Peso atomico del carbonio. Carbonio - proprietà chimiche e fisiche. Massa atomica e molecolare del carbonio

Istituto scolastico municipale "Scuola secondaria Nikiforovskaya n. 1"

Carbonio e suoi principali composti inorganici

Saggio

Completato da: studente del grado 9B

Sidorov Alexander

Insegnante: Sakharova L.N.

Dmitrievka 2009

introduzione

Capitolo I. Tutto sul carbonio

1.1. Carbonio in natura

1.2. Modifiche allotropiche del carbonio

1.3. Proprietà chimiche del carbonio

1.4. Applicazione del carbonio

Capitolo II. Composti inorganici del carbonio

Conclusione

Letteratura

introduzione

Il carbonio (lat. Carboneum) C è un elemento chimico del gruppo IV del sistema periodico di Mendeleev: numero atomico 6, massa atomica 12.011(1). Consideriamo la struttura dell'atomo di carbonio. Il livello energetico esterno dell'atomo di carbonio contiene quattro elettroni. Rappresentiamolo graficamente:

Il carbonio è noto fin dall'antichità e il nome dello scopritore di questo elemento è sconosciuto.

Alla fine del XVII secolo. Gli scienziati fiorentini Averani e Tardgioni tentarono di fondere diversi piccoli diamanti in uno grande e di riscaldarli con un vetro ardente sfruttando la luce del sole. I diamanti scomparvero, bruciando nell'aria. Nel 1772, il chimico francese A. Lavoisier dimostrò che quando i diamanti bruciano, si forma CO 2. Solo nel 1797 lo scienziato inglese S. Tennant dimostrò l'identità della natura della grafite e del carbone. Dopo aver bruciato quantità uguali di carbone e diamante, i volumi di monossido di carbonio (IV) risultarono essere gli stessi.

La varietà dei composti del carbonio, spiegata dalla capacità dei suoi atomi di combinarsi tra loro e con gli atomi di altri elementi in vari modi, determina la posizione speciale del carbonio tra gli altri elementi.

CapitoloIO. Tutto sul carbonio

1.1. Carbonio in natura

Il carbonio si trova in natura, sia allo stato libero che sotto forma di composti.

Il carbonio libero si presenta sotto forma di diamante, grafite e carbina.

I diamanti sono molto rari. Il più grande diamante conosciuto, il Cullinan, fu trovato nel 1905 in Sud Africa, pesava 621,2 g e misurava 10x6,5x5 cm. Il Fondo dei Diamanti di Mosca ospita uno dei diamanti più grandi e belli del mondo: "Orlov" (37,92 g). .

Il diamante prende il nome dal greco. "adamas" - invincibile, indistruttibile. I giacimenti di diamanti più significativi si trovano in Sud Africa, Brasile e Yakutia.

Grandi giacimenti di grafite si trovano in Germania, Sri Lanka, Siberia e Altai.

I principali minerali contenenti carbonio sono: magnesite MgCO 3, calcite (sparato di calce, calcare, marmo, gesso) CaCO 3, dolomite CaMg(CO 3) 2, ecc.

Tutti i combustibili fossili – petrolio, gas, torba, carbone e lignite, scisto – sono costruiti sulla base del carbonio. Alcuni carboni fossili, contenenti fino al 99% di C, hanno una composizione simile al carbonio.

Il carbonio rappresenta lo 0,1% della crosta terrestre.

Sotto forma di monossido di carbonio (IV) CO 2, il carbonio entra nell'atmosfera. Una grande quantità di CO 2 è disciolta nell'idrosfera.

1.2. Modifiche allotropiche del carbonio

Il carbonio elementare forma tre modifiche allotropiche: diamante, grafite, carabina.

1. Il diamante è una sostanza cristallina incolore e trasparente che rifrange i raggi luminosi in modo estremamente forte. Gli atomi di carbonio nel diamante sono in uno stato di ibridazione sp 3. Nello stato eccitato, gli elettroni di valenza negli atomi di carbonio sono accoppiati e si formano quattro elettroni spaiati. Quando si formano i legami chimici, le nuvole elettroniche acquisiscono la stessa forma allungata e si trovano nello spazio in modo tale che i loro assi siano diretti verso i vertici del tetraedro. Quando le parti superiori di queste nubi si sovrappongono a nubi di altri atomi di carbonio, si formano legami covalenti con un angolo di 109°28" e si forma un reticolo cristallino atomico caratteristico del diamante.

Ogni atomo di carbonio nel diamante è circondato da altri quattro, situati da esso in direzioni dal centro dei tetraedri ai vertici. La distanza tra gli atomi nei tetraedri è 0,154 nm. La forza di tutte le connessioni è la stessa. Pertanto, gli atomi nel diamante sono “impacchettati” molto strettamente. A 20°C la densità del diamante è 3,515 g/cm 3 . Ciò spiega la sua eccezionale durezza. Il diamante è un cattivo conduttore di elettricità.

Nel 1961, l’Unione Sovietica iniziò la produzione industriale di diamanti sintetici dalla grafite.

Nella sintesi industriale dei diamanti si utilizzano pressioni di migliaia di MPa e temperature da 1500 a 3000°C. Il processo viene condotto in presenza di catalizzatori, che possono essere alcuni metalli, ad esempio Ni. La maggior parte dei diamanti formati sono piccoli cristalli e polvere di diamante.

Se riscaldato senza accesso all'aria a temperature superiori a 1000°C, il diamante si trasforma in grafite. A 1750°C la trasformazione del diamante in grafite avviene rapidamente.

Struttura del diamante

2. La grafite è una sostanza cristallina grigio-nera con una lucentezza metallica, untuosa al tatto e di durezza inferiore anche alla carta.

Gli atomi di carbonio nei cristalli di grafite sono in uno stato di ibridazione sp 2: ciascuno di essi forma tre legami covalenti σ con gli atomi vicini. Gli angoli tra le direzioni di legame sono 120°. Il risultato è una griglia composta da esagoni regolari. La distanza tra nuclei adiacenti di atomi di carbonio all'interno dello strato è 0,142 nm. Il quarto elettrone nello strato esterno di ciascun atomo di carbonio nella grafite occupa un orbitale p che non partecipa all'ibridazione.

Le nubi elettroniche non ibride di atomi di carbonio sono orientate perpendicolarmente al piano dello strato e, sovrapponendosi tra loro, formano legami σ delocalizzati. Gli strati adiacenti in un cristallo di grafite si trovano a una distanza di 0,335 nm l'uno dall'altro e sono debolmente collegati tra loro, principalmente dalle forze di van der Waals. Pertanto, la grafite ha una bassa resistenza meccanica e si divide facilmente in scaglie, che a loro volta sono molto resistenti. Il legame tra strati di atomi di carbonio nella grafite è parzialmente di natura metallica. Ciò spiega il fatto che la grafite conduce bene l'elettricità, ma non così bene come i metalli.

Struttura della grafite

Le proprietà fisiche della grafite variano notevolmente nelle direzioni: perpendicolare e parallela agli strati di atomi di carbonio.

