemmologiczne walory czystości i koloru są w dużej mierze nieistotne. Około 80% wydobywanych diamentów (równowartość około 100 milionów karatów lub 20 ton rocznie) jest bezużytecznych i używanych w przemyśle (złom diamentowy). Diamenty syntetyczne, wynalezione w latach 50., niemal natychmiast znalazły zastosowanie przemysłowe; Rocznie produkuje się 3 miliardy karatów (600 ton) diamentów syntetycznych. Dominującym przemysłowym zastosowaniem diamentu jest cięcie, wiercenie, szlifowanie i polerowanie. Większość z tych zastosowań nie wymaga dużych diamentów; w rzeczywistości większość diamentów o jakości klejnotów, z wyjątkiem małych diamentów, może być wykorzystywana w przemyśle. Diamenty są wkładane do końcówek wierteł lub brzeszczotów lub szlifowane na proszek do stosowania w szlifowaniu i polerowaniu. Specjalistyczne zastosowania obejmują zastosowanie w laboratoriach jako miejsce przechowywania eksperymentów pod wysokim ciśnieniem, łożyska o wysokiej wydajności i ograniczone zastosowanie w specjalistycznych oknach. Dzięki postępom w produkcji diamentów syntetycznych możliwe stają się nowe zastosowania. Wiele uwagi poświęcono możliwości wykorzystania diamentu jako półprzewodnika odpowiedniego dla mikrochipów oraz ze względu na jego wyjątkową przewodność cieplną jako radiatora w elektronice.

węgiel (C) jest typowym niemetalem; w układzie okresowym znajduje się w II okresie grupy IV, podgrupie głównej. Liczba porządkowa 6, Ar = 12,011 amu, ładunek jądrowy +6.

Właściwości fizyczne: węgiel tworzy wiele modyfikacji alotropowych: diament jedna z najtwardszych substancji grafit, węgiel, sadza.

Atom węgla ma 6 elektronów: 1s 2 2s 2 2p 2 . Ostatnie dwa elektrony znajdują się na oddzielnych orbitalach p i są niesparowane. W zasadzie para ta mogłaby zajmować jeden orbital, ale w tym przypadku odpychanie międzyelektronowe znacznie wzrasta. Z tego powodu jeden z nich bierze 2p x, a drugi albo 2p y , lub 2p z-orbitale.

Różnica między energiami podpoziomów s i p warstwy zewnętrznej jest niewielka, dlatego atom dość łatwo przechodzi w stan wzbudzony, w którym jeden z dwóch elektronów z orbity 2s przechodzi do wolnego 2r. Powstaje stan walencyjny o konfiguracji 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . To właśnie ten stan atomu węgla jest charakterystyczny dla sieci diamentowej - czworościenny układ przestrzenny orbitali hybrydowych, ta sama długość i energia wiązań.

Zjawisko to jest znane jako sp 3 – hybrydyzacja, a wynikowe funkcje to sp 3 -hybryda . Utworzenie czterech wiązań sp 3 zapewnia atomowi węgla bardziej stabilny stan niż trzy rr- i jeden s-s-bond. Oprócz hybrydyzacji sp 3, hybrydyzację sp 2 i sp obserwuje się również na atomie węgla . W pierwszym przypadku zachodzi wzajemne nakładanie się s- i dwa orbitale p. Powstają trzy równoważne orbitale sp 2 - hybrydowe, znajdujące się w tej samej płaszczyźnie pod kątem 120° względem siebie. Trzecia orbita p jest niezmieniona i skierowana prostopadle do płaszczyzny sp2.

W hybrydyzacji sp orbitale s i p nakładają się na siebie. Między dwoma równoważnymi utworzonymi orbitalami hybrydowymi powstaje kąt 180°, podczas gdy dwa orbitale p każdego z atomów pozostają niezmienione.

Alotropia węgla. diament i grafit

W krysztale grafitu atomy węgla znajdują się w równoległych płaszczyznach, zajmując w nich wierzchołki foremnych sześciokątów. Każdy z atomów węgla jest połączony z trzema sąsiednimi wiązaniami hybrydowymi sp2. Pomiędzy równoległymi płaszczyznami połączenie jest realizowane dzięki siłom van der Waalsa. Swobodne orbitale p każdego z atomów skierowane są prostopadle do płaszczyzn wiązań kowalencyjnych. Ich nakładanie się wyjaśnia dodatkowe wiązanie π między atomami węgla. Więc od stan wartościowości, w którym atomy węgla znajdują się w substancji, właściwości tej substancji zależą.

