Berat atom karbon. Karbon - sifat kimia dan fisik. Massa atom dan molekul karbon

Institusi pendidikan kota "Sekolah menengah Nikiforovsky No. 1"

Karbon dan senyawa anorganik utamanya

Karangan

Diselesaikan oleh: siswa kelas 9B

Sidorov Alexander

Guru: Sakharova L.N.

Dmitrievka 2009

Perkenalan

Bab I. Semua tentang karbon

1.1. Karbon di alam

1.2. Modifikasi karbon alotropik

1.3. Sifat kimia karbon

1.4. Penerapan karbon

Bab II. Senyawa karbon anorganik

Kesimpulan

literatur

Perkenalan

Karbon (lat. Carboneum) C adalah unsur kimia golongan IV sistem periodik Mendeleev: nomor atom 6, massa atom 12.011(1). Mari kita perhatikan struktur atom karbon. Tingkat energi terluar atom karbon mengandung empat elektron. Mari kita gambarkan secara grafis:

Karbon telah dikenal sejak zaman dahulu, dan belum diketahui nama penemu unsur ini.

Pada akhir abad ke-17. Ilmuwan Florentine Averani dan Tardgioni mencoba menggabungkan beberapa berlian kecil menjadi satu berlian besar dan memanaskannya dengan kaca yang terbakar menggunakan sinar matahari. Berliannya menghilang, terbakar di udara. Pada tahun 1772, ahli kimia Perancis A. Lavoisier menunjukkan bahwa ketika berlian dibakar, CO 2 terbentuk. Baru pada tahun 1797 ilmuwan Inggris S. Tennant membuktikan identitas sifat grafit dan batubara. Setelah pembakaran batu bara dan intan dalam jumlah yang sama, volume karbon monoksida (IV) ternyata sama.

Keanekaragaman senyawa karbon, yang dijelaskan oleh kemampuan atom-atomnya untuk bergabung satu sama lain dan atom-atom unsur lain dengan berbagai cara, menentukan kedudukan khusus karbon di antara unsur-unsur lainnya.

BabSAYA. Semua tentang karbon

1.1. Karbon di alam

Karbon terdapat di alam, baik dalam keadaan bebas maupun dalam bentuk senyawa.

Karbon bebas terjadi dalam bentuk intan, grafit, dan karbina.

Berlian sangat langka. Berlian terbesar yang diketahui, Cullinan, ditemukan pada tahun 1905 di Afrika Selatan, memiliki berat 621,2 g dan berukuran 10x6,5x5 cm. Diamond Fund di Moskow menampung salah satu berlian terbesar dan terindah di dunia – “Orlov” (37,92 g) .

Berlian mendapatkan namanya dari bahasa Yunani. "adamas" - tak terkalahkan, tidak bisa dihancurkan. Deposit berlian paling signifikan terletak di Afrika Selatan, Brasil, dan Yakutia.

Deposit besar grafit berlokasi di Jerman, Sri Lanka, Siberia, dan Altai.

Mineral utama yang mengandung karbon adalah: magnesit MgCO 3, kalsit (kapur, batu kapur, marmer, kapur) CaCO 3, dolomit CaMg(CO 3) 2, dll.

Semua bahan bakar fosil - minyak, gas, gambut, batu bara dan batu bara coklat, serpih - dibuat berdasarkan karbon. Beberapa batubara fosil, yang mengandung hingga 99% C, memiliki komposisi yang mirip dengan karbon.

Karbon menyumbang 0,1% dari kerak bumi.

Dalam bentuk karbon monoksida (IV) CO 2, karbon masuk ke atmosfer. Sejumlah besar CO 2 terlarut dalam hidrosfer.

1.2. Modifikasi karbon alotropik

Karbon dasar membentuk tiga modifikasi alotropik: intan, grafit, karabin.

1. Intan adalah zat kristal transparan tidak berwarna yang membiaskan sinar cahaya dengan sangat kuat. Atom karbon dalam intan berada dalam keadaan hibridisasi sp3. Dalam keadaan tereksitasi, elektron valensi pada atom karbon berpasangan dan terbentuk empat elektron tidak berpasangan. Ketika ikatan kimia terbentuk, awan elektron memperoleh bentuk memanjang yang sama dan terletak di ruang angkasa sehingga sumbunya diarahkan ke simpul tetrahedron. Ketika puncak awan ini tumpang tindih dengan awan atom karbon lainnya, ikatan kovalen terjadi pada sudut 109°28", dan terbentuk kisi kristal atom yang merupakan karakteristik berlian.

Setiap atom karbon dalam berlian dikelilingi oleh empat atom karbon lainnya, yang terletak dari pusat tetrahedron ke simpul. Jarak antar atom pada tetrahedra adalah 0,154 nm. Kekuatan semua koneksi adalah sama. Dengan demikian, atom-atom dalam berlian “dikemas” dengan sangat rapat. Pada suhu 20°C, massa jenis intan adalah 3,515 g/cm 3 . Hal ini menjelaskan kekerasannya yang luar biasa. Berlian adalah konduktor listrik yang buruk.

Pada tahun 1961, Uni Soviet memulai produksi industri berlian sintetis dari grafit.

Dalam sintesis industri berlian, tekanan ribuan MPa dan suhu dari 1500 hingga 3000°C digunakan. Proses tersebut dilakukan dengan adanya katalis, yang dapat berupa beberapa logam, misalnya Ni. Sebagian besar berlian yang terbentuk adalah kristal kecil dan debu berlian.

Ketika dipanaskan tanpa akses udara di atas 1000°C, berlian berubah menjadi grafit. Pada suhu 1750°C, transformasi intan menjadi grafit terjadi dengan cepat.

Struktur berlian

2. Grafit adalah zat kristal berwarna abu-abu kehitaman dengan kilau metalik, berminyak saat disentuh, dan kekerasannya lebih rendah bahkan dibandingkan kertas.

Atom karbon dalam kristal grafit berada dalam keadaan hibridisasi sp 2: masing-masing membentuk tiga ikatan kovalen dengan atom tetangga. Sudut antara arah ikatan adalah 120°. Hasilnya adalah kotak yang terdiri dari segi enam beraturan. Jarak antara inti atom karbon yang berdekatan di dalam lapisan adalah 0,142 nm. Elektron keempat di lapisan terluar setiap atom karbon dalam grafit menempati orbital p yang tidak ikut serta dalam hibridisasi.

Awan elektron non-hibrid dari atom karbon berorientasi tegak lurus terhadap bidang lapisan dan, saling tumpang tindih, membentuk ikatan terdelokalisasi. Lapisan-lapisan yang berdekatan dalam kristal grafit terletak pada jarak 0,335 nm satu sama lain dan terhubung secara lemah satu sama lain, terutama oleh gaya van der Waals. Oleh karena itu, grafit memiliki kekuatan mekanik yang rendah dan mudah terpecah menjadi serpihan, yang sangat kuat. Ikatan antar lapisan atom karbon pada grafit sebagian bersifat logam. Hal ini menjelaskan fakta bahwa grafit menghantarkan listrik dengan baik, tetapi tidak sebaik logam.

Struktur grafit

Sifat fisik grafit sangat bervariasi arahnya - tegak lurus dan sejajar dengan lapisan atom karbon.

Ketika dipanaskan tanpa akses udara, grafit tidak mengalami perubahan apa pun hingga 3700°C. Pada suhu tertentu, ia menyublim tanpa meleleh.