Se riscaldata senza accesso all'aria, la grafite non subisce alcuna modifica fino a 3700°C. Alla temperatura indicata sublima senza sciogliersi.

La grafite artificiale viene prodotta dalle migliori qualità di carbone a 3000°C in forni elettrici senza accesso all'aria.

La grafite è termodinamicamente stabile in un ampio intervallo di temperature e pressioni, quindi è accettata come lo stato standard del carbonio. La densità della grafite è 2.265 g/cm3.

3. Carbin è una polvere nera finemente cristallina. Nella sua struttura cristallina, gli atomi di carbonio sono collegati alternando legami singoli e tripli in catene lineari:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Questa sostanza fu ottenuta per la prima volta da V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev all'inizio degli anni '60 del XX secolo.

Successivamente è stato dimostrato che la carbina può esistere in diverse forme e contiene sia catene di poliacetilene che di policumulene in cui gli atomi di carbonio sono legati da doppi legami:

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

Successivamente, la carbina fu trovata in natura, nella materia dei meteoriti.

La carbina ha proprietà semiconduttrici; se esposta alla luce, la sua conduttività aumenta notevolmente. A causa dell'esistenza di diversi tipi di legami e di diversi modi di disporre le catene di atomi di carbonio nel reticolo cristallino, le proprietà fisiche della carbina possono variare entro ampi limiti. Se riscaldata senza accesso all'aria a temperature superiori a 2000°C, la carabina è stabile; a temperature intorno a 2300°C si osserva la sua transizione in grafite.

Il carbonio naturale è costituito da due isotopi

(98,892%) e (1,108%). Inoltre nell'atmosfera sono state trovate piccole miscele di un isotopo radioattivo prodotto artificialmente.

In precedenza, si credeva che carbone, fuliggine e coke fossero simili nella composizione al carbonio puro e differissero nelle proprietà dal diamante e dalla grafite, rappresentando una modifica allotropica indipendente del carbonio ("carbonio amorfo"). Tuttavia, si è scoperto che queste sostanze sono costituite da minuscole particelle cristalline in cui gli atomi di carbonio sono legati allo stesso modo della grafite.

4. Carbone: grafite finemente macinata. Si forma durante la decomposizione termica di composti contenenti carbonio senza accesso all'aria. I carboni variano in modo significativo nelle proprietà a seconda della sostanza da cui sono ottenuti e del metodo di produzione. Contengono sempre impurità che influiscono sulle loro proprietà. I tipi più importanti di carbone sono il coke, il carbone e la fuliggine.

La coca cola viene prodotta riscaldando il carbone senza accesso all'aria.

Il carbone si forma quando la legna viene riscaldata senza accesso all'aria.

La fuliggine è una polvere cristallina di grafite molto fine. Formato dalla combustione di idrocarburi (gas naturale, acetilene, trementina, ecc.) con accesso limitato all'aria.

I carboni attivi sono adsorbenti industriali porosi costituiti principalmente da carbonio. L'adsorbimento è l'assorbimento di gas e sostanze disciolte da parte della superficie dei solidi. I carboni attivi si ottengono da combustibili solidi (torba, carbone bruno e fossile, antracite), legno e suoi prodotti lavorati (carbone, segatura, scarti di carta), scarti dell'industria del cuoio e materiali animali, come le ossa. I carboni, caratterizzati da un'elevata resistenza meccanica, sono prodotti dai gusci delle noci di cocco e di altre noci e dai semi dei frutti. La struttura dei carboni è rappresentata da pori di tutte le dimensioni, tuttavia, la capacità di assorbimento e la velocità di assorbimento sono determinati dal contenuto di micropori per unità di massa o volume di granuli. Quando si produce carbone attivo, il materiale di partenza viene prima sottoposto a trattamento termico senza accesso all'aria, a seguito del quale vengono rimosse l'umidità e parzialmente le resine. In questo caso, si forma una struttura di carbone di grandi dimensioni porosa. Per ottenere una struttura microporosa l'attivazione viene effettuata o mediante ossidazione con gas o vapore, oppure mediante trattamento con reagenti chimici.

Il carbonio è il sesto elemento della tavola periodica di Mendeleev. Il suo peso atomico è 12.

Il carbonio si trova nel secondo periodo del sistema Mendeleev e nel quarto gruppo di questo sistema.

Il numero del periodo ci dice che i sei elettroni del carbonio si trovano in due livelli energetici.

E il numero del quarto gruppo dice che il carbonio ha quattro elettroni al suo livello energetico esterno. Due di loro sono accoppiati S-elettroni e gli altri due non sono accoppiati R-elettroni.

La struttura dello strato elettronico esterno dell'atomo di carbonio può essere espressa dai seguenti schemi:

Ogni cella in questi diagrammi indica un orbitale elettronico separato, la freccia indica un elettrone situato nell'orbitale. Due frecce all'interno di una cella indicano due elettroni situati nello stesso orbitale, ma con spin opposti.

Quando un atomo è eccitato (quando gli viene impartita energia), uno degli accoppiati S-elettroni occupati R-orbitale.

Un atomo di carbonio eccitato può partecipare alla formazione di quattro legami covalenti. Pertanto, nella stragrande maggioranza dei suoi composti, il carbonio presenta una valenza pari a quattro.

Pertanto, il composto organico più semplice, l'idrocarburo metano, ha la composizione CAP 4. La sua struttura può essere espressa con formule strutturali o elettroniche:

La formula elettronica mostra che l'atomo di carbonio nella molecola di metano ha un guscio esterno stabile di otto elettroni e gli atomi di idrogeno hanno un guscio esterno stabile di due elettroni.

Tutti e quattro i legami covalenti del carbonio nel metano (e in altri composti simili) sono uguali e diretti simmetricamente nello spazio. L'atomo di carbonio si trova, per così dire, al centro del tetraedro (piramide quadrangolare regolare), e i quattro atomi ad esso collegati (nel caso del metano, quattro atomi di idrogeno) sono ai vertici del tetraedro.

Gli angoli tra le direzioni di qualsiasi coppia di legami sono gli stessi e ammontano a 109 gradi e 28 minuti.

Ciò si spiega con il fatto che in un atomo di carbonio, quando forma legami covalenti con altri quattro atomi, da uno S- e tre P-orbitali come risultato sp 3-l'ibridazione produce quattro ibridi posizionati simmetricamente nello spazio sp 3-orbitali allungati verso i vertici del tetraedro.

Caratteristiche delle proprietà del carbonio.

Il numero di elettroni nel livello energetico esterno è il fattore principale che determina le proprietà chimiche di un elemento.

Sul lato sinistro della tavola periodica ci sono elementi con un livello elettronico esterno basso. Gli elementi del primo gruppo hanno un elettrone a livello esterno, gli elementi del secondo gruppo ne hanno due.

Gli elementi di questi due gruppi sono metalli. Si ossidano facilmente, ad es. perdono i loro elettroni esterni e diventano ioni positivi.

