Atómová hmotnosť uhlíka. Uhlík – chemické a fyzikálne vlastnosti. Atómová a molekulová hmotnosť uhlíka

Mestská vzdelávacia inštitúcia "Nikiforovskaya stredná škola č. 1"

Uhlík a jeho hlavné anorganické zlúčeniny

Esej

Vyplnil: žiak ročníka 9B

Sidorov Alexander

Učiteľ: Sacharova L.N.

Dmitrievka 2009

Úvod

Kapitola I. Všetko o uhlíku

1.1. Uhlík v prírode

1.2. Alotropické modifikácie uhlíka

1.3. Chemické vlastnosti uhlíka

1.4. Aplikácia uhlíka

Kapitola II. Anorganické zlúčeniny uhlíka

Záver

Literatúra

Úvod

Uhlík (lat. Carboneum) C je chemický prvok IV. skupiny periodického systému Mendelejeva: atómové číslo 6, atómová hmotnosť 12.011(1). Zoberme si štruktúru atómu uhlíka. Vonkajšia energetická hladina atómu uhlíka obsahuje štyri elektróny. Znázornime to graficky:

Uhlík je známy už od staroveku a meno objaviteľa tohto prvku nie je známe.

Koncom 17. stor. Florentskí vedci Averani a Tardgioni sa pokúsili zlúčiť niekoľko malých diamantov do jedného veľkého a nahrievali ich horiacim sklom pomocou slnečného svetla. Diamanty zmizli a horeli vo vzduchu. V roku 1772 francúzsky chemik A. Lavoisier ukázal, že pri horení diamantov vzniká CO 2 . Až v roku 1797 anglický vedec S. Tennant dokázal identitu povahy grafitu a uhlia. Po spálení rovnakého množstva uhlia a diamantu sa objemy oxidu uhoľnatého (IV) ukázali byť rovnaké.

Rôznorodosť zlúčenín uhlíka, vysvetlená schopnosťou jeho atómov spájať sa navzájom a s atómami iných prvkov rôznymi spôsobmi, určuje osobitné postavenie uhlíka medzi ostatnými prvkami.

kapitolaja. Všetko o uhlíku

1.1. Uhlík v prírode

Uhlík sa v prírode nachádza vo voľnom stave aj vo forme zlúčenín.

Voľný uhlík sa vyskytuje vo forme diamantu, grafitu a karbínu.

Diamanty sú veľmi zriedkavé. Najväčší známy diamant Cullinan bol nájdený v roku 1905 v Južnej Afrike, vážil 621,2 g a meral 10 x 6,5 x 5 cm. Diamantový fond v Moskve ukrýva jeden z najväčších a najkrajších diamantov na svete – „Orlov“ (37,92 g) .

Diamant dostal svoje meno z gréčtiny. „adamas“ – neporaziteľný, nezničiteľný. Najvýznamnejšie náleziská diamantov sa nachádzajú v Južnej Afrike, Brazílii a Jakutsku.

Veľké ložiská grafitu sa nachádzajú v Nemecku, na Srí Lanke, na Sibíri a na Altaji.

Hlavnými minerálmi obsahujúcimi uhlík sú: magnezit MgCO 3, kalcit (vápenný kameň, vápenec, mramor, krieda) CaCO 3, dolomit CaMg(CO 3) 2 atď.

Všetky fosílne palivá – ropa, plyn, rašelina, uhlie a hnedé uhlie, bridlica – sú postavené na uhlíkovej báze. Niektoré fosílne uhlie, ktoré obsahujú až 99 % C, sú zložením blízke uhlíku.

Uhlík tvorí 0,1 % zemskej kôry.

Vo forme oxidu uhoľnatého (IV) CO 2 sa uhlík dostáva do atmosféry. V hydrosfére je rozpustené veľké množstvo CO 2 .

1.2. Alotropické modifikácie uhlíka

Elementárny uhlík tvorí tri alotropické modifikácie: diamant, grafit, karabín.

1. Diamant je bezfarebná, priehľadná kryštalická látka, ktorá mimoriadne silne láme svetelné lúče. Atómy uhlíka v diamante sú v stave sp 3 hybridizácie. V excitovanom stave sú valenčné elektróny v atómoch uhlíka spárované a vznikajú štyri nepárové elektróny. Keď sa vytvárajú chemické väzby, elektrónové oblaky nadobúdajú rovnaký pretiahnutý tvar a sú umiestnené v priestore tak, že ich osi smerujú k vrcholom štvorstenu. Keď sa vrcholy týchto oblakov prekrývajú s oblakmi iných atómov uhlíka, kovalentné väzby vznikajú pod uhlom 109°28" a vzniká atómová kryštálová mriežka charakteristická pre diamant.