Grafit buatan dihasilkan dari batubara kualitas terbaik pada suhu 3000°C dalam tungku listrik tanpa akses udara.

Grafit stabil secara termodinamika pada rentang suhu dan tekanan yang luas, sehingga diterima sebagai keadaan standar karbon. Massa jenis grafit adalah 2,265 g/cm3.

3. Carbin adalah bubuk hitam kristal halus. Dalam struktur kristalnya, atom karbon dihubungkan melalui ikatan tunggal dan rangkap tiga secara bergantian dalam rantai linier:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Zat ini pertama kali diperoleh oleh V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev di awal tahun 60an abad XX.

Selanjutnya ditunjukkan bahwa karbina dapat ada dalam berbagai bentuk dan mengandung rantai poliasetilen dan polikumulena yang atom karbonnya dihubungkan melalui ikatan rangkap:

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

Belakangan, carbyne ditemukan di alam - dalam materi meteorit.

Carbyne memiliki sifat semikonduktor; ketika terkena cahaya, konduktivitasnya meningkat pesat. Karena adanya berbagai jenis ikatan dan cara yang berbeda dalam meletakkan rantai atom karbon dalam kisi kristal, sifat fisik karbina dapat sangat bervariasi. Ketika dipanaskan tanpa akses ke udara di atas 2000°C, karabin stabil; pada suhu sekitar 2300°C, transisinya menjadi grafit diamati.

Karbon alami terdiri dari dua isotop

(98,892%) dan (1,108%). Selain itu, campuran kecil dari isotop radioaktif, yang diproduksi secara artifisial, ditemukan di atmosfer.

Sebelumnya, diyakini bahwa arang, jelaga, dan kokas memiliki komposisi yang mirip dengan karbon murni dan berbeda sifat dari intan dan grafit, yang mewakili modifikasi karbon alotropik independen (“karbon amorf”). Namun, ditemukan bahwa zat ini terdiri dari partikel kristal kecil yang atom karbonnya terikat dengan cara yang sama seperti pada grafit.

4. Batubara – grafit yang digiling halus. Ini terbentuk selama dekomposisi termal senyawa yang mengandung karbon tanpa akses udara. Sifat-sifat batubara sangat bervariasi tergantung pada bahan pembuatnya dan metode produksinya. Mereka selalu mengandung kotoran yang mempengaruhi sifat-sifatnya. Jenis batubara yang paling penting adalah kokas, arang, dan jelaga.

Kokas diproduksi dengan memanaskan batu bara tanpa akses ke udara.

Arang terbentuk ketika kayu dipanaskan tanpa akses udara.

Jelaga adalah bubuk kristal grafit yang sangat halus. Dibentuk oleh pembakaran hidrokarbon (gas alam, asetilena, terpentin, dll) dengan akses udara terbatas.

Karbon aktif adalah adsorben industri berpori yang sebagian besar terdiri dari karbon. Adsorpsi adalah penyerapan gas dan zat terlarut oleh permukaan padatan. Karbon aktif diperoleh dari bahan bakar padat (gambut, batubara coklat dan keras, antrasit), kayu dan hasil olahannya (arang, serbuk gergaji, limbah kertas), limbah industri kulit, dan bahan hewani seperti tulang. Batubara, yang memiliki kekuatan mekanik yang tinggi, dihasilkan dari tempurung kelapa dan kacang-kacangan lainnya, serta dari biji buah-buahan. Struktur batubara diwakili oleh pori-pori dengan berbagai ukuran, namun kapasitas adsorpsi dan laju adsorpsi ditentukan oleh kandungan mikropori per satuan massa atau volume butiran. Saat memproduksi karbon aktif, bahan awal pertama-tama mengalami perlakuan panas tanpa akses ke udara, akibatnya uap air dan sebagian resin dihilangkan darinya. Dalam hal ini, struktur batubara berpori besar terbentuk. Untuk mendapatkan struktur mikropori, aktivasi dilakukan melalui oksidasi dengan gas atau uap, atau dengan perlakuan dengan reagen kimia.

Karbon adalah unsur keenam dalam tabel periodik Mendeleev. Berat atomnya adalah 12.

Karbon berada pada periode kedua sistem Mendeleev dan pada kelompok keempat sistem ini.

Nomor periode menunjukkan bahwa enam elektron karbon terletak pada dua tingkat energi.

Dan nomor golongan keempat menyatakan bahwa karbon memiliki empat elektron pada tingkat energi terluarnya. Dua di antaranya berpasangan S-elektron, dan dua lainnya tidak berpasangan R-elektron.

Struktur lapisan elektron terluar atom karbon dapat dinyatakan dengan skema berikut:

Setiap sel dalam diagram ini berarti orbital elektron terpisah, panah berarti elektron yang terletak di orbital. Dua anak panah di dalam satu sel adalah dua elektron yang terletak pada orbital yang sama, tetapi spinnya berlawanan.

Ketika sebuah atom tereksitasi (ketika energi diberikan padanya), salah satu berpasangan S-elektron terisi R-orbital.

Atom karbon yang tereksitasi dapat berpartisipasi dalam pembentukan empat ikatan kovalen. Oleh karena itu, pada sebagian besar senyawanya, karbon menunjukkan valensi empat.

Jadi, senyawa organik paling sederhana, hidrokarbon metana, memiliki komposisi bab 4. Strukturnya dapat dinyatakan dengan rumus struktur atau elektronik:

Rumus elektronik menunjukkan bahwa atom karbon dalam molekul metana memiliki kulit terluar delapan elektron yang stabil, dan atom hidrogen memiliki kulit terluar dua elektron yang stabil.

Keempat ikatan karbon kovalen dalam metana (dan senyawa serupa lainnya) adalah sama dan berarah simetris dalam ruang. Atom karbon seolah-olah terletak di tengah tetrahedron (piramida segi empat beraturan), dan empat atom yang terhubung dengannya (dalam kasus metana, empat atom hidrogen) berada di puncak tetrahedron.

Sudut antara arah setiap pasangan ikatan adalah sama dan berjumlah 109 derajat 28 menit.

Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa dalam atom karbon, ketika membentuk ikatan kovalen dengan empat atom lainnya, dari satu atom S- dan tiga P-orbital sebagai hasilnya sp 3-hibridisasi menghasilkan empat hibrida yang terletak secara simetris di ruang angkasa sp 3-orbital memanjang menuju simpul tetrahedron.

Ciri-ciri sifat karbon.

Jumlah elektron pada tingkat energi terluar merupakan faktor utama yang menentukan sifat kimia suatu unsur.

Di sisi kiri tabel periodik terdapat unsur-unsur dengan tingkat elektronik terluar yang terisi rendah. Unsur golongan pertama mempunyai satu elektron pada tingkat terluar, unsur golongan kedua mempunyai dua elektron.

Unsur dari kedua kelompok tersebut adalah logam. Mereka mudah teroksidasi, mis. kehilangan elektron terluarnya dan menjadi ion positif.

Sebaliknya, di sisi kanan tabel periodik ada bukan logam (zat pengoksidasi). Dibandingkan dengan logam, mereka memiliki inti dengan jumlah proton lebih banyak. Inti yang begitu besar memberikan tarikan yang lebih kuat dari awan elektronnya.