Sul lato destro della tavola periodica, invece, ci sono non metalli (agenti ossidanti). Rispetto ai metalli hanno un nucleo con un numero maggiore di protoni. Un nucleo così massiccio fornisce un’attrazione molto più forte dalla sua nuvola di elettroni.

Tali elementi perdono i loro elettroni con grande difficoltà, ma non sono contrari ad attaccare elettroni aggiuntivi da altri atomi, ad es. ossidarli e allo stesso tempo trasformarsi in uno ione negativo.

All’aumentare del numero dei gruppi nella tavola periodica, le proprietà metalliche degli elementi si indeboliscono e aumenta la loro capacità di ossidare altri elementi.

Il carbonio è nel quarto gruppo, cioè proprio a metà tra i metalli, che cedono facilmente elettroni, e i non metalli, che acquistano facilmente questi elettroni.

Per questa ragione il carbonio non ha una tendenza pronunciata a donare o acquisire elettroni.

Catene di carbonio.

Una proprietà eccezionale del carbonio, che determina la varietà dei composti organici, è la capacità dei suoi atomi di connettersi tra loro con forti legami covalenti, formando circuiti di carbonio di lunghezza praticamente illimitata.

Oltre al carbonio, le catene di atomi identici sono formate dal suo analogo del gruppo IV: il silicio. Tuttavia, tali catene contengono non più di sei atomi di Si. Sono note lunghe catene di atomi di zolfo, ma i composti che le contengono sono fragili.

Le valenze degli atomi di carbonio che non vengono utilizzate per la connessione reciproca vengono utilizzate per l'aggiunta di altri atomi o gruppi (negli idrocarburi - per l'aggiunta di idrogeno).

Quindi gli idrocarburi etano ( C2H6) e propano ( C3H8) contengono catene rispettivamente di due e tre atomi di carbonio. La loro struttura è espressa dalle seguenti formule strutturali ed elettroniche:

Sono noti composti che contengono centinaia o più atomi di carbonio nelle loro catene.

A causa dell'orientamento tetraedrico dei legami di carbonio, i suoi atomi inclusi nella catena non si trovano in linea retta, ma a zigzag. Inoltre, a causa della possibilità di rotazione degli atomi attorno all'asse di legame, la catena nello spazio può assumere diverse forme (conformazioni):

Questa struttura delle catene rende possibile l'avvicinamento degli atomi di carbonio terminali o di altri atomi di carbonio non adiacenti. Come risultato della formazione di legami tra questi atomi, le catene di carbonio possono chiudersi in anelli (cicli), ad esempio:

Pertanto, la diversità dei composti organici è determinata anche dal fatto che con lo stesso numero di atomi di carbonio in una molecola sono possibili composti con una catena aperta e aperta di atomi di carbonio, nonché sostanze le cui molecole contengono cicli.

Connessioni semplici e multiple.

I legami covalenti tra atomi di carbonio formati da una coppia di elettroni generalizzati sono chiamati legami semplici.

Il legame tra gli atomi di carbonio può essere effettuato non da uno, ma da due o tre coppie comuni di elettroni. Quindi otteniamo catene con legami multipli: doppi o tripli. Queste connessioni possono essere rappresentate come segue:

I composti più semplici contenenti legami multipli sono gli idrocarburi etilene(con doppio legame) e acetilene(con triplo legame):

Gli idrocarburi con legami multipli sono detti insaturi o insaturi. L'etilene e l'acetilene sono i primi rappresentanti di due serie omologhe: gli idrocarburi di etilene e acetilene.

In questo libro la parola “carbonio” appare abbastanza spesso: nelle storie sulle foglie verdi e sul ferro, sulla plastica e sui cristalli, e in molte altre. Il carbonio - "il carbone che dà alla luce" - è uno degli elementi chimici più sorprendenti. La sua storia è la storia dell'emergere e dello sviluppo della vita sulla Terra, perché fa parte di tutti gli esseri viventi sulla Terra.

Che aspetto ha il carbonio?

Facciamo alcuni esperimenti. Prendiamo lo zucchero e scaldiamolo senza aria. Prima si scioglierà, diventerà marrone, quindi diventerà nero e si trasformerà in carbone, rilasciando acqua. Se ora riscaldi questo carbone in presenza di , brucerà senza lasciare residui e si trasformerà in . Pertanto, lo zucchero era costituito da carbone e acqua (lo zucchero, tra l'altro, è chiamato carboidrato) e il carbone "zucchero" è, a quanto pare, carbonio puro, perché l'anidride carbonica è un composto di carbonio con ossigeno. Ciò significa che il carbonio è una polvere nera e morbida.

Prendiamo una pietra di grafite grigia morbida, a te ben nota grazie alle matite. Se lo riscaldi in ossigeno, brucerà anche senza lasciare residui, anche se un po' più lentamente del carbone, e l'anidride carbonica rimarrà nel dispositivo in cui ha bruciato. Ciò significa che anche la grafite è carbonio puro? Naturalmente, ma non è tutto.

Se un diamante, una pietra preziosa trasparente e scintillante e il più duro di tutti i minerali, viene riscaldato nell'ossigeno nello stesso dispositivo, anch'esso brucerà, trasformandosi in anidride carbonica. Se riscaldi un diamante senza accesso all'ossigeno, si trasformerà in grafite e, a pressioni e temperature molto elevate, puoi ottenere un diamante dalla grafite.

Quindi, carbone, grafite e diamante sono diverse forme di esistenza dello stesso elemento: il carbonio.

Ancora più sorprendente è la capacità del carbonio di “partecipare” a un numero enorme di composti diversi (motivo per cui la parola “carbonio” appare così spesso in questo libro).

I 104 elementi della tavola periodica formano più di quarantamila composti studiati. E sono già noti oltre un milione di composti, la cui base è il carbonio!

La ragione di questa diversità è che gli atomi di carbonio possono essere collegati tra loro e ad altri atomi da legami forti, formandone complessi sotto forma di catene, anelli e altre forme. Nessun elemento nella tabella, tranne il carbonio, è capace di ciò.

Esiste un numero infinito di forme che possono essere costruite a partire dagli atomi di carbonio, e quindi un numero infinito di possibili composti. Queste possono essere sostanze molto semplici, ad esempio il gas illuminante metano, in una molecola di cui quattro atomi sono legati a un atomo di carbonio, e così complesse che la struttura delle loro molecole non è stata ancora stabilita. Tali sostanze includono

Il carbonio nella tavola periodica degli elementi si trova nel secondo periodo del gruppo IVA. Configurazione elettronica dell'atomo di carbonio ls 2 2s 2 2p 2 . Quando è eccitato, si raggiunge facilmente uno stato elettronico in cui ci sono quattro elettroni spaiati nei quattro orbitali atomici esterni:

Questo spiega perché il carbonio nei composti è solitamente tetravalente. L'uguaglianza del numero di elettroni di valenza nell'atomo di carbonio rispetto al numero di orbitali di valenza, nonché il rapporto unico tra la carica del nucleo e il raggio dell'atomo, gli conferisce la capacità di attaccare e cedere elettroni con la stessa facilità , a seconda delle proprietà del partner (Sezione 9.3.1). Di conseguenza, il carbonio è caratterizzato da vari stati di ossidazione da -4 a +4 e dalla facilità di ibridazione dei suoi orbitali atomici a seconda della tipologia sp 3, sp 2 E sp1 durante la formazione dei legami chimici (sezione 2.1.3):

Tutto ciò dà al carbonio l'opportunità di formare legami singoli, doppi e tripli non solo tra loro, ma anche con atomi di altri elementi organogeni. Le molecole formate in questo caso possono avere una struttura lineare, ramificata o ciclica.