Každý atóm uhlíka v diamante je obklopený štyrmi ďalšími, ktoré sa od neho nachádzajú v smere od stredu štvorstenov k vrcholom. Vzdialenosť medzi atómami v štvorstenoch je 0,154 nm. Sila všetkých spojení je rovnaká. Atómy v diamante sú teda „zabalené“ veľmi tesne. Pri 20 °C je hustota diamantu 3,515 g/cm3. To vysvetľuje jeho výnimočnú tvrdosť. Diamant je slabý vodič elektriny.

V roku 1961 Sovietsky zväz začal s priemyselnou výrobou syntetických diamantov z grafitu.

Pri priemyselnej syntéze diamantov sa používajú tlaky tisícok MPa a teploty od 1500 do 3000°C. Proces sa uskutočňuje v prítomnosti katalyzátorov, ktorými môžu byť niektoré kovy, napríklad Ni. Väčšinu vytvorených diamantov tvoria malé kryštály a diamantový prach.

Pri zahrievaní bez prístupu vzduchu nad 1000°C sa diamant mení na grafit. Pri teplote 1750 °C dochádza k rýchlej premene diamantu na grafit.

Diamantová štruktúra

2. Grafit je sivočierna kryštalická látka s kovovým leskom, mastná na dotyk a nižšou tvrdosťou ako papier.

Atómy uhlíka v grafitových kryštáloch sú v stave hybridizácie sp 2: každý z nich tvorí tri kovalentné σ väzby so susednými atómami. Uhly medzi smermi spoja sú 120°. Výsledkom je mriežka tvorená pravidelnými šesťuholníkmi. Vzdialenosť medzi susednými jadrami atómov uhlíka vo vrstve je 0,142 nm. Štvrtý elektrón vo vonkajšej vrstve každého uhlíkového atómu v grafite zaberá p orbitál, ktorý sa nezúčastňuje hybridizácie.

Nehybridné elektrónové oblaky atómov uhlíka sú orientované kolmo na rovinu vrstvy a navzájom sa prekrývajúce vytvárajú delokalizované σ väzby. Susedné vrstvy v grafitovom kryštáli sa nachádzajú vo vzdialenosti 0,335 nm od seba a sú navzájom slabo spojené, najmä van der Waalsovými silami. Preto má grafit nízku mechanickú pevnosť a ľahko sa štiepi na vločky, ktoré sú samotné veľmi pevné. Väzba medzi vrstvami uhlíkových atómov v grafite je čiastočne kovová. To vysvetľuje skutočnosť, že grafit vedie elektrinu dobre, ale nie tak dobre ako kovy.

Grafitová štruktúra

Fyzikálne vlastnosti grafitu sa značne líšia v smeroch - kolmých a rovnobežných s vrstvami atómov uhlíka.

Pri zahrievaní bez prístupu vzduchu nepodlieha grafit žiadnym zmenám až do 3700°C. Pri uvedenej teplote sublimuje bez topenia.

Umelý grafit sa vyrába z najlepších druhov uhlia pri 3000°C v elektrických peciach bez prístupu vzduchu.

Grafit je termodynamicky stabilný v širokom rozsahu teplôt a tlakov, preto je akceptovaný ako štandardný stav uhlíka. Hustota grafitu je 2,265 g/cm3.

3. Carbin je jemný kryštalický čierny prášok. Vo svojej kryštálovej štruktúre sú atómy uhlíka spojené striedajúcimi sa jednoduchými a trojitými väzbami v lineárnych reťazcoch:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Túto látku prvýkrát získal V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev na začiatku 60-tych rokov XX storočia.

Následne sa ukázalo, že karbín môže existovať v rôznych formách a obsahuje polyacetylénové aj polykumulénové reťazce, v ktorých sú atómy uhlíka spojené dvojitými väzbami:

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

Neskôr bol karbín nájdený v prírode - v meteoritovej hmote.