Właściwości chemiczne węgla

Najbardziej charakterystyczne stany utlenienia: +4, +2.

W niskich temperaturach węgiel jest obojętny, ale po podgrzaniu jego aktywność wzrasta.

Węgiel jako reduktor:

- z tlenem
C 0 + O 2 - t ° \u003d dwutlenek węgla CO 2
z brakiem tlenu - niepełne spalanie:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O tlenek węgla

- z fluorem
C + 2F 2 = CF 4

- z parą
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 gaz wodny

— z tlenkami metali. W ten sposób wytapia się metal z rudy.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2

- z kwasami - utleniaczami:
C 0 + 2H 2 SO 4 (stęż.) \u003d C + 4 O 2 + 2 SO 2 + 2 H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (stęż.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- tworzy dwusiarczek węgla z siarką:
C + 2S 2 \u003d CS 2.

Węgiel jako utleniacz:

- tworzy węgliki z niektórymi metalami

4Al + 3C 0 \u003d Al 4 C 3

Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4

- z wodorem - metanem (a także ogromną ilością związków organicznych)

C 0 + 2H 2 \u003d CH 4

- z krzemem tworzy karborund (w temperaturze 2000°C w piecu elektrycznym):

Odnajdywanie węgla w przyrodzie

Wolny węgiel występuje w postaci diamentu i grafitu. W postaci związków węgiel występuje w minerałach: kreda, marmur, wapień - CaCO 3, dolomit - MgCO 3 *CaCO 3; wodorowęglany - Mg (HCO 3) 2 i Ca (HCO 3) 2, CO 2 jest częścią powietrza; węgiel jest głównym składnikiem naturalnych związków organicznych - gazu, ropy naftowej, węgla, torfu, wchodzi w skład substancji organicznych, białek, tłuszczów, węglowodanów, aminokwasów wchodzących w skład organizmów żywych.

Nieorganiczne związki węgla

W konwencjonalnych procesach chemicznych nie powstają jony C 4+ ani C 4-: ​​w związkach węgla występują wiązania kowalencyjne o różnej polarności.

Tlenek węgla (II) WIĘC

Tlenek węgla; bezbarwny, bezwonny, słabo rozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych, trujący, temperatura wrzenia = -192°C; t kw. = -205°C.

Paragon fiskalny
1) W przemyśle (w generatorach gazu):
C + O2 = CO2

2) W laboratorium - rozkład termiczny kwasu mrówkowego lub szczawiowego w obecności H 2 SO 4 (stęż.):
HCOOH = H2O + CO

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

Właściwości chemiczne

W normalnych warunkach CO jest obojętny; po podgrzaniu - środek redukujący; tlenek nie tworzący soli.

1) z tlenem

2C +2O + O2 \u003d 2C +4O2

2) z tlenkami metali

C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O 2

3) z chlorem (w świetle)

CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (fosgen)

4) reaguje z roztopionymi alkaliami (pod ciśnieniem)

CO + NaOH = HCOONa (mrówczan sodu)

5) tworzy karbonyle z metalami przejściowymi

Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5

Tlenek węgla (IV) CO2

Dwutlenek węgla, bezbarwny, bezwonny, rozpuszczalność w wodzie - 0,9V CO 2 rozpuszcza się w 1V H 2 O (w normalnych warunkach); cięższe niż powietrze; t°pl.= -78,5°C (stały CO2 jest nazywany „suchym lodem”); nie wspiera spalania.

Paragon fiskalny

1. Rozkład termiczny soli kwasu węglowego (węglany). Wypalanie wapienia:

CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2

1. Działanie silnych kwasów na węglany i wodorowęglany:

CaCO3 + 2HCl \u003d CaCl2 + H2O + CO2

NaHCO3 + HCl \u003d NaCl + H2O + CO2

ChemicznynieruchomościWSPÓŁ2
Tlenek kwasowy: reaguje z zasadowymi tlenkami i zasadami, tworząc sole kwasu węglowego

Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3

2NaOH + CO2 \u003d Na2CO3 + H2O

NaOH + CO 2 \u003d NaHCO 3

Może wykazywać właściwości utleniające w podwyższonych temperaturach

C +4 O 2 + 2Mg - t ° \u003d 2Mg +2 O + C 0

Reakcja jakościowa

Zmętnienie wody wapiennej:

Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 3 ¯ (biały osad) + H 2 O

Znika, gdy CO 2 jest przepuszczany przez wodę wapienną przez długi czas, ponieważ. nierozpuszczalny węglan wapnia jest przekształcany w rozpuszczalny wodorowęglan:

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

kwas węglowy i jegoSól

H2CO3 — Słaby kwas, występuje tylko w roztworze wodnym:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Podwójna podstawa:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Sole kwasowe - wodorowęglany, wodorowęglany
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Średnie sole - węglany

Wszystkie właściwości kwasów są charakterystyczne.