A causa della mobilità degli elettroni comuni -MO formati con la partecipazione di atomi di carbonio, vengono spostati verso l'atomo di un elemento più elettronegativo (effetto induttivo), che porta alla polarità non solo di questo legame, ma anche della molecola come Totale. Tuttavia, il carbonio, a causa del valore medio di elettronegatività (0E0 = 2,5), forma legami debolmente polari con atomi di altri elementi organogeni (Tabella 12.1). Se nelle molecole sono presenti sistemi di legami coniugati (Sezione 2.1.3), la delocalizzazione degli elettroni mobili (MO) e delle coppie elettroniche solitarie avviene con l'equalizzazione della densità elettronica e delle lunghezze dei legami in questi sistemi.

Dal punto di vista della reattività dei composti, la polarizzabilità dei legami gioca un ruolo importante (Sezione 2.1.3). Maggiore è la polarizzabilità di un legame, maggiore è la sua reattività. La dipendenza della polarizzabilità dei legami contenenti carbonio dalla loro natura si riflette nelle seguenti serie:

Tutti i dati considerati sulle proprietà dei legami contenenti carbonio indicano che il carbonio nei composti forma, da un lato, legami covalenti abbastanza forti tra loro e con altri organogeni e, dall'altro, le coppie di elettroni comuni di questi legami sono piuttosto labile. Di conseguenza, può verificarsi sia un aumento della reattività di questi legami che una stabilizzazione. Sono queste caratteristiche dei composti contenenti carbonio che rendono il carbonio l’organogeno numero uno.

Proprietà acido-base dei composti del carbonio. Il monossido di carbonio (4) è un ossido acido e il suo corrispondente idrossido - l'acido carbonico H2CO3 - è un acido debole. La molecola di monossido di carbonio(4) non è polare e pertanto è scarsamente solubile in acqua (0,03 mol/l a 298 K). In questo caso, nella soluzione, prima si forma l'idrato CO2 H2O, in cui la CO2 si trova nella cavità delle molecole d'acqua associate, e poi questo idrato si trasforma lentamente e in modo reversibile in H2CO3. La maggior parte del monossido di carbonio (4) disciolto nell'acqua è sotto forma di idrato.

Nel corpo, nei globuli rossi, sotto l'azione dell'enzima carboanidrasi, l'equilibrio tra CO2 idrato H2O e H2CO3 si stabilisce molto rapidamente. Ciò permette di trascurare la presenza di CO2 sotto forma di idrato negli eritrociti, ma non nel plasma sanguigno, dove non è presente l'anidrasi carbonica. L'H2CO3 risultante si dissocia in condizioni fisiologiche in un anione idrocarbonato e in un ambiente più alcalino in un anione carbonato:

L'acido carbonico esiste solo in soluzione. Forma due serie di sali: idrocarbonati (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) e carbonati (Na2CO3, CaCO3). Gli idrocarbonati sono più solubili in acqua rispetto ai carbonati. Nelle soluzioni acquose, i sali dell'acido carbonico, in particolare i carbonati, si idrolizzano facilmente all'anione, creando un ambiente alcalino:

Sostanze come bicarbonato di sodio NaHC03; gesso CaCO3, magnesia bianca 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O, idrolizzati per formare un ambiente alcalino, sono usati come antiacidi (neutralizzatori di acidi) per ridurre l'aumentata acidità del succo gastrico:

La combinazione di acido carbonico e ione bicarbonato (H2CO3, HCO3(-)) forma un sistema tampone bicarbonato (sezione 8.5) - un piacevole sistema tampone del plasma sanguigno, che garantisce un pH sanguigno costante a pH = 7,40 ± 0,05.

La presenza di idrocarbonati di calcio e magnesio nelle acque naturali ne provoca la temporanea durezza. Quando tale acqua viene bollita, la sua durezza viene eliminata. Ciò avviene a causa dell'idrolisi dell'anione HCO3(-), della decomposizione termica dell'acido carbonico e della precipitazione dei cationi calcio e magnesio sotto forma di composti insolubili CaC03 e Mg(OH)2:

La formazione di Mg(OH)2 è causata dalla completa idrolisi del catione magnesio, che avviene in queste condizioni a causa della minore solubilità di Mg(0H)2 rispetto a MgC03.

Nella pratica medica e biologica, oltre all'acido carbonico, si devono trattare altri acidi contenenti carbonio. Si tratta principalmente di una grande varietà di diversi acidi organici, nonché dell'acido cianidrico HCN. Dal punto di vista delle proprietà acide, la forza di questi acidi è diversa:

Queste differenze sono dovute all’influenza reciproca degli atomi nella molecola, alla natura del legame dissociante e alla stabilità dell’anione, cioè alla sua capacità di delocalizzare la carica.

Acido cianidrico o acido cianidrico, HCN - liquido incolore e altamente volatile (T kip = 26 °C) dall'odore di mandorla amara, miscibile con acqua in qualsiasi rapporto. Nelle soluzioni acquose si comporta come un acido molto debole, i cui sali sono chiamati cianuri. I cianuri di metalli alcalini e alcalino terrosi sono solubili in acqua, ma idrolizzano all'anione, motivo per cui le loro soluzioni acquose odorano di acido cianidrico (l'odore delle mandorle amare) e hanno un pH > 12:

Con l'esposizione prolungata alla CO2 contenuta nell'aria, il cianuro si decompone per rilasciare acido cianidrico:

Come risultato di questa reazione, il cianuro di potassio (cianuro di potassio) e le sue soluzioni perdono la loro tossicità durante la conservazione a lungo termine. L'anione cianuro è uno dei veleni inorganici più potenti, poiché è un ligando attivo e forma facilmente composti complessi stabili con enzimi contenenti Fe 3+ e Cu2(+) come ioni complessanti (Sez. 10.4).

Proprietà redox. Poiché il carbonio nei composti può presentare qualsiasi stato di ossidazione compreso tra -4 e +4, durante la reazione il carbonio libero può sia donare che acquistare elettroni, agendo rispettivamente come agente riducente o agente ossidante, a seconda delle proprietà del secondo reagente:

Quando forti agenti ossidanti interagiscono con sostanze organiche, può verificarsi un'ossidazione incompleta o completa degli atomi di carbonio di questi composti.