Carbyne má polovodivé vlastnosti, pri vystavení svetlu sa jeho vodivosť výrazne zvyšuje. V dôsledku existencie rôznych typov väzieb a rôznych spôsobov ukladania reťazcov uhlíkových atómov v kryštálovej mriežke sa fyzikálne vlastnosti karbínu môžu meniť v širokých medziach. Pri zahrievaní bez prístupu vzduchu nad 2000°C je karabína stabilná, pri teplotách okolo 2300°C je pozorovaný jej prechod na grafit.

Prírodný uhlík sa skladá z dvoch izotopov

(98,892 %) a (1,108 %). Okrem toho sa v atmosfére našli menšie prímesi rádioaktívneho izotopu, ktorý sa vyrába umelo.

Predtým sa verilo, že drevené uhlie, sadze a koks majú podobné zloženie ako čistý uhlík a líšia sa vlastnosťami od diamantu a grafitu, čo predstavuje nezávislú alotropickú modifikáciu uhlíka („amorfný uhlík“). Zistilo sa však, že tieto látky pozostávajú z drobných kryštalických častíc, v ktorých sú atómy uhlíka viazané rovnakým spôsobom ako v grafite.

4. Uhlie – jemne mletý grafit. Vzniká pri tepelnom rozklade zlúčenín obsahujúcich uhlík bez prístupu vzduchu. Uhlie sa svojimi vlastnosťami výrazne líši v závislosti od látky, z ktorej sa získava a spôsobu výroby. Vždy obsahujú nečistoty, ktoré ovplyvňujú ich vlastnosti. Najdôležitejšie druhy uhlia sú koks, drevené uhlie a sadze.

Koks sa vyrába ohrevom uhlia bez prístupu vzduchu.

Drevené uhlie vzniká pri zahrievaní dreva bez prístupu vzduchu.

Sadze sú veľmi jemný grafitový kryštalický prášok. Vzniká spaľovaním uhľovodíkov (zemný plyn, acetylén, terpentín a pod.) s obmedzeným prístupom vzduchu.

Aktívne uhlie sú porézne priemyselné adsorbenty pozostávajúce hlavne z uhlíka. Adsorpcia je absorpcia plynov a rozpustených látok povrchom pevných látok. Aktívne uhlie sa získava z tuhého paliva (rašelina, hnedé a čierne uhlie, antracit), dreva a jeho spracovaných produktov (drevené uhlie, piliny, papierový odpad), odpadu z kožiarskeho priemyslu a živočíšnych materiálov, ako sú kosti. Uhlie, vyznačujúce sa vysokou mechanickou pevnosťou, sa vyrába zo škrupín kokosových orechov a iných orechov a zo semien ovocia. Štruktúra uhlia je reprezentovaná pórmi všetkých veľkostí, avšak adsorpčná kapacita a rýchlosť adsorpcie sú určené obsahom mikropórov na jednotku hmotnosti alebo objemu granúl. Pri výrobe aktívneho uhlia sa východiskový materiál najskôr bez prístupu vzduchu podrobí tepelnému spracovaniu, čím sa z neho odstráni vlhkosť a čiastočne živice. V tomto prípade vzniká veľkopórovitá štruktúra uhlia. Na získanie mikroporéznej štruktúry sa aktivácia uskutočňuje buď oxidáciou plynom alebo parou, alebo pôsobením chemických činidiel.

Uhlík je šiestym prvkom Mendelejevovej periodickej tabuľky. Jeho atómová hmotnosť je 12.

Uhlík je v druhom období Mendelejevovho systému a vo štvrtej skupine tohto systému.

Číslo periódy nám hovorí, že šesť elektrónov uhlíka sa nachádza v dvoch energetických úrovniach.

A štvrté číslo skupiny hovorí, že uhlík má na svojej vonkajšej energetickej úrovni štyri elektróny. Dva z nich sú spárované s-elektróny a ďalšie dva nie sú spárované R-elektróny.

Štruktúru vonkajšej elektrónovej vrstvy atómu uhlíka možno vyjadriť nasledujúcimi schémami:

Každá bunka v týchto schémach znamená samostatný elektrónový orbitál, šípka znamená elektrón nachádzajúci sa v orbitále. Dve šípky vo vnútri jednej bunky sú dva elektróny umiestnené na rovnakom orbitále, ale s opačnými rotáciami.

Keď je atóm excitovaný (keď sa mu dodáva energia), jeden z párov S- elektróny obsadené R- orbitálny.

Excitovaný atóm uhlíka sa môže podieľať na tvorbe štyroch kovalentných väzieb. Preto vo veľkej väčšine svojich zlúčenín uhlík vykazuje štvormocnosť.