Unsur-unsur tersebut kehilangan elektronnya dengan susah payah, tetapi mereka tidak segan-segan untuk mengikat elektron tambahan dari atom lain, yaitu. mengoksidasinya, dan pada saat yang sama berubah menjadi ion negatif.

Dengan bertambahnya nomor golongan dalam tabel periodik, sifat logam suatu unsur melemah, dan kemampuannya untuk mengoksidasi unsur lain meningkat.

Karbon termasuk dalam kelompok keempat, yaitu. tepat di tengah-tengah antara logam yang mudah melepaskan elektron, dan nonlogam yang mudah memperoleh elektron tersebut.

Untuk alasan ini karbon tidak memiliki kecenderungan yang jelas untuk menyumbangkan atau memperoleh elektron.

Rantai karbon.

Sifat luar biasa karbon, yang menentukan keragaman senyawa organik, adalah kemampuan atom-atomnya untuk berikatan dengan ikatan kovalen yang kuat satu sama lain, membentuk sirkuit karbon dengan panjang yang praktis tidak terbatas.

Selain karbon, rantai atom identik dibentuk oleh analognya dari golongan IV - silikon. Namun, rantai tersebut mengandung tidak lebih dari enam atom Si. Rantai panjang atom belerang diketahui, namun senyawa yang mengandungnya rapuh.

Valensi atom karbon yang tidak digunakan untuk ikatan timbal balik digunakan untuk penambahan atom atau gugus lain (dalam hidrokarbon - untuk penambahan hidrogen).

Jadi hidrokarbon etana ( C 2 H 6) dan propana ( dari 3 jam 8) masing-masing mengandung rantai dua dan tiga atom karbon. Strukturnya dinyatakan dengan rumus struktur dan elektronik berikut:

Diketahui senyawa yang mengandung ratusan atau lebih atom karbon dalam rantainya.

Karena orientasi ikatan karbon tetrahedral, atom-atomnya yang termasuk dalam rantai tidak terletak pada garis lurus, tetapi dalam pola zigzag. Selain itu, karena kemungkinan rotasi atom di sekitar sumbu ikatan, rantai di ruang angkasa dapat mengambil berbagai bentuk (konformasi):

Struktur rantai ini memungkinkan atom karbon terminal atau atom karbon lain yang tidak berdekatan untuk saling mendekat. Akibat terbentuknya ikatan antar atom tersebut, rantai karbon dapat menutup menjadi cincin (siklus), misalnya:

Dengan demikian, keanekaragaman senyawa organik juga ditentukan oleh fakta bahwa dengan jumlah atom karbon yang sama dalam suatu molekul, dimungkinkan adanya senyawa dengan rantai atom karbon terbuka dan terbuka, serta zat yang molekulnya mengandung siklus.

Koneksi sederhana dan banyak.

Ikatan kovalen antar atom karbon yang dibentuk oleh sepasang elektron umum disebut ikatan sederhana.

Ikatan antar atom karbon tidak dapat dilakukan oleh satu, tetapi oleh dua atau tiga pasangan elektron yang sama. Kemudian kita mendapatkan rantai dengan ikatan ganda atau rangkap tiga. Keterkaitan tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:

Senyawa paling sederhana yang mengandung banyak ikatan adalah hidrokarbon etilen(dengan ikatan rangkap) dan asetilen(dengan ikatan rangkap tiga):

Hidrokarbon dengan banyak ikatan disebut tak jenuh atau tak jenuh. Etilena dan asetilena adalah perwakilan pertama dari dua deret homolog - hidrokarbon etilen dan asetilena.

Dalam buku ini, kata “karbon” cukup sering muncul: dalam cerita tentang daun hijau dan besi, tentang plastik dan kristal, dan banyak lagi lainnya. Karbon - “melahirkan batu bara” - adalah salah satu unsur kimia yang paling menakjubkan. Sejarahnya adalah sejarah munculnya dan berkembangnya kehidupan di Bumi, karena merupakan bagian dari seluruh makhluk hidup di Bumi.

Seperti apa karbon itu?

Mari kita melakukan beberapa eksperimen. Mari kita ambil gula dan panaskan tanpa udara. Pertama-tama akan meleleh, berubah menjadi coklat, lalu berubah menjadi hitam dan berubah menjadi batu bara, melepaskan air. Jika sekarang Anda memanaskan batubara ini dengan adanya , batubara tersebut akan terbakar tanpa residu dan berubah menjadi . Oleh karena itu, gula terdiri dari batu bara dan air (omong-omong, gula disebut karbohidrat), dan batu bara “gula” tampaknya adalah karbon murni, karena karbon dioksida adalah senyawa karbon dengan oksigen. Artinya karbon berbentuk bubuk hitam lembut.

Mari kita ambil batu grafit lembut berwarna abu-abu, yang Anda kenal berkat pensil. Jika Anda memanaskannya dengan oksigen, ia juga akan terbakar tanpa residu, meskipun sedikit lebih lambat dari batu bara, dan karbon dioksida akan tetap berada di dalam perangkat tempat ia terbakar. Apakah ini berarti grafit juga merupakan karbon murni? Tentu saja, tapi bukan itu saja.

Jika berlian, batu permata transparan berkilau dan mineral paling keras, dipanaskan dalam oksigen dalam alat yang sama, ia juga akan terbakar dan berubah menjadi karbon dioksida. Jika Anda memanaskan berlian tanpa akses oksigen, berlian akan berubah menjadi grafit, dan pada tekanan dan suhu yang sangat tinggi, berlian dapat diperoleh dari grafit.

Jadi, batu bara, grafit, dan berlian adalah bentuk keberadaan yang berbeda dari unsur yang sama - karbon.

Yang lebih menakjubkan lagi adalah kemampuan karbon untuk “berpartisipasi” dalam sejumlah besar senyawa berbeda (itulah sebabnya kata “karbon” begitu sering muncul dalam buku ini).

104 unsur dalam tabel periodik membentuk lebih dari empat puluh ribu senyawa yang dipelajari. Dan lebih dari satu juta senyawa telah diketahui, yang berbahan dasar karbon!

Alasan keanekaragaman ini adalah bahwa atom karbon dapat dihubungkan satu sama lain dan dengan atom lain melalui ikatan yang kuat, membentuk ikatan kompleks dalam bentuk rantai, cincin, dan bentuk lainnya. Tidak ada unsur dalam tabel kecuali karbon yang mampu melakukan hal ini.

Ada jumlah tak terhingga bentuk yang dapat dibangun dari atom karbon, dan oleh karena itu kemungkinan senyawa pun tak terhingga banyaknya. Ini bisa berupa zat yang sangat sederhana, misalnya, gas metana yang menyala, dalam molekul yang empat atomnya terikat pada satu atom karbon, dan sangat kompleks sehingga struktur molekulnya belum terbentuk. Zat-zat tersebut antara lain

Karbon dalam tabel periodik unsur terletak pada periode kedua golongan IVA. Konfigurasi elektronik atom karbon ls 2 2s 2 2p 2 . Ketika tereksitasi, keadaan elektronik mudah dicapai di mana terdapat empat elektron tidak berpasangan di empat orbital atom terluar:

Hal ini menjelaskan mengapa karbon dalam senyawa biasanya bersifat tetravalen. Kesetaraan jumlah elektron valensi dalam atom karbon dengan jumlah orbital valensi, serta rasio unik muatan inti dan jari-jari atom, memberikannya kemampuan untuk mengikat dan melepaskan elektron dengan mudah. , bergantung pada properti mitra (Pasal 9.3.1). Akibatnya, karbon dicirikan oleh berbagai bilangan oksidasi dari -4 hingga +4 dan kemudahan hibridisasi orbital atomnya sesuai dengan jenisnya. sp 3, sp 2 Dan sp 1 selama pembentukan ikatan kimia (bagian 2.1.3):

Semua ini memberi karbon peluang untuk membentuk ikatan tunggal, rangkap dua, dan rangkap tiga tidak hanya satu sama lain, tetapi juga dengan atom unsur organogenik lainnya. Molekul yang terbentuk dalam hal ini dapat memiliki struktur linier, bercabang atau siklik.