In condizioni di ossidazione anaerobica con mancanza o assenza di ossigeno, gli atomi di carbonio di un composto organico, a seconda del contenuto di atomi di ossigeno in questi composti e delle condizioni esterne, possono trasformarsi in C0 2, CO, C e persino CH 4 e altri gli organogeni si trasformano in H2O, NH3 e H2S.

Nell'organismo, la completa ossidazione dei composti organici con l'ossigeno in presenza di enzimi ossidasi (ossidazione aerobica) è descritta dall'equazione:

Dalle equazioni fornite delle reazioni di ossidazione è chiaro che nei composti organici solo gli atomi di carbonio cambiano lo stato di ossidazione, mentre gli atomi di altri organogeni mantengono il loro stato di ossidazione.

Durante le reazioni di idrogenazione, cioè l'aggiunta di idrogeno (un agente riducente) a un legame multiplo, gli atomi di carbonio che lo formano riducono il loro stato di ossidazione (fungono da agenti ossidanti):

Anche le reazioni di sostituzione organica con la comparsa di un nuovo legame intercarbonico, ad esempio nella reazione di Wurtz, sono reazioni redox in cui gli atomi di carbonio agiscono come agenti ossidanti e gli atomi di metallo agiscono come agenti riducenti:

Una cosa simile si osserva nelle reazioni di formazione di composti organometallici:

Allo stesso tempo, nelle reazioni di alchilazione con l'emergere di un nuovo legame intercarbonico, il ruolo di ossidante e riduttore è svolto rispettivamente dagli atomi di carbonio del substrato e del reagente:

Come risultato delle reazioni di aggiunta di un reagente polare al substrato tramite un legame intercarbonico multiplo, uno degli atomi di carbonio abbassa lo stato di ossidazione, mostrando le proprietà di un agente ossidante, e l'altro aumenta il grado di ossidazione, agendo come un agente riducente:

In questi casi avviene una reazione di ossidoriduzione intramolecolare degli atomi di carbonio del substrato, cioè il processo dismutazione, sotto l'influenza di un reagente che non presenta proprietà redox.

Le reazioni tipiche di dismutazione intramolecolare dei composti organici dovute ai loro atomi di carbonio sono le reazioni di decarbossilazione di amminoacidi o chetoacidi, nonché le reazioni di riarrangiamento e isomerizzazione dei composti organici, che sono state discusse nella sezione. 9.3. Gli esempi forniti di reazioni organiche, così come le reazioni della Sez. 9.3 indicano in modo convincente che gli atomi di carbonio nei composti organici possono essere sia agenti ossidanti che agenti riducenti.

Atomo di carbonio in un composto- un agente ossidante, se a seguito della reazione aumenta il numero dei suoi legami con atomi di elementi meno elettronegativi (idrogeno, metalli), perché attirando a sé gli elettroni comuni di questi legami, l'atomo di carbonio in questione diminuisce la sua ossidazione stato.

Atomo di carbonio in un composto- un agente riducente, se a seguito della reazione aumenta il numero dei suoi legami con atomi di elementi più elettronegativi(C, O, N, S), perché allontanando gli elettroni condivisi da questi legami, l’atomo di carbonio in questione aumenta il suo stato di ossidazione.

Pertanto, molte reazioni in chimica organica, a causa della dualità redox degli atomi di carbonio, sono redox. Tuttavia, a differenza di reazioni simili nella chimica inorganica, la ridistribuzione degli elettroni tra l'agente ossidante e l'agente riducente nei composti organici può essere accompagnata solo da uno spostamento della coppia elettronica comune del legame chimico con l'atomo che funge da agente ossidante. In questo caso questa connessione può essere preservata, ma in caso di forte polarizzazione può essere interrotta.

Proprietà complessanti dei composti del carbonio. L'atomo di carbonio nei composti non ha coppie di elettroni solitari, e quindi solo i composti di carbonio contenenti più legami con la sua partecipazione possono agire come ligandi. Particolarmente attivi nei processi di formazione complessa sono gli elettroni del triplo legame polare del monossido di carbonio (2) e l'anione dell'acido cianidrico.

Nella molecola di monossido di carbonio (2), gli atomi di carbonio e ossigeno formano un legame uno e uno a causa della reciproca sovrapposizione dei loro due orbitali atomici 2p secondo il meccanismo di scambio. Il terzo legame, cioè un altro legame, si forma secondo il meccanismo donatore-accettore. L'accettore è l'orbitale atomico libero 2p dell'atomo di carbonio e il donatore è l'atomo di ossigeno, che fornisce una coppia solitaria di elettroni dall'orbitale 2p:

L'aumento del rapporto di legame fornisce a questa molecola elevata stabilità e inerzia in condizioni normali in termini di proprietà acido-base (la CO è un ossido che non forma sali) e di proprietà redox (la CO è un agente riducente a T > 1000K). Allo stesso tempo, lo rende un ligando attivo nelle reazioni di complessazione con atomi e cationi di metalli D, principalmente con il ferro, con il quale forma ferro pentacarbonile, un liquido tossico volatile:

La capacità di formare composti complessi con cationi d-metal è la ragione della tossicità del monossido di carbonio (H) per i sistemi viventi (Sezione. 10.4) a causa del verificarsi di reazioni reversibili con emoglobina e ossiemoglobina contenenti il ​​catione Fe 2+, con formazione di carbossiemoglobina:

Questi equilibri sono spostati verso la formazione della carbossiemoglobina ННbСО, la cui stabilità è 210 volte maggiore di quella dell'ossiemoglobina ННbО2. Ciò porta all'accumulo di carbossiemoglobina nel sangue e, di conseguenza, ad una diminuzione della sua capacità di trasportare ossigeno.

L'anione dell'acido cianidrico CN- contiene anche elettroni facilmente polarizzabili, motivo per cui forma efficacemente complessi con i metalli D, compresi i metalli vitali che fanno parte degli enzimi. Pertanto, i cianuri sono composti altamente tossici (Sezione 10.4).

Ciclo del carbonio in natura. Il ciclo del carbonio in natura si basa principalmente sulle reazioni di ossidazione e riduzione del carbonio (Fig. 12.3).

Le piante assimilano (1) il monossido di carbonio (4) dall'atmosfera e dall'idrosfera. Parte della massa vegetale viene consumata (2) dall'uomo e dagli animali. La respirazione degli animali e la decomposizione dei loro resti (3), così come la respirazione delle piante, la decomposizione delle piante morte e la combustione del legno (4) restituiscono CO2 all'atmosfera e all'idrosfera. Il processo di mineralizzazione dei resti di piante (5) e animali (6) con la formazione di torba, carboni fossili, petrolio, gas porta alla transizione del carbonio in risorse naturali. Nella stessa direzione operano le reazioni acido-base (7), che avvengono tra la CO2 e diverse rocce con formazione di carbonati (medi, acidi e basici):

Questa parte inorganica del ciclo porta alla perdita di CO2 nell'atmosfera e nell'idrosfera. L'attività umana nella combustione e lavorazione di carbone, petrolio, gas (8), legna da ardere (4), al contrario, arricchisce abbondantemente l'ambiente con monossido di carbonio (4). Per molto tempo si è creduto che grazie alla fotosintesi la concentrazione di CO2 nell'atmosfera rimanesse costante. Tuttavia, attualmente, l’aumento del contenuto di CO2 nell’atmosfera dovuto all’attività umana non è compensato dalla sua naturale diminuzione. Il rilascio totale di CO2 nell’atmosfera cresce esponenzialmente del 4-5% all’anno. Secondo i calcoli, nel 2000 il contenuto di CO2 nell'atmosfera raggiungerà circa lo 0,04% invece dello 0,03% (1990).