Zloženie má teda najjednoduchšia organická zlúčenina, uhľovodíkový metán CH 4. Jeho štruktúra môže byť vyjadrená štruktúrnymi alebo elektronickými vzorcami:

Elektronický vzorec ukazuje, že atóm uhlíka v molekule metánu má stabilný osemelektrónový vonkajší obal a atómy vodíka majú stabilný dvojelektrónový obal.

Všetky štyri kovalentné uhlíkové väzby v metáne (a v iných podobných zlúčeninách) sú rovnaké a symetricky nasmerované v priestore. Atóm uhlíka sa nachádza akoby v strede štvorstenu (pravidelnej štvorbokej pyramídy) a štyri atómy, ktoré sú s ním spojené (v prípade metánu štyri atómy vodíka), sú vo vrcholoch štvorstenu.

Uhly medzi smermi akéhokoľvek páru väzieb sú rovnaké a dosahujú 109 stupňov 28 minút.

To sa vysvetľuje skutočnosťou, že v atóme uhlíka, keď tvorí kovalentné väzby so štyrmi ďalšími atómami, od jedného s- a tri p- v dôsledku toho orbitály sp 3-hybridizáciou vznikajú štyri hybridy symetricky umiestnené v priestore sp 3-orbitály predĺžené smerom k vrcholom štvorstenu.

Vlastnosti vlastností uhlíka.

Počet elektrónov na vonkajšej energetickej úrovni je hlavným faktorom určujúcim chemické vlastnosti prvku.

Na ľavej strane periodickej tabuľky sú prvky s nízko vyplnenou vonkajšou elektronickou hladinou. Prvky prvej skupiny majú na vonkajšej úrovni jeden elektrón, prvky druhej skupiny dva.

Prvky týchto dvoch skupín sú kovy. Ľahko sa oxidujú, t.j. strácajú svoje vonkajšie elektróny a stávajú sa kladnými iónmi.

Na pravej strane periodickej tabuľky sú naopak nekovy (oxidačné činidlá). V porovnaní s kovmi majú jadro s väčším počtom protónov. Takéto masívne jadro poskytuje oveľa silnejší ťah zo svojho elektrónového oblaku.

Takéto prvky veľmi ťažko strácajú svoje elektróny, ale nebránia sa pripájaniu ďalších elektrónov z iných atómov, t.j. oxidujú ich a zároveň sa menia na záporný ión.

Keď sa číslo skupiny v periodickej tabuľke zvyšuje, kovové vlastnosti prvkov sa oslabujú a zvyšuje sa ich schopnosť oxidovať iné prvky.

Uhlík je v štvrtej skupine, t.j. presne uprostred medzi kovmi, ktoré sa ľahko vzdávajú elektrónov a nekovmi, ktoré tieto elektróny ľahko získavajú.

Pre tento dôvod uhlík nemá výraznú tendenciu darovať alebo získavať elektróny.

Uhlíkové reťazce.

Výnimočnou vlastnosťou uhlíka, ktorá určuje rozmanitosť organických zlúčenín, je schopnosť jeho atómov spájať sa navzájom silnými kovalentnými väzbami a vytvárať uhlíkové okruhy takmer neobmedzenej dĺžky.

Okrem uhlíka tvoria reťazce rovnakých atómov jeho analóg zo skupiny IV - kremík. Takéto reťazce však neobsahujú viac ako šesť atómov Si. Dlhé reťazce atómov síry sú známe, ale zlúčeniny, ktoré ich obsahujú, sú krehké.

Valencie atómov uhlíka, ktoré sa nepoužívajú na vzájomné spojenie, sa používajú na spájanie ďalších atómov alebo skupín (v uhľovodíkoch - na pridávanie vodíka).

Takže uhľovodíky etán ( C2H6) a propán ( C3H8) obsahujú reťazce s dvoma a tromi atómami uhlíka. Ich štruktúra je vyjadrená nasledujúcimi štruktúrnymi a elektronickými vzorcami:

Sú známe zlúčeniny, ktoré obsahujú vo svojich reťazcoch stovky alebo viac atómov uhlíka.