Karena mobilitas elektron bersama -MO yang terbentuk dengan partisipasi atom karbon, mereka bergeser ke arah atom unsur yang lebih elektronegatif (efek induktif), yang mengarah pada polaritas tidak hanya ikatan ini, tetapi juga molekul sebagai a utuh. Namun, karbon, karena nilai elektronegativitas rata-rata (0E0 = 2,5), membentuk ikatan polar lemah dengan atom unsur organogenik lainnya (Tabel 12.1). Jika terdapat sistem ikatan terkonjugasi dalam molekul (Bagian 2.1.3), delokalisasi elektron bergerak (MO) dan pasangan elektron bebas terjadi dengan pemerataan kerapatan elektron dan panjang ikatan dalam sistem ini.

Dari sudut pandang reaktivitas senyawa, polarisasi ikatan memegang peranan penting (Bagian 2.1.3). Semakin besar polarisasi suatu ikatan, semakin tinggi reaktivitasnya. Ketergantungan polarisasi ikatan yang mengandung karbon pada sifatnya tercermin dalam rangkaian berikut:

Semua data yang dipertimbangkan tentang sifat-sifat ikatan yang mengandung karbon menunjukkan bahwa karbon dalam senyawa, di satu sisi, membentuk ikatan kovalen yang cukup kuat satu sama lain dan dengan organogen lain, dan di sisi lain, pasangan elektron yang sama dari ikatan ini adalah cukup labil. Akibatnya, peningkatan reaktivitas ikatan ini dan stabilisasi dapat terjadi. Ciri-ciri senyawa yang mengandung karbon inilah yang menjadikan karbon sebagai organogen nomor satu.

Sifat asam basa senyawa karbon. Karbon monoksida (4) adalah oksida asam, dan hidroksida yang bersangkutan - asam karbonat H2CO3 - adalah asam lemah. Molekul karbon monoksida(4) bersifat non-polar, sehingga sulit larut dalam air (0,03 mol/l pada 298 K). Dalam hal ini, pertama-tama hidrat CO2 H2O terbentuk dalam larutan, di mana CO2 terletak di rongga asosiasi molekul air, dan kemudian hidrat ini secara perlahan dan reversibel berubah menjadi H2CO3. Sebagian besar karbon monoksida (4) yang terlarut dalam air berbentuk hidrat.

Di dalam tubuh, dalam sel darah merah, di bawah aksi enzim karboanhidrase, keseimbangan antara CO2 hidrat H2O dan H2CO3 terbentuk dengan sangat cepat. Hal ini memungkinkan kita untuk mengabaikan keberadaan CO2 dalam bentuk hidrat di eritrosit, tetapi tidak di plasma darah, di mana tidak ada karbonat anhidrase. H2CO3 yang dihasilkan dalam kondisi fisiologis terdisosiasi menjadi anion hidrokarbonat, dan dalam lingkungan yang lebih basa menjadi anion karbonat:

Asam karbonat hanya ada dalam larutan. Ini membentuk dua rangkaian garam - hidrokarbonat (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) dan karbonat (Na2CO3, CaCO3). Hidrokarbonat lebih larut dalam air dibandingkan karbonat. Dalam larutan berair, garam asam karbonat, terutama karbonat, mudah terhidrolisis pada anion, menciptakan lingkungan basa:

Zat seperti baking soda NaHC03; kapur CaCO3, magnesia putih 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O, dihidrolisis membentuk lingkungan basa, digunakan sebagai antasida (penetral asam) untuk mengurangi peningkatan keasaman sari lambung:

Kombinasi asam karbonat dan ion bikarbonat (H2CO3, HCO3(-)) membentuk sistem buffer bikarbonat (bagian 8.5) - sistem buffer plasma darah yang bagus, yang menjamin pH darah konstan pada pH = 7,40 ± 0,05.

Kehadiran kalsium dan magnesium hidrokarbonat di perairan alami menyebabkan kesadahan sementara. Ketika air tersebut direbus, kesadahannya hilang. Hal ini terjadi karena hidrolisis anion HCO3(-), dekomposisi termal asam karbonat dan pengendapan kation kalsium dan magnesium dalam bentuk senyawa CaCO3 dan Mg(OH)2 yang tidak larut:

Terbentuknya Mg(OH)2 disebabkan oleh hidrolisis sempurna kation magnesium, yang terjadi pada kondisi tersebut karena kelarutan Mg(0H)2 lebih rendah dibandingkan dengan MgC03.

Dalam praktik medis dan biologi, selain asam karbonat, kita harus berurusan dengan asam lain yang mengandung karbon. Ini terutama berbagai macam asam organik yang berbeda, serta asam hidrosianat HCN. Dilihat dari sifat asamnya, kekuatan asam ini berbeda-beda:

Perbedaan-perbedaan ini disebabkan oleh pengaruh timbal balik atom-atom dalam molekul, sifat ikatan disosiasi, dan stabilitas anion, yaitu kemampuannya untuk mendelokalisasi muatan.

Asam hidrosianat, atau hidrogen sianida, HCN - cairan tidak berwarna dan sangat mudah menguap (T kip = 26 °C) dengan aroma almond pahit, dapat larut dengan air dalam perbandingan berapa pun. Dalam larutan air ia berperilaku sebagai asam yang sangat lemah, garamnya disebut sianida. Sianida logam alkali dan alkali tanah larut dalam air, tetapi mereka terhidrolisis pada anion, itulah sebabnya larutan berairnya berbau seperti asam hidrosianat (bau almond pahit) dan memiliki pH > 12:

Dengan paparan CO2 yang berkepanjangan di udara, sianida terurai menghasilkan asam hidrosianat:

Akibat reaksi ini, kalium sianida (kalium sianida) dan larutannya kehilangan toksisitasnya selama penyimpanan jangka panjang. Anion sianida adalah salah satu racun anorganik yang paling kuat, karena merupakan ligan aktif dan mudah membentuk senyawa kompleks yang stabil dengan enzim yang mengandung Fe 3+ dan Cu2(+) sebagai ion pengompleks (Bagian. 10.4).

Sifat redoks. Karena karbon dalam senyawa dapat menunjukkan bilangan oksidasi dari -4 hingga +4, selama reaksi karbon bebas dapat menyumbangkan dan memperoleh elektron, masing-masing bertindak sebagai zat pereduksi atau zat pengoksidasi, bergantung pada sifat reagen kedua:

Ketika zat pengoksidasi kuat berinteraksi dengan zat organik, oksidasi atom karbon senyawa ini tidak lengkap atau lengkap dapat terjadi.