Dopo aver considerato le proprietà e le caratteristiche dei composti contenenti carbonio, va sottolineato ancora una volta il ruolo principale del carbonio

Riso. 12.3. Ciclo del carbonio dentro natura

Organogeno n. 1: in primo luogo, gli atomi di carbonio formano lo scheletro delle molecole dei composti organici; in secondo luogo, gli atomi di carbonio svolgono un ruolo chiave nei processi redox, poiché tra gli atomi di tutti gli organogeni è il carbonio quello più caratterizzato dalla dualità redox. Per ulteriori informazioni sulle proprietà dei composti organici vedere il modulo IV "Fondamenti di Chimica Bioorganica".

Caratteristiche generali e ruolo biologico degli elementi p del gruppo IVA. Gli analoghi elettronici del carbonio sono elementi del gruppo IVA: silicio Si, germanio Ge, stagno Sn e piombo Pb (vedi Tabella 1.2). I raggi degli atomi di questi elementi aumentano naturalmente con l'aumentare del numero atomico e la loro energia di ionizzazione ed elettronegatività diminuiscono naturalmente (Sezione 1.3). Pertanto, i primi due elementi del gruppo: carbonio e silicio sono tipici non metalli, e germanio, stagno e piombo sono metalli, poiché sono maggiormente caratterizzati dalla perdita di elettroni. Nella serie Ge - Sn - Pb le proprietà metalliche aumentano.

Dal punto di vista delle proprietà redox, gli elementi C, Si, Ge, Sn e Pb in condizioni normali sono abbastanza stabili rispetto all'aria e all'acqua (i metalli Sn e Pb - a causa della formazione di un film di ossido sulla superficie ). Allo stesso tempo, i composti di piombo (4) sono forti agenti ossidanti:

Le proprietà complessanti sono più caratteristiche del piombo, poiché i suoi cationi Pb 2+ sono forti agenti complessanti rispetto ai cationi di altri elementi p del gruppo IVA. I cationi di piombo formano forti complessi con i bioligandi.

Gli elementi del gruppo IVA differiscono nettamente sia nel loro contenuto nel corpo che nel loro ruolo biologico. Il carbonio gioca un ruolo fondamentale nella vita dell'organismo, dove il suo contenuto è di circa il 20%. Il contenuto di altri elementi IVA del gruppo nel corpo è compreso tra 10 -6 -10 -3%. Allo stesso tempo, se il silicio e il germanio svolgono senza dubbio un ruolo importante nella vita del corpo, allora lo stagno e soprattutto il piombo sono tossici. Pertanto, con l'aumento della massa atomica degli elementi del gruppo IVA, aumenta la tossicità dei loro composti.

La polvere costituita da particelle di carbone o biossido di silicio SiO2, se esposta sistematicamente ai polmoni, provoca malattie: pneumoconiosi. Nel caso della polvere di carbone si tratta di antracosi, una malattia professionale dei minatori. Quando viene inalata polvere contenente Si02, si verifica la silicosi. Il meccanismo di sviluppo della pneumoconiosi non è stato ancora stabilito. Si presume che con il contatto prolungato dei granelli di sabbia silicatica con fluidi biologici, l'acido polisilicico Si02 yH2O si formi in uno stato gelatinoso, la cui deposizione nelle cellule porta alla loro morte.

L'effetto tossico del piombo è noto all'umanità da molto tempo. L'uso del piombo per realizzare piatti e tubature dell'acqua ha portato ad un massiccio avvelenamento di persone. Attualmente il piombo continua ad essere uno dei principali inquinanti ambientali, poiché il rilascio di composti di piombo nell'atmosfera ammonta a oltre 400.000 tonnellate all'anno. Il piombo si accumula principalmente nello scheletro sotto forma di fosfato Pb3(PO4)2 scarsamente solubile e, quando le ossa sono demineralizzate, ha un regolare effetto tossico sul corpo. Pertanto, il piombo è classificato come un veleno cumulativo. La tossicità dei composti del piombo è associata principalmente alle loro proprietà complessanti e all'elevata affinità per i bioligandi, in particolare quelli contenenti gruppi sulfidrilici (-SH):

La formazione di composti complessi di ioni piombo con proteine, fosfolipidi e nucleotidi porta alla loro denaturazione. Spesso gli ioni di piombo inibiscono i metalloenzimi EM 2+, spostando da essi i cationi dei metalli vitali:

Il piombo e i suoi composti sono veleni che agiscono principalmente sul sistema nervoso, sui vasi sanguigni e sul sangue. Allo stesso tempo, i composti di piombo influenzano la sintesi proteica, il bilancio energetico delle cellule e il loro apparato genetico.

In medicina, i seguenti antisettici esterni vengono utilizzati come astringenti: acetato di piombo Pb(CH3COO)2 ZH2O (lozioni di piombo) e ossido di piombo(2) PbO (cerotto di piombo). Gli ioni piombo di questi composti reagiscono con le proteine ​​(albumina) nel citoplasma delle cellule e dei tessuti microbici, formando albuminati gelatinosi. La formazione di gel uccide i microbi e, inoltre, rende difficile la loro penetrazione nelle cellule dei tessuti, riducendo così la risposta infiammatoria locale.

Uno degli elementi più sorprendenti, capace di formare un'enorme varietà di composti di natura organica e inorganica, è il carbonio. Questo è un elemento con proprietà così insolite che Mendeleev ne predisse un grande futuro, parlando di caratteristiche che non erano ancora state rivelate.

Successivamente questo è stato praticamente confermato. Si è saputo che è il principale elemento biogenico del nostro pianeta, che fa parte di assolutamente tutti gli esseri viventi. Inoltre, è in grado di esistere in forme radicalmente diverse sotto tutti gli aspetti, ma allo stesso tempo costituite solo da atomi di carbonio.

In generale questa struttura ha molte caratteristiche, e cercheremo di capirle nel corso dell'articolo.

Carbonio: formula e posizione nel sistema degli elementi

Nella tavola periodica, l'elemento carbonio si trova nel gruppo IV (secondo il nuovo modello in 14), il sottogruppo principale. Il suo numero atomico è 6 e il suo peso atomico è 12,011. La designazione di un elemento con il segno C indica il suo nome in latino - carboneum. Esistono diverse forme in cui esiste il carbonio. La sua formula quindi varia e dipende dalla modifica specifica.