Vzhľadom na tetraedrickú orientáciu uhlíkových väzieb nie sú jeho atómy zahrnuté v reťazci umiestnené v priamke, ale v cikcakovom vzore. Navyše v dôsledku možnosti rotácie atómov okolo osi väzby môže mať reťazec v priestore rôzne tvary (konformácie):

Táto štruktúra reťazcov umožňuje, aby sa koncové alebo iné nesusediace atómy uhlíka priblížili k sebe. V dôsledku vytvárania väzieb medzi týmito atómami sa uhlíkové reťazce môžu uzavrieť do kruhov (cyklov), napríklad:

Rozmanitosť organických zlúčenín je teda určená aj tým, že pri rovnakom počte atómov uhlíka v molekule sú možné zlúčeniny s otvoreným, otvoreným reťazcom atómov uhlíka, ako aj látky, ktorých molekuly obsahujú cykly.

Jednoduché a viacnásobné pripojenia.

Kovalentné väzby medzi atómami uhlíka tvorené jedným párom zovšeobecnených elektrónov sa nazývajú jednoduché väzby.

Väzba medzi atómami uhlíka môže byť uskutočnená nie jedným, ale dvoma alebo tromi spoločnými pármi elektrónov. Potom získame reťazce s viacnásobnými – dvojitými alebo trojitými väzbami. Tieto spojenia možno znázorniť nasledovne:

Najjednoduchšie zlúčeniny obsahujúce viacnásobné väzby sú uhľovodíky etylén(s dvojitou väzbou) a acetylén(s trojitou väzbou):

Uhľovodíky s násobnými väzbami sa nazývajú nenasýtené alebo nenasýtené. Etylén a acetylén sú prvými predstaviteľmi dvoch homológnych sérií – etylénových a acetylénových uhľovodíkov.

V tejto knihe sa slovo „uhlík“ objavuje pomerne často: v príbehoch o zelených listoch a železe, o plastoch a kryštáloch a v mnohých ďalších. Uhlík – „rodné uhlie“ – je jedným z najúžasnejších chemických prvkov. Jeho história je históriou vzniku a vývoja života na Zemi, pretože je súčasťou všetkého živého na Zemi.

Ako vyzerá uhlík?

Urobme nejaké experimenty. Vezmeme cukor a zohrejeme ho bez vzduchu. Najprv sa roztopí, zhnedne a potom sčernie a zmení sa na uhlie, pričom sa uvoľní voda. Ak teraz toto uhlie zahrejete v prítomnosti , bude horieť bezo zvyšku a zmení sa na . Preto sa cukor skladal z uhlia a vody (cukor sa mimochodom nazýva sacharid) a „cukrové“ uhlie je zjavne čistý uhlík, pretože oxid uhličitý je zlúčenina uhlíka s kyslíkom. To znamená, že uhlík je čierny, mäkký prášok.

Vezmime si šedý mäkký grafitový kameň, ktorý je vám dobre známy vďaka ceruzkám. Ak ho zohrejete v kyslíku, bude tiež horieť bezo zvyšku, aj keď o niečo pomalšie ako uhlie, a oxid uhličitý zostane v zariadení, kde horel. Znamená to, že grafit je tiež čistý uhlík? Samozrejme, ale to nie je všetko.

Ak sa diamant, priehľadný trblietavý drahokam a najtvrdší zo všetkých minerálov, zahrieva v kyslíku v tom istom zariadení, horí a mení sa na oxid uhličitý. Ak diamant zahrejete bez prístupu kyslíka, zmení sa na grafit a pri veľmi vysokých tlakoch a teplotách môžete získať diamant z grafitu.

Takže uhlie, grafit a diamant sú rôzne formy existencie toho istého prvku - uhlíka.

Ešte úžasnejšia je schopnosť uhlíka „podieľať sa“ na obrovskom množstve rôznych zlúčenín (preto sa v tejto knihe tak často objavuje slovo „uhlík“).

104 prvkov periodickej tabuľky tvorí viac ako štyridsaťtisíc študovaných zlúčenín. A už je známych viac ako milión zlúčenín, ktorých základom je uhlík!

Dôvodom tejto rozmanitosti je, že atómy uhlíka môžu byť spojené medzi sebou a s inými atómami silnými väzbami, pričom vytvárajú zložité vo forme reťazcov, kruhov a iných tvarov. Žiadny prvok v tabuľke okrem uhlíka to nedokáže.