Węglany i wodorowęglany można przekształcić w siebie:

2NaHCO 3 - t ° \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d 2NaHCO 3

Węglany metali (z wyjątkiem metali alkalicznych) dekarboksylowane po podgrzaniu z wytworzeniem tlenku:

CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2

Reakcja jakościowa- "gotowanie" pod działaniem mocnego kwasu:

Na 2 CO 3 + 2HCl \u003d 2NaCl + H 2 O + CO 2

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

Węgliki

węglik wapnia:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

Acetylen jest uwalniany, gdy węgliki cynku, kadmu, lantanu i ceru reagują z wodą:

2 LaC 2 + 6 H 2 O \u003d 2La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C i Al 4 C 3 są rozkładane przez wodę z wytworzeniem metanu:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O \u003d 4 Al (OH) 3 \u003d 3 CH 4.

W technologii stosowane są węgliki tytanu TiC, wolfram W 2 C (stopy twarde), krzem SiC (karborund - jako ścierniwo i materiał do grzałek).

cyjanki

otrzymany przez ogrzewanie sody w atmosferze amoniaku i tlenku węgla:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Kwas cyjanowodorowy HCN jest ważnym produktem przemysłu chemicznego, szeroko stosowanym w syntezie organicznej. Jego światowa produkcja sięga 200 tysięcy ton rocznie. Struktura elektronowa anionu cyjankowego jest podobna do tlenku węgla (II), takie cząstki nazywane są izoelektronicznymi:

C = O:[:C = N:]-

Cyjanki (0,1-0,2% roztwór wodny) są stosowane w wydobyciu złota:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 \u003d 2 K + 2 KOH.

Gdy roztwory cyjanku gotuje się z siarką lub gdy stopione są ciała stałe, tiocyjaniany:
KCN + S = KSCN.

Po podgrzaniu cyjanków metali o niskiej aktywności otrzymuje się cyjanek: Hg (CN) 2 \u003d Hg + (CN) 2. roztwory cyjanku są utleniane do cyjaniany:

2KCN + O2 = 2KOCN.

Kwas cyjanowy występuje w dwóch postaciach:

H-N=C=O; H-O-C = N:

W 1828 r. Friedrich Wöhler (1800–1882) otrzymał mocznik z cyjanianu amonu: NH 4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 przez odparowanie roztworu wodnego.

To wydarzenie jest zwykle postrzegane jako zwycięstwo chemii syntetycznej nad „teorią witalistyczną”.

Istnieje izomer kwasu cyjanowego - kwas piorunowy

H-O-N=C.
Jego sole (piorminian rtęci Hg(ONC) 2) są stosowane w zapalnikach udarowych.

Synteza mocznik(karbamid):

CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O. W 130 0 C i 100 atm.

Mocznik to amid kwasu węglowego, istnieje również jego „analog azotowy” – guanidyna.

Węglany

Najważniejszymi nieorganicznymi związkami węgla są sole kwasu węglowego (węglany). H 2 CO 3 jest słabym kwasem (K 1 \u003d 1,3 10 -4; K 2 \u003d 5 10 -11). Podpory buforowe węglanowe bilans dwutlenku węgla w atmosferze. Oceany mają ogromną pojemność buforową, ponieważ są systemem otwartym. Główną reakcją buforową jest równowaga podczas dysocjacji kwasu węglowego:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

Wraz ze spadkiem kwasowości następuje dodatkowa absorpcja dwutlenku węgla z atmosfery wraz z tworzeniem się kwasu:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

Wraz ze wzrostem kwasowości rozpuszczają się skały węglanowe (muszle, osady kredy i wapienia w oceanie); kompensuje to utratę jonów wodorowęglanowych:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (tv.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Węglany stałe są przekształcane w rozpuszczalne węglowodory. To właśnie ten proces chemicznego rozpuszczania nadmiaru dwutlenku węgla przeciwdziała „efektowi cieplarnianemu” – globalnemu ociepleniu na skutek pochłaniania promieniowania cieplnego Ziemi przez dwutlenek węgla. Około jedna trzecia światowej produkcji sody (węglan sodu Na 2 CO 3) jest wykorzystywana do produkcji szkła.