Dalam kondisi oksidasi anaerobik dengan kekurangan atau kekurangan oksigen, atom karbon suatu senyawa organik, tergantung pada kandungan atom oksigen dalam senyawa tersebut dan kondisi luarnya, dapat berubah menjadi C0 2, CO, C bahkan CH 4, dan lain-lain. organogen berubah menjadi H2O, NH3 dan H2S.

Di dalam tubuh, oksidasi sempurna senyawa organik dengan oksigen dengan adanya enzim oksidase (oksidasi aerobik) dijelaskan dengan persamaan:

Dari persamaan reaksi oksidasi yang diberikan jelas bahwa dalam senyawa organik hanya atom karbon yang mengubah bilangan oksidasinya, sedangkan atom organogen lain mempertahankan bilangan oksidasinya.

Selama reaksi hidrogenasi, yaitu penambahan hidrogen (zat pereduksi) ke ikatan rangkap, atom karbon yang membentuknya mengurangi bilangan oksidasinya (bertindak sebagai zat pengoksidasi):

Reaksi substitusi organik dengan munculnya ikatan antarkarbon baru, misalnya pada reaksi Wurtz, juga merupakan reaksi redoks dimana atom karbon berperan sebagai zat pengoksidasi dan atom logam berperan sebagai zat pereduksi:

Hal serupa diamati pada reaksi pembentukan senyawa organologam:

Pada saat yang sama, dalam reaksi alkilasi dengan munculnya ikatan antarkarbon baru, peran oksidator dan pereduksi masing-masing dimainkan oleh atom karbon substrat dan reagen:

Sebagai hasil dari reaksi penambahan reagen polar ke substrat melalui ikatan interkarbon ganda, salah satu atom karbon menurunkan bilangan oksidasi, menunjukkan sifat-sifat zat pengoksidasi, dan yang lainnya meningkatkan bilangan oksidasi, bertindak sebagai a agen pereduksi:

Dalam kasus ini, terjadi reaksi oksidasi-reduksi intramolekul atom karbon substrat, yaitu proses dismutasi, di bawah pengaruh reagen yang tidak menunjukkan sifat redoks.

Reaksi khas dismutasi intramolekul senyawa organik karena atom karbonnya adalah reaksi dekarboksilasi asam amino atau asam keto, serta reaksi penataan ulang dan isomerisasi senyawa organik, yang telah dibahas pada bagian ini. 9.3. Contoh reaksi organik yang diberikan, serta reaksi dari Sekte. 9.3 secara meyakinkan menunjukkan bahwa atom karbon dalam senyawa organik dapat menjadi zat pengoksidasi dan zat pereduksi.

Atom karbon dalam suatu senyawa- zat pengoksidasi, jika sebagai akibat dari reaksi jumlah ikatannya dengan atom unsur yang kurang elektronegatif (hidrogen, logam) meningkat, karena dengan menarik elektron persekutuan dari ikatan ini ke dirinya sendiri, atom karbon yang bersangkutan menurunkan oksidasinya negara.

Atom karbon dalam suatu senyawa- zat pereduksi jika sebagai akibat dari reaksi jumlah ikatannya dengan atom unsur yang lebih elektronegatif meningkat(C, O, N, S), karena dengan mendorong elektron bersama dari ikatan ini, atom karbon tersebut meningkatkan bilangan oksidasinya.

Jadi, banyak reaksi dalam kimia organik, karena dualitas redoks atom karbon, adalah redoks. Namun, tidak seperti reaksi serupa dalam kimia anorganik, redistribusi elektron antara zat pengoksidasi dan zat pereduksi dalam senyawa organik hanya dapat disertai dengan perpindahan pasangan elektron yang sama dari ikatan kimia ke atom yang bertindak sebagai zat pengoksidasi. Dalam hal ini, hubungan ini dapat dipertahankan, tetapi dalam kasus polarisasi yang kuat, hubungan ini dapat diputus.

Sifat kompleks senyawa karbon. Atom karbon dalam senyawa tidak memiliki pasangan elektron bebas, dan oleh karena itu hanya senyawa karbon yang mengandung ikatan rangkap dengan partisipasinya yang dapat bertindak sebagai ligan. Yang paling aktif dalam proses pembentukan kompleks adalah elektron dari ikatan rangkap tiga polar karbon monoksida (2) dan anion asam hidrosianat.

Dalam molekul karbon monoksida (2), atom karbon dan oksigen membentuk ikatan satu dan satu karena saling tumpang tindih dua orbital atom 2p sesuai dengan mekanisme pertukaran. Ikatan ketiga, yaitu ikatan lain, terbentuk menurut mekanisme donor-akseptor. Akseptornya adalah orbital atom 2p bebas dari atom karbon, dan donornya adalah atom oksigen, yang menyediakan pasangan elektron bebas dari orbital 2p:

Peningkatan rasio ikatan memberikan molekul ini stabilitas dan kelembaman yang tinggi dalam kondisi normal dalam hal asam-basa (CO adalah oksida yang tidak membentuk garam) dan sifat redoks (CO adalah zat pereduksi pada T> 1000K). Pada saat yang sama, ia menjadikannya ligan aktif dalam reaksi kompleksasi dengan atom dan kation logam-d, terutama dengan besi, yang dengannya ia membentuk besi pentakarbonil, cairan beracun yang mudah menguap:

Kemampuan membentuk senyawa kompleks dengan kation logam-d menjadi penyebab toksisitas karbon monoksida (H) bagi sistem kehidupan (Bab. 10.4) karena terjadinya reaksi reversibel dengan hemoglobin dan oksihemoglobin yang mengandung kation Fe 2+, dengan terbentuknya karboksihemoglobin:

Kesetimbangan ini bergeser ke arah pembentukan karboksihemoglobin ННbСО, yang stabilitasnya 210 kali lebih besar dibandingkan oksihemoglobin ННbО2. Hal ini menyebabkan akumulasi karboksihemoglobin dalam darah dan, akibatnya, penurunan kemampuannya untuk membawa oksigen.

Anion asam hidrosianat CN- juga mengandung elektron yang mudah terpolarisasi, sehingga secara efektif membentuk kompleks dengan logam-d, termasuk logam kehidupan yang merupakan bagian dari enzim. Oleh karena itu, sianida merupakan senyawa yang sangat beracun (Bagian 10.4).

Siklus karbon di alam. Siklus karbon di alam terutama didasarkan pada reaksi oksidasi dan reduksi karbon (Gbr. 12.3).

Tumbuhan mengasimilasi (1) karbon monoksida (4) dari atmosfer dan hidrosfer. Bagian dari massa tumbuhan dikonsumsi (2) oleh manusia dan hewan. Respirasi hewan dan pembusukan sisa-sisanya (3), serta respirasi tumbuhan, pembusukan tumbuhan mati dan pembakaran kayu (4) mengembalikan CO2 ke atmosfer dan hidrosfer. Proses mineralisasi sisa-sisa tumbuhan (5) dan hewan (6) dengan terbentuknya gambut, fosil batubara, minyak, gas menyebabkan peralihan karbon menjadi sumber daya alam. Reaksi asam-basa (7) beroperasi dalam arah yang sama, terjadi antara CO2 dan berbagai batuan dengan pembentukan karbonat (sedang, asam dan basa):

Bagian siklus anorganik ini menyebabkan hilangnya CO2 di atmosfer dan hidrosfer. Aktivitas manusia dalam pembakaran dan pengolahan batu bara, minyak, gas (8), kayu bakar (4), sebaliknya, memperkaya lingkungan dengan karbon monoksida (4). Sudah lama ada keyakinan bahwa berkat fotosintesis, konsentrasi CO2 di atmosfer tetap konstan. Namun, saat ini peningkatan kandungan CO2 di atmosfer akibat aktivitas manusia tidak dikompensasi oleh penurunan alaminya. Total pelepasan CO2 ke atmosfer meningkat secara eksponensial sebesar 4-5% per tahun. Menurut perhitungan, pada tahun 2000 kandungan CO2 di atmosfer akan mencapai sekitar 0,04%, bukan 0,03% (1990).