Tuttavia, ovviamente, esiste una notazione specifica per scrivere le equazioni di reazione. In generale, quando si parla di una sostanza nella sua forma pura, viene accettata la formula molecolare del carbonio C, senza indicizzazione.

Storia della scoperta degli elementi

Questo stesso elemento è noto fin dall'antichità. Dopotutto, uno dei minerali più importanti in natura è il carbone. Pertanto, non era un segreto per gli antichi greci, romani e altre nazioni.

Oltre a questa varietà venivano utilizzati anche diamanti e grafite. Per molto tempo ci sono state molte situazioni confuse con quest'ultima, poiché composti come questo venivano spesso scambiati per grafite senza analisi della composizione:

• piombo d'argento;
• carburo di ferro;
• Solfuro di molibdeno.

Erano tutti dipinti di nero e quindi erano considerati grafite. Successivamente questo malinteso fu chiarito e questa forma di carbonio divenne essa stessa.

Dal 1725, i diamanti sono diventati di grande importanza commerciale e nel 1970 è stata padroneggiata la tecnologia per produrli artificialmente. Dal 1779, grazie al lavoro di Karl Scheele, sono state studiate le proprietà chimiche esibite dal carbonio. Ciò segnò l'inizio di una serie di importanti scoperte nel campo di questo elemento e divenne la base per chiarire tutte le sue caratteristiche uniche.

Isotopi del carbonio e distribuzione in natura

Nonostante l'elemento in questione sia uno dei più importanti biogenici, il suo contenuto totale nella massa della crosta terrestre è dello 0,15%. Ciò accade perché è soggetto a una circolazione costante, il ciclo naturale della natura.

In generale, possiamo nominare diversi composti minerali che contengono carbonio. Queste sono razze naturali come:

• dolomiti e calcari;
• antracite;
• scisti bituminosi;
• gas naturale;
• carbone;
• olio;
• lignite;
• torba;
• bitumi.

Inoltre, non dobbiamo dimenticare gli esseri viventi, che sono semplicemente depositi di composti del carbonio. Dopotutto, forma proteine, grassi, carboidrati, acidi nucleici e quindi le molecole strutturali più vitali. In generale, su 70 kg di massa corporea secca, 15 sono costituiti dall'elemento puro. E così è per ogni persona, per non parlare degli animali, delle piante e delle altre creature.

Se consideriamo l'acqua, cioè l'idrosfera nel suo insieme e l'atmosfera, allora c'è una miscela di carbonio e ossigeno, espressa dalla formula CO 2. Il biossido o anidride carbonica è uno dei principali gas che compongono l'aria. È in questa forma che la frazione di massa del carbonio è dello 0,046%. Ancora più anidride carbonica si dissolve nelle acque dell'Oceano Mondiale.

La massa atomica del carbonio come elemento è 12.011. È noto che questo valore viene calcolato come media aritmetica tra i pesi atomici di tutte le varietà isotopiche esistenti in natura, tenendo conto della loro abbondanza (in percentuale). Ciò accade con la sostanza in questione. Esistono tre isotopi principali in cui è presente il carbonio. Questo:

• 12 C - la sua frazione di massa è prevalentemente del 98,93%;
• 13 C - 1,07%;
• 14 C - radioattivo, emivita 5700 anni, emettitore beta stabile.

Nella pratica di determinazione dell'età geocronologica dei campioni, è ampiamente utilizzato l'isotopo radioattivo 14 C, che è un indicatore dovuto al suo lungo periodo di decadimento.

Modifiche allotropiche dell'elemento

Il carbonio è un elemento che, come sostanza semplice, esiste in diverse forme. Cioè, è in grado di formare il maggior numero di modifiche allotropiche oggi conosciute.

1. Variazioni cristalline - esistono sotto forma di strutture forti con reticoli regolari di tipo atomico. Questo gruppo comprende varietà come:

• diamanti;
• fullereni;
• grafiti;
• carabine;
• lonsdaleiti;
• e tubi.

Hanno tutti reticoli diversi, ai cui nodi è presente un atomo di carbonio. Da qui le proprietà completamente uniche e dissimili, sia fisiche che chimiche.

2. Forme amorfe: sono formate da un atomo di carbonio, che fa parte di alcuni composti naturali. Cioè, queste non sono varietà pure, ma con aggiunte di altri elementi in piccole quantità. Questo gruppo include:

• Carbone attivo;
• pietra e legno;
• fuliggine;
• nanoschiuma di carbonio;
• antracite;
• carbonio vetroso;
• varietà tecnica di una sostanza.

Sono anche uniti dalle caratteristiche strutturali del reticolo cristallino, che spiegano e mostrano le proprietà.

3. Composti del carbonio sotto forma di cluster. Si tratta di una struttura in cui gli atomi sono rinchiusi in una conformazione speciale, cava dall'interno, piena di acqua o di nuclei di altri elementi. Esempi:

• nanoconi di carbonio;
• astrali;
• dicarbonio.

Proprietà fisiche del carbonio amorfo

A causa dell’ampia varietà di modificazioni allotropiche, è difficile identificare eventuali proprietà fisiche generali del carbonio. È più facile parlare di una forma specifica. Ad esempio, il carbonio amorfo ha le seguenti caratteristiche.

1. Tutte le forme sono basate su varietà finemente cristalline di grafite.
2. Elevata capacità termica.
3. Buone proprietà conduttive.
4. La densità del carbonio è di circa 2 g/cm3.
5. Quando riscaldato sopra 1600 0 C, si verifica una transizione alle forme di grafite.

Le varietà di fuliggine e pietra sono ampiamente utilizzate per scopi tecnici. Non sono una manifestazione della modificazione del carbonio nella sua forma pura, ma lo contengono in quantità molto grandi.

Carbonio cristallino

Esistono diverse opzioni in cui il carbonio è una sostanza che forma cristalli regolari di vario tipo, dove gli atomi sono collegati in serie. Di conseguenza, si formano le seguenti modifiche.

1. - cubico, in cui sono collegati quattro tetraedri. Di conseguenza, tutti i legami chimici covalenti di ciascun atomo sono quanto più saturi e forti possibile. Questo spiega le proprietà fisiche: densità di carbonio 3300 kg/m3. Elevata durezza, bassa capacità termica, mancanza di conduttività elettrica: tutto questo è il risultato della struttura del reticolo cristallino. Ci sono diamanti prodotti tecnicamente. Si formano durante la transizione della grafite alla modifica successiva sotto l'influenza dell'alta temperatura e di una certa pressione. In generale, è alto quanto la resistenza: circa 3500 0 C.
2. Grafite. Gli atomi sono disposti in modo simile alla struttura della sostanza precedente, tuttavia, solo tre legami sono saturati e il quarto diventa più lungo e meno forte; collega gli “strati” di anelli reticolari esagonali. Di conseguenza, si scopre che la grafite è una sostanza nera morbida e grassa al tatto. Ha una buona conduttività elettrica e ha un punto di fusione elevato - 3525 0 C. Capace di sublimazione - sublimazione dallo stato solido a quello gassoso, bypassando il liquido (a una temperatura di 3700 0 C). La densità del carbonio è di 2,26 g/cm3, molto inferiore a quella del diamante. Questo spiega le loro diverse proprietà. A causa della struttura a strati del reticolo cristallino, la grafite può essere utilizzata per realizzare mine per matite. Quando vengono passate sulla carta, le scaglie si staccano e lasciano un segno nero sulla carta.
3. Fullereni. Sono stati scoperti solo negli anni '80 del secolo scorso. Sono modifiche in cui i carboni sono collegati tra loro in una speciale struttura chiusa convessa con un vuoto al centro. Inoltre la forma del cristallo è un poliedro, di organizzazione regolare. Il numero di atomi è pari. La forma più famosa del fullerene C 60. Durante la ricerca sono stati trovati campioni di una sostanza simile:

• meteoriti;
• sedimenti del fondo;
• folguriti;
• shungiti;
• spazio esterno, dove erano contenuti sotto forma di gas.