Existuje nekonečné množstvo tvarov, ktoré možno zostaviť z atómov uhlíka, a teda nekonečné množstvo možných zlúčenín. Môžu to byť veľmi jednoduché látky, napríklad osvetľovací plyn metán, v molekule ktorého sú štyri atómy viazané na jeden atóm uhlíka, a také zložité, že štruktúra ich molekúl ešte nie je stanovená. Medzi takéto látky patria

Uhlík v periodickej tabuľke prvkov sa nachádza v druhej perióde v skupine IVA. Elektrónová konfigurácia atómu uhlíka ls 2 2s 2 2p 2 . Keď je excitovaný, ľahko sa dosiahne elektronický stav, v ktorom sú štyri nepárové elektróny v štyroch vonkajších atómových orbitáloch:

To vysvetľuje, prečo je uhlík v zlúčeninách zvyčajne štvormocný. Rovnosť počtu valenčných elektrónov v atóme uhlíka k počtu valenčných orbitálov, ako aj jedinečný pomer náboja jadra a polomeru atómu mu dáva schopnosť rovnako ľahko pripájať a odovzdávať elektróny. , v závislosti od vlastností spoločníka (bod 9.3.1). V dôsledku toho sa uhlík vyznačuje rôznymi oxidačnými stavmi od -4 do +4 a ľahkosťou hybridizácie svojich atómových orbitálov podľa typu sp 3, sp 2 A sp 1 počas tvorby chemických väzieb (oddiel 2.1.3):

To všetko dáva uhlíku možnosť vytvárať jednoduché, dvojité a trojité väzby nielen medzi sebou, ale aj s atómami iných organogénnych prvkov. Molekuly vytvorené v tomto prípade môžu mať lineárnu, rozvetvenú alebo cyklickú štruktúru.

Vďaka pohyblivosti spoločných elektrónov -MO vznikajúcich za účasti atómov uhlíka sú posunuté smerom k atómu elektronegatívnejšieho prvku (indukčný efekt), čo vedie k polarite nielen tejto väzby, ale aj molekuly ako celý. Uhlík však vďaka priemernej hodnote elektronegativity (0E0 = 2,5) tvorí slabo polárne väzby s atómami iných organogénnych prvkov (tab. 12.1). Ak sú v molekulách systémy konjugovaných väzieb (časť 2.1.3), dochádza k delokalizácii mobilných elektrónov (MO) a osamelých elektrónových párov s vyrovnaním hustoty elektrónov a dĺžok väzieb v týchto systémoch.

Z hľadiska reaktivity zlúčenín zohráva významnú úlohu polarizovateľnosť väzieb (časť 2.1.3). Čím väčšia je polarizácia väzby, tým vyššia je jej reaktivita. Závislosť polarizovateľnosti väzieb obsahujúcich uhlík od ich povahy sa odráža v nasledujúcich radoch:

Všetky uvažované údaje o vlastnostiach väzieb obsahujúcich uhlík naznačujú, že uhlík v zlúčeninách tvorí na jednej strane pomerne silné kovalentné väzby medzi sebou a s inými organogénmi a na druhej strane spoločné elektrónové páry týchto väzieb sú dosť labilné. V dôsledku toho môže dôjsť k zvýšeniu reaktivity týchto väzieb a stabilizácii. Práve tieto vlastnosti zlúčenín obsahujúcich uhlík robia uhlík organogénom číslo jeden.

Acidobázické vlastnosti zlúčenín uhlíka. Oxid uhoľnatý (4) je kyslý oxid a jeho zodpovedajúci hydroxid - kyselina uhličitá H2CO3 - je slabá kyselina. Molekula oxidu uhoľnatého(4) je nepolárna, a preto je zle rozpustná vo vode (0,03 mol/l pri 298 K). V tomto prípade sa najskôr v roztoku vytvorí hydrát CO2 H2O, v ktorom sa CO2 nachádza v dutine asociátu molekúl vody a následne sa tento hydrát pomaly a reverzibilne mení na H2CO3. Väčšina oxidu uhoľnatého (4) rozpusteného vo vode je vo forme hydrátu.