Setelah mempertimbangkan sifat dan karakteristik senyawa yang mengandung karbon, peran utama karbon harus ditekankan kembali

Beras. 12.3. Siklus karbon masuk alam

Organogen No. 1: pertama, atom karbon membentuk kerangka molekul senyawa organik; kedua, atom karbon memainkan peran kunci dalam proses redoks, karena di antara atom-atom semua organogen, karbonlah yang paling bercirikan dualitas redoks. Untuk mengetahui lebih lanjut mengenai sifat-sifat senyawa organik, lihat modul IV “Dasar-Dasar Kimia Bioorganik”.

Karakteristik umum dan peran biologis elemen p kelompok IVA. Analog elektronik karbon adalah unsur golongan IVA: silikon Si, germanium Ge, timah Sn dan timbal Pb (lihat Tabel 1.2). Jari-jari atom unsur-unsur ini secara alami meningkat seiring dengan bertambahnya nomor atom, dan energi ionisasi serta elektronegativitasnya menurun secara alami (Bagian 1.3). Oleh karena itu, dua unsur pertama dari golongan ini: karbon dan silikon adalah tipikal non-logam, dan germanium, timah, dan timbal adalah logam, karena ciri khasnya adalah hilangnya elektron. Pada deret Ge – Sn – Pb sifat logamnya meningkat.

Dilihat dari sifat redoksnya, unsur C, Si, Ge, Sn dan Pb dalam kondisi normal cukup stabil terhadap udara dan air (logam Sn dan Pb - karena terbentuknya lapisan oksida di permukaan. ). Pada saat yang sama, senyawa timbal (4) merupakan oksidator kuat:

Sifat pengompleks merupakan ciri yang paling khas dari timbal, karena kation Pb 2+ merupakan zat pengompleks yang kuat dibandingkan dengan kation unsur p lain dari golongan IVA. Kation timbal membentuk kompleks kuat dengan bioligan.

Unsur-unsur golongan IVA sangat berbeda baik dalam kandungannya dalam tubuh maupun dalam peran biologisnya. Karbon memegang peranan penting dalam kehidupan tubuh, dimana kandungannya sekitar 20%. Kandungan unsur golongan IVA lain dalam tubuh berada pada kisaran 10 -6 -10 -3%. Pada saat yang sama, jika silikon dan germanium tidak diragukan lagi memainkan peran penting dalam kehidupan tubuh, maka timah dan terutama timbal bersifat racun. Jadi, dengan meningkatnya massa atom unsur golongan IVA, toksisitas senyawanya meningkat.

Debu yang terdiri dari partikel batubara atau silikon dioksida SiO2, bila terkena paru-paru secara sistematis, menyebabkan penyakit - pneumokoniosis. Dalam kasus debu batu bara, ini adalah antrakosis, penyakit akibat kerja para penambang. Bila debu yang mengandung Si02 terhirup maka terjadilah silikosis. Mekanisme perkembangan pneumokoniosis belum diketahui. Diasumsikan bahwa dengan kontak yang terlalu lama antara butiran pasir silikat dengan cairan biologis, asam polisilat Si02 yH2O terbentuk dalam keadaan seperti gel, yang pengendapannya di dalam sel menyebabkan kematiannya.

Efek racun timbal telah diketahui umat manusia sejak lama. Penggunaan timbal untuk membuat piring dan pipa air menyebabkan keracunan besar-besaran pada manusia. Saat ini, timbal terus menjadi salah satu polutan lingkungan utama, karena pelepasan senyawa timbal ke atmosfer mencapai lebih dari 400.000 ton setiap tahunnya. Timbal terakumulasi terutama di kerangka dalam bentuk fosfat Pb3(PO4)2 yang sulit larut, dan ketika tulang mengalami demineralisasi, ia mempunyai efek toksik yang teratur pada tubuh. Oleh karena itu, timbal tergolong racun kumulatif. Toksisitas senyawa timbal terutama disebabkan oleh sifat pengompleksannya dan afinitasnya yang tinggi terhadap bioligan, terutama yang mengandung gugus sulfhidril (-SH):

Pembentukan senyawa kompleks ion timbal dengan protein, fosfolipid dan nukleotida menyebabkan denaturasinya. Seringkali ion timbal menghambat metaloenzim EM 2+, menggantikan kation logam kehidupan darinya:

Timbal dan senyawanya merupakan racun yang bekerja terutama pada sistem saraf, pembuluh darah, dan darah. Pada saat yang sama, senyawa timbal mempengaruhi sintesis protein, keseimbangan energi sel dan peralatan genetiknya.

Dalam pengobatan, antiseptik eksternal berikut digunakan sebagai astringen: timbal asetat Pb(CH3COO)2 ZH2O (lotion timbal) dan timbal(2) oksida PbO (plester timbal). Ion timbal dari senyawa ini bereaksi dengan protein (albumin) di sitoplasma sel dan jaringan mikroba, membentuk albuminat seperti gel. Pembentukan gel membunuh mikroba dan, terlebih lagi, mempersulit penetrasi mereka ke dalam sel jaringan, sehingga mengurangi respons inflamasi lokal.

Salah satu unsur paling menakjubkan yang mampu membentuk berbagai macam senyawa organik dan anorganik adalah karbon. Ini adalah unsur dengan sifat yang tidak biasa sehingga Mendeleev meramalkan masa depan yang cerah, berbicara tentang ciri-ciri yang belum terungkap.

Belakangan hal ini secara praktis dikonfirmasi. Diketahui bahwa ini adalah elemen biogenik utama planet kita, yang merupakan bagian dari semua makhluk hidup. Selain itu, ia mampu eksis dalam bentuk yang berbeda secara radikal dalam segala hal, namun pada saat yang sama hanya terdiri dari atom karbon.

Secara umum, struktur ini memiliki banyak fitur, dan kami akan mencoba memahaminya sepanjang artikel.

Karbon: rumus dan kedudukannya dalam sistem unsur

Dalam tabel periodik, unsur karbon terletak pada golongan IV (menurut model baru di 14), subkelompok utama. Nomor atomnya 6 dan berat atomnya 12,011. Penunjukan suatu unsur dengan tanda C menunjukkan namanya dalam bahasa Latin - carboneum. Ada beberapa bentuk karbon yang berbeda. Oleh karena itu rumusnya bervariasi dan bergantung pada modifikasi spesifiknya.

Namun tentunya ada notasi khusus untuk penulisan persamaan reaksi. Secara umum, jika berbicara tentang suatu zat dalam bentuknya yang murni, rumus molekul karbon C diterima, tanpa indeksasi.