Tutte le varietà di carbonio cristallino sono di grande importanza pratica perché hanno una serie di proprietà utili nella tecnologia.

Attività chimica

Il carbonio molecolare mostra una bassa reattività chimica grazie alla sua configurazione stabile. Può essere costretto a reagire solo impartendo ulteriore energia all'atomo e costringendo gli elettroni del livello esterno a vaporizzare. A questo punto la valenza diventa 4. Pertanto nei composti ha uno stato di ossidazione + 2, + 4, - 4.

Quasi tutte le reazioni con sostanze semplici, sia metalliche che non metalliche, avvengono sotto l'influenza di alte temperature. L'elemento in questione può essere un agente ossidante o un agente riducente. Tuttavia, queste ultime proprietà sono particolarmente pronunciate in esso, e questo è ciò che si basa sul suo utilizzo nell'industria metallurgica e in altre industrie.

In generale, la capacità di entrare in interazioni chimiche dipende da tre fattori:

• dispersione del carbonio;
• modificazione allotropica;
• temperatura di reazione.

Pertanto, in alcuni casi, si verifica l'interazione con le seguenti sostanze:

• non metalli (idrogeno, ossigeno);
• metalli (alluminio, ferro, calcio e altri);
• ossidi metallici e loro sali.

Non reagisce con acidi e alcali, molto raramente con alogeni. La proprietà più importante del carbonio è la capacità di formare tra loro lunghe catene. Possono chiudersi in un ciclo e formare rami. È così che avviene la formazione dei composti organici, che oggi sono milioni. La base di questi composti sono due elementi: carbonio e idrogeno. La composizione può includere anche altri atomi: ossigeno, azoto, zolfo, alogeni, fosforo, metalli e altri.

Connessioni fondamentali e loro caratteristiche

Esistono molti composti diversi che contengono carbonio. La formula del più famoso è CO 2 - anidride carbonica. Tuttavia, oltre a questo ossido, c'è anche monossido di CO o monossido di carbonio, nonché subossido C 3 O 2.

Tra i sali che contengono questo elemento i più comuni sono i carbonati di calcio e magnesio. Pertanto, il carbonato di calcio ha diversi sinonimi nel suo nome, poiché si presenta in natura sotto forma:

• gesso;
• marmo;
• calcare;
• dolomite

L'importanza dei carbonati di metalli alcalino terrosi si manifesta nel fatto che partecipano attivamente alla formazione di stalattiti e stalagmiti, nonché delle acque sotterranee.

L'acido carbonico è un altro composto che forma carbonio. La sua formula è H2CO3. Tuttavia, nella sua forma abituale è estremamente instabile e in soluzione si decompone immediatamente in anidride carbonica e acqua. Pertanto, si conoscono solo i suoi sali e non la soluzione stessa.

Gli alogenuri di carbonio si ottengono principalmente indirettamente, poiché le sintesi dirette avvengono solo a temperature molto elevate e con basse rese in prodotto. Uno dei più comuni è CCL 4 - tetracloruro di carbonio. Un composto tossico che può causare avvelenamento se inalato. Ottenuto mediante reazioni di sostituzione fotochimica radicalica nel metano.

I carburi metallici sono composti del carbonio in cui presenta uno stato di ossidazione pari a 4. È anche possibile che esistano combinazioni con boro e silicio. La proprietà principale dei carburi di alcuni metalli (alluminio, tungsteno, titanio, niobio, tantalio, afnio) è l'elevata resistenza e l'eccellente conduttività elettrica. Il carburo di boro B 4 C è una delle sostanze più dure dopo il diamante (9,5 secondo Mohs). Questi composti sono utilizzati nella tecnologia, così come nell'industria chimica, come fonti di idrocarburi (il carburo di calcio con acqua porta alla formazione di acetilene e idrossido di calcio).

Molte leghe metalliche sono realizzate utilizzando il carbonio, aumentandone così notevolmente la qualità e le caratteristiche tecniche (l'acciaio è una lega di ferro e carbonio).

Un'attenzione particolare meritano numerosi composti organici del carbonio, nei quali esso costituisce un elemento fondamentale capace di combinarsi con gli stessi atomi per formare lunghe catene di varia struttura. Questi includono:

• alcani;
• alcheni;
• arene;
• proteine;
• carboidrati;
• acidi nucleici;
• alcoli;
• acidi carbossilici e molte altre classi di sostanze.

Applicazione del carbonio

L'importanza dei composti del carbonio e delle sue modifiche allotropiche nella vita umana è molto grande. Si possono citare alcune delle industrie più globali per chiarire che è proprio così.

1. Questo elemento costituisce tutti i tipi di combustibile organico da cui gli esseri umani ottengono energia.
2. L'industria metallurgica utilizza il carbonio come potente agente riducente per ottenere metalli dai loro composti. Anche i carbonati sono ampiamente utilizzati qui.
3. L’edilizia e l’industria chimica consumano enormi quantità di composti del carbonio per sintetizzare nuove sostanze e produrre i prodotti necessari.

Puoi anche nominare settori dell'economia come:

• industria nucleare;
• creazione di gioielli;
• attrezzature tecniche (lubrificanti, crogioli resistenti al calore, matite, ecc.);
• determinazione dell'età geologica delle rocce - indicatore radioattivo 14 C;
• Il carbonio è un eccellente adsorbente, che ne consente l'utilizzo per la produzione di filtri.

Pedalare nella natura

La massa di carbonio presente in natura è inclusa in un ciclo costante, che avviene ciclicamente ogni secondo in tutto il mondo. Pertanto, la fonte atmosferica di carbonio, la CO 2, viene assorbita dalle piante e rilasciata da tutti gli esseri viventi durante la respirazione. Una volta entrato nell'atmosfera viene nuovamente assorbito e così il ciclo continua. In questo caso, la morte dei resti organici porta al rilascio di carbonio e al suo accumulo nel terreno, da dove viene poi nuovamente assorbito dagli organismi viventi e rilasciato nell'atmosfera sotto forma di gas.