V tele, v červených krvinkách, sa pôsobením enzýmu karboanhydrázy veľmi rýchlo nastolí rovnováha medzi CO2 hydrátom H2O a H2CO3. To nám umožňuje zanedbať prítomnosť CO2 vo forme hydrátu v erytrocyte, nie však v krvnej plazme, kde nie je karboanhydráza. Výsledný H2CO3 disociuje za fyziologických podmienok na hydrokarbonátový anión a v alkalickejšom prostredí na uhličitanový anión:

Kyselina uhličitá existuje iba v roztoku. Tvorí dva rady solí - hydrouhličitany (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) a uhličitany (Na2CO3, CaCO3). Uhľovodíky sú vo vode rozpustnejšie ako uhličitany. Vo vodných roztokoch soli kyseliny uhličitej, najmä uhličitany, ľahko hydrolyzujú na anióne a vytvárajú alkalické prostredie:

Látky ako sóda bikarbóna NaHC03; krieda CaCO3, biela magnézia 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O, hydrolyzované za vzniku zásaditého prostredia, sa používajú ako antacidá (neutralizátory kyselín) na zníženie zvýšenej kyslosti žalúdočnej šťavy:

Kombinácia kyseliny uhličitej a bikarbonátového iónu (H2CO3, HCO3(-)) tvorí bikarbonátový tlmivý systém (časť 8.5) - pekný tlmivý systém krvnej plazmy, ktorý zabezpečuje konštantné pH krvi pri pH = 7,40 ± 0,05.

Prítomnosť hydrouhličitanov vápnika a horčíka v prírodných vodách spôsobuje ich dočasnú tvrdosť. Keď sa takáto voda prevarí, jej tvrdosť sa eliminuje. K tomu dochádza v dôsledku hydrolýzy aniónu HCO3(-), tepelného rozkladu kyseliny uhličitej a vyzrážania katiónov vápnika a horčíka vo forme nerozpustných zlúčenín CaC03 a Mg(OH)2:

Tvorba Mg(OH)2 je spôsobená úplnou hydrolýzou horčíkového katiónu, ku ktorej dochádza za týchto podmienok v dôsledku nižšej rozpustnosti Mg(OH)2 v porovnaní s MgC03.

V lekárskej a biologickej praxi sa okrem kyseliny uhličitej musíme vysporiadať s ďalšími kyselinami obsahujúcimi uhlík. Ide predovšetkým o veľké množstvo rôznych organických kyselín, ako aj kyselinu kyanovodíkovú HCN. Z hľadiska kyslých vlastností je sila týchto kyselín odlišná:

Tieto rozdiely sú spôsobené vzájomným vplyvom atómov v molekule, povahou disociačnej väzby a stabilitou aniónu, t.j. jeho schopnosťou delokalizovať náboj.

Kyselina kyanovodíková, alebo kyanovodík, HCN - bezfarebná, vysoko prchavá kvapalina (T kip = 26 °C) s vôňou horkých mandlí, miešateľný s vodou v akomkoľvek pomere. Vo vodných roztokoch sa správa ako veľmi slabá kyselina, ktorej soli sa nazývajú kyanidy. Kyanidy alkalických kovov a kovov alkalických zemín sú rozpustné vo vode, ale hydrolyzujú na anióne, a preto ich vodné roztoky zapáchajú ako kyselina kyanovodíková (vôňa horkých mandlí) a majú pH > 12:

Pri dlhšom vystavení CO2 obsiahnutému vo vzduchu sa kyanid rozkladá a uvoľňuje kyselinu kyanovodíkovú:

V dôsledku tejto reakcie kyanid draselný (kyanid draselný) a jeho roztoky strácajú pri dlhodobom skladovaní toxicitu. Kyanidový anión je jedným z najsilnejších anorganických jedov, pretože je aktívnym ligandom a ľahko tvorí stabilné komplexné zlúčeniny s enzýmami obsahujúcimi Fe3+ a Cu2(+) ako komplexotvorné ióny (odsek. 10.4).

Redoxné vlastnosti. Pretože uhlík v zlúčeninách môže vykazovať akýkoľvek oxidačný stav od -4 do +4, voľný uhlík môže počas reakcie darovať aj získavať elektróny, ktoré pôsobia ako redukčné činidlo alebo ako oxidačné činidlo, v závislosti od vlastností druhého činidla:

Pri interakcii silných oxidačných činidiel s organickými látkami môže dôjsť k neúplnej alebo úplnej oxidácii uhlíkových atómov týchto zlúčenín.

V podmienkach anaeróbnej oxidácie s nedostatkom alebo absenciou kyslíka sa atómy uhlíka organickej zlúčeniny v závislosti od obsahu atómov kyslíka v týchto zlúčeninách a vonkajších podmienkach môžu premeniť na C0 2, CO, C a dokonca aj CH 4 a iné. organogény sa menia na H2O, NH3 a H2S.