Sejarah penemuan unsur

Unsur ini sendiri sudah dikenal sejak zaman dahulu kala. Bagaimanapun, salah satu mineral terpenting di alam adalah batu bara. Oleh karena itu, hal ini bukanlah rahasia bagi orang Yunani kuno, Romawi, dan bangsa lain.

Selain variasi ini, berlian dan grafit juga digunakan. Untuk waktu yang lama terdapat banyak situasi yang membingungkan dengan grafit, karena senyawa seperti grafit sering disalahartikan sebagai grafit tanpa analisis komposisinya:

• timah perak;
• besi karbida;
• Molibdenum sulfida.

Semuanya dicat hitam dan karena itu dianggap grafit. Belakangan kesalahpahaman ini diklarifikasi, dan bentuk karbon ini menjadi dirinya sendiri.

Sejak tahun 1725, berlian menjadi sangat penting secara komersial, dan pada tahun 1970 teknologi untuk memproduksinya secara artifisial telah dikuasai. Sejak 1779, berkat karya Karl Scheele, sifat kimia yang ditunjukkan karbon telah dipelajari. Hal ini menjadi awal dari sejumlah penemuan penting di bidang elemen ini dan menjadi dasar untuk menjelaskan semua fitur uniknya.

Isotop karbon dan sebarannya di alam

Meskipun unsur yang dimaksud adalah salah satu unsur biogenik terpenting, kandungan totalnya dalam massa kerak bumi adalah 0,15%. Hal ini terjadi karena ia tunduk pada sirkulasi yang konstan, siklus alam yang alami.

Secara umum kita dapat menyebutkan beberapa senyawa mineral yang mengandung karbon. Ini adalah ras alami seperti:

• dolomit dan batugamping;
• antrasit;
• serpih minyak;
• gas alam;
• batu bara;
• minyak;
• batubara coklat;
• gambut;
• aspal.

Selain itu, kita tidak boleh melupakan makhluk hidup, yang hanyalah gudang senyawa karbon. Bagaimanapun, ia membentuk protein, lemak, karbohidrat, asam nukleat, dan karenanya merupakan molekul struktural yang paling penting. Secara umum, dari 70 kg massa tubuh kering, 15 diantaranya merupakan unsur murni. Demikian pula halnya dengan setiap orang, tidak terkecuali hewan, tumbuhan, dan makhluk lainnya.

Jika kita memperhatikan air, yaitu hidrosfer secara keseluruhan dan atmosfer, maka terdapat campuran karbon dan oksigen, yang dinyatakan dengan rumus CO 2. Dioksida atau karbon dioksida adalah salah satu gas utama penyusun udara. Dalam bentuk inilah fraksi massa karbon adalah 0,046%. Bahkan lebih banyak karbon dioksida yang terlarut di perairan Samudra Dunia.

Massa atom karbon sebagai suatu unsur adalah 12,011. Diketahui bahwa nilai ini dihitung sebagai rata-rata aritmatika antara berat atom semua varietas isotop yang ada di alam, dengan mempertimbangkan kelimpahannya (dalam persentase). Hal ini terjadi dengan substansi yang dimaksud. Ada tiga isotop utama tempat terjadinya karbon. Ini:

• 12 C - fraksi massanya sebagian besar adalah 98,93%;
• 13C - 1,07%;
• 14 C - radioaktif, waktu paruh 5700 tahun, pemancar beta stabil.

Dalam praktek penentuan umur geokronologis suatu sampel, isotop radioaktif 14 C banyak digunakan, yang merupakan indikator karena masa peluruhannya yang lama.

Modifikasi unsur alotropik

Karbon adalah suatu unsur yang, sebagai zat sederhana, terdapat dalam beberapa bentuk. Artinya, ia mampu membentuk modifikasi alotropik dalam jumlah terbesar yang diketahui saat ini.

1. Variasi kristal - ada dalam bentuk struktur kuat dengan kisi tipe atom biasa. Kelompok ini mencakup varietas seperti:

• berlian;
• fullerene;
• grafit;
• karabin;
• penduduk London;
• dan tabung.

Mereka semua memiliki kisi yang berbeda, di titik simpulnya terdapat atom karbon. Oleh karena itu sifat-sifatnya yang benar-benar unik dan berbeda, baik fisik maupun kimia.

2. Bentuk amorf - dibentuk oleh atom karbon, yang merupakan bagian dari beberapa senyawa alami. Artinya, ini bukan varietas murni, tetapi dengan campuran unsur lain dalam jumlah kecil. Kelompok ini meliputi:

• Karbon aktif;
• batu dan kayu;
• jelaga;
• karbon nanofoam;
• antrasit;
• karbon seperti kaca;
• variasi teknis suatu zat.

Mereka juga disatukan oleh ciri struktural kisi kristal, yang menjelaskan dan menunjukkan sifat.

3. Senyawa karbon berbentuk gugus. Ini adalah struktur di mana atom-atom terkunci dalam konformasi khusus yang berlubang dari dalam, berisi air atau inti unsur lainnya. Contoh:

• nanokon karbon;
• astralen;
• dikarbon.

Sifat fisik karbon amorf

Karena banyaknya variasi modifikasi alotropik, sulit untuk mengidentifikasi sifat fisik umum karbon. Lebih mudah membicarakan bentuk tertentu. Misalnya, karbon amorf memiliki ciri-ciri sebagai berikut.

1. Semua bentuk didasarkan pada jenis grafit kristal halus.
2. Kapasitas panas tinggi.
3. Sifat konduktif yang baik.
4. Kepadatan karbon sekitar 2 g/cm3.
5. Ketika dipanaskan di atas 1600 0 C, terjadi transisi ke bentuk grafit.

Varietas jelaga dan batu banyak digunakan untuk tujuan teknis. Mereka bukan merupakan manifestasi dari modifikasi karbon dalam bentuk murni, tetapi mengandungnya dalam jumlah yang sangat besar.

Karbon kristal

Ada beberapa pilihan dimana karbon merupakan zat yang membentuk kristal beraturan dari berbagai jenis, dimana atom-atomnya dihubungkan secara seri. Hasilnya, modifikasi berikut terbentuk.

1. - kubik, di mana empat tetrahedron terhubung. Akibatnya, semua ikatan kimia kovalen setiap atom menjadi jenuh dan sekuat mungkin. Hal ini menjelaskan sifat fisik: kepadatan karbon 3300 kg/m3. Kekerasan tinggi, kapasitas panas rendah, konduktivitas listrik rendah - semua ini adalah akibat dari struktur kisi kristal. Ada berlian yang diproduksi secara teknis. Mereka terbentuk selama transisi grafit ke modifikasi berikutnya di bawah pengaruh suhu tinggi dan tekanan tertentu. Secara umum, kekuatannya setinggi - sekitar 3500 0 C.
2. Grafit. Atom-atomnya tersusun mirip dengan struktur zat sebelumnya, namun hanya tiga ikatan yang jenuh, dan ikatan keempat menjadi lebih panjang dan kurang kuat; ia menghubungkan “lapisan” cincin kisi heksagonal. Hasilnya, ternyata grafit merupakan zat berwarna hitam yang lembut dan berminyak jika disentuh. Ia memiliki konduktivitas listrik yang baik dan memiliki titik leleh yang tinggi - 3525 0 C. Mampu melakukan sublimasi - sublimasi dari padat ke gas, melewati cairan (pada suhu 3700 0 C). Massa jenis karbon adalah 2,26 g/cm3, jauh lebih rendah dibandingkan berlian. Ini menjelaskan perbedaan sifat mereka. Karena struktur kisi kristal yang berlapis, grafit dapat digunakan untuk membuat ujung pensil. Saat dilewatkan di atas kertas, sisiknya terkelupas dan meninggalkan bekas hitam di kertas.
3. Fullerene. Mereka baru ditemukan pada tahun 80-an abad terakhir. Mereka adalah modifikasi di mana karbon dihubungkan satu sama lain menjadi struktur tertutup cembung khusus dengan rongga di tengahnya. Selain itu, bentuk kristalnya adalah polihedron, dengan susunan teratur. Jumlah atomnya genap. Bentuk paling terkenal dari fullerene C 60. Sampel zat serupa ditemukan selama penelitian:

• meteorit;
• sedimen dasar;
• orang folgur;
• orang shung;
• luar angkasa, di mana mereka terkandung dalam bentuk gas.

Semua jenis karbon kristal sangat penting secara praktis karena memiliki sejumlah sifat yang berguna dalam teknologi.

Aktivitas kimia

Karbon molekuler menunjukkan reaktivitas kimia yang rendah karena konfigurasinya yang stabil. Ia dapat dipaksa untuk bereaksi hanya dengan memberikan energi tambahan pada atom dan memaksa elektron pada tingkat terluar menguap. Pada titik ini valensinya menjadi 4. Oleh karena itu, dalam senyawa ia mempunyai bilangan oksidasi + 2, + 4, - 4.

Hampir semua reaksi dengan zat sederhana, baik logam maupun nonlogam, terjadi di bawah pengaruh suhu tinggi. Unsur yang dimaksud dapat berupa zat pengoksidasi atau zat pereduksi. Namun, sifat-sifat terakhir ini sangat menonjol di dalamnya, dan inilah yang menjadi dasar penggunaannya dalam industri metalurgi dan lainnya.

Secara umum, kemampuan untuk melakukan interaksi kimia bergantung pada tiga faktor:

• dispersi karbon;
• modifikasi alotropik;
• suhu reaksi.

Jadi, dalam beberapa kasus, terjadi interaksi dengan zat berikut:

• non-logam (hidrogen, oksigen);
• logam (aluminium, besi, kalsium dan lain-lain);
• oksida logam dan garamnya.

Tidak bereaksi dengan asam dan basa, sangat jarang dengan halogen. Sifat karbon yang paling penting adalah kemampuannya untuk membentuk rantai panjang satu sama lain. Mereka dapat menutup dalam satu siklus dan membentuk cabang. Dari sinilah terjadi pembentukan senyawa organik yang saat ini jumlahnya mencapai jutaan. Senyawa ini didasarkan pada dua unsur - karbon dan hidrogen. Komposisinya juga dapat mencakup atom lain: oksigen, nitrogen, belerang, halogen, fosfor, logam dan lain-lain.

Koneksi dasar dan karakteristiknya

Ada banyak senyawa berbeda yang mengandung karbon. Rumusnya yang paling terkenal adalah CO 2 - karbon dioksida. Namun selain oksida ini, terdapat juga CO - monoksida atau karbon monoksida, serta suboksida C 3 O 2.

Di antara garam yang mengandung unsur ini, yang paling umum adalah kalsium dan magnesium karbonat. Jadi, kalsium karbonat memiliki beberapa sinonim dalam namanya, karena terjadi di alam dalam bentuk:

• kapur;
• marmer;
• batu gamping;
• dolomit

Pentingnya karbonat logam alkali tanah diwujudkan dalam kenyataan bahwa mereka berperan aktif dalam pembentukan stalaktit dan stalagmit, serta air tanah.

Asam karbonat adalah senyawa lain yang membentuk karbon. Rumusnya adalah H 2 CO 3. Namun, dalam bentuknya yang biasa, ia sangat tidak stabil dan segera terurai dalam larutan menjadi karbon dioksida dan air. Oleh karena itu, hanya garamnya yang diketahui, dan bukan dirinya sendiri sebagai larutan.

Karbon halida diperoleh terutama secara tidak langsung, karena sintesis langsung hanya terjadi pada suhu yang sangat tinggi dan hasil produk yang rendah. Salah satu yang paling umum adalah CCL 4 - karbon tetraklorida. Senyawa beracun yang dapat menyebabkan keracunan jika terhirup. Diperoleh melalui reaksi substitusi fotokimia radikal dalam metana.

Karbida logam adalah senyawa karbon yang menunjukkan bilangan oksidasi 4. Mungkin juga terdapat kombinasi dengan boron dan silikon. Sifat utama karbida dari beberapa logam (aluminium, tungsten, titanium, niobium, tantalum, hafnium) adalah kekuatan tinggi dan konduktivitas listrik yang sangat baik. Boron karbida B 4 C adalah salah satu zat yang paling keras setelah intan (9,5 menurut Mohs). Senyawa ini digunakan dalam teknologi, serta industri kimia, sebagai sumber hidrokarbon (kalsium karbida dengan air mengarah pada pembentukan asetilena dan kalsium hidroksida).

Banyak paduan logam dibuat menggunakan karbon, sehingga meningkatkan kualitas dan karakteristik teknisnya secara signifikan (baja adalah paduan besi dan karbon).

Banyak senyawa karbon organik yang perlu mendapat perhatian khusus, karena merupakan unsur fundamental yang mampu bergabung dengan atom yang sama untuk membentuk rantai panjang dengan berbagai struktur. Ini termasuk:

• alkana;
• alkena;
• arena;
• protein;
• karbohidrat;
• asam nukleat;
• alkohol;
• asam karboksilat dan banyak kelas zat lainnya.

Penerapan karbon

Pentingnya senyawa karbon dan modifikasi alotropiknya dalam kehidupan manusia sangat besar. Anda dapat menyebutkan beberapa industri paling global untuk memperjelas bahwa hal ini memang benar adanya.

1. Unsur ini membentuk semua jenis bahan bakar organik yang menjadi sumber energi manusia.
2. Industri metalurgi menggunakan karbon sebagai zat pereduksi yang kuat untuk memperoleh logam dari senyawanya. Karbonat juga banyak digunakan di sini.
3. Konstruksi dan industri kimia mengonsumsi senyawa karbon dalam jumlah besar untuk mensintesis zat baru dan menghasilkan produk yang diperlukan.

Anda juga dapat menyebutkan sektor-sektor ekonomi seperti:

• industri nuklir;
• pembuatan perhiasan;
• peralatan teknis (pelumas, cawan lebur tahan panas, pensil, dll);
• penentuan umur geologi batuan - indikator radioaktif 14 C;
• Karbon adalah adsorben yang sangat baik sehingga dapat digunakan untuk pembuatan filter.

Siklus di alam

Massa karbon yang terdapat di alam termasuk dalam siklus konstan, yang secara siklis terjadi setiap detik di seluruh dunia. Dengan demikian, sumber karbon di atmosfer, CO 2, diserap oleh tumbuhan dan dilepaskan oleh semua makhluk hidup selama respirasi. Begitu memasuki atmosfer, ia diserap kembali, sehingga siklus terus berlanjut. Dalam hal ini, kematian sisa-sisa organik menyebabkan pelepasan karbon dan akumulasinya di dalam tanah, kemudian diserap kembali oleh organisme hidup dan dilepaskan ke atmosfer dalam bentuk gas.