V tele je úplná oxidácia organických zlúčenín kyslíkom v prítomnosti oxidázových enzýmov (aeróbna oxidácia) opísaná rovnicou:

Z uvedených rovníc oxidačných reakcií je zrejmé, že v organických zlúčeninách menia oxidačný stav iba atómy uhlíka, zatiaľ čo atómy ostatných organogénov si oxidačný stav zachovávajú.

Počas hydrogenačných reakcií, t. j. pridanie vodíka (redukčného činidla) na násobnú väzbu, atómy uhlíka, ktoré ho tvoria, znižujú svoj oxidačný stav (pôsobia ako oxidačné činidlá):

Organické substitučné reakcie so vznikom novej medziuhlíkovej väzby, napríklad vo Wurtzovej reakcii, sú tiež redoxné reakcie, v ktorých atómy uhlíka pôsobia ako oxidačné činidlá a atómy kovov ako redukčné činidlá:

Podobná vec sa pozoruje pri reakciách tvorby organokovových zlúčenín:

Súčasne pri alkylačných reakciách so vznikom novej medziuhlíkovej väzby zohrávajú úlohu oxidačného činidla a redukčného činidla atómy uhlíka substrátu a činidla:

V dôsledku reakcií pridania polárneho činidla k substrátu prostredníctvom viacnásobnej medziuhlíkovej väzby jeden z atómov uhlíka znižuje oxidačný stav, pričom vykazuje vlastnosti oxidačného činidla, a druhý zvyšuje oxidačný stupeň, pričom pôsobí ako redukčné činidlo:

V týchto prípadoch prebieha intramolekulárna oxidačno-redukčná reakcia uhlíkových atómov substrátu, t.j. dismutácia, pod vplyvom činidla, ktoré nevykazuje redoxné vlastnosti.

Typickými reakciami intramolekulárnej dismutácie organických zlúčenín v dôsledku ich atómov uhlíka sú dekarboxylačné reakcie aminokyselín alebo ketokyselín, ako aj prešmykové a izomerizačné reakcie organických zlúčenín, o ktorých sa hovorilo v časti. 9.3. Uvedené príklady organických reakcií, ako aj reakcie z odd. 9.3 presvedčivo naznačujú, že atómy uhlíka v organických zlúčeninách môžu byť oxidačnými aj redukčnými činidlami.

Atóm uhlíka v zlúčenine- oxidačné činidlo, ak sa v dôsledku reakcie zvýši počet jeho väzieb s atómami menej elektronegatívnych prvkov (vodík, kovy), pretože priťahovaním spoločných elektrónov týchto väzieb k sebe príslušný atóm uhlíka znižuje svoju oxidáciu štát.

Atóm uhlíka v zlúčenine- redukčné činidlo, ak sa v dôsledku reakcie zvýši počet jeho väzieb s atómami viac elektronegatívnych prvkov(ZÁPORY), pretože odtláčaním zdieľaných elektrónov týchto väzieb zvyšuje príslušný atóm uhlíka svoj oxidačný stav.

Mnohé reakcie v organickej chémii sú teda v dôsledku redoxnej duality atómov uhlíka redoxné. Avšak na rozdiel od podobných reakcií v anorganickej chémii môže byť redistribúcia elektrónov medzi oxidačným činidlom a redukčným činidlom v organických zlúčeninách sprevádzaná iba vytesnením spoločného elektrónového páru chemickej väzby k atómu, ktorý pôsobí ako oxidačné činidlo. V tomto prípade môže byť toto spojenie zachované, ale v prípadoch silnej polarizácie môže byť prerušené.

Komplexné vlastnosti zlúčenín uhlíka. Atóm uhlíka v zlúčeninách nemá osamelé elektrónové páry, a preto môžu ako ligandy pôsobiť iba zlúčeniny uhlíka obsahujúce viacnásobné väzby s jeho účasťou. V procesoch tvorby komplexov sú obzvlášť aktívne elektróny polárnej trojitej väzby oxidu uhoľnatého (2) a anión kyseliny kyanovodíkovej.

V molekule oxidu uhoľnatého (2) tvoria atómy uhlíka a kyslíka jednu a jednu väzbu v dôsledku vzájomného prekrývania svojich dvoch 2p-atómových orbitálov podľa mechanizmu výmeny. Tretia väzba, t.j. ďalšia -väzba, sa vytvára podľa mechanizmu donor-akceptor. Akceptorom je voľný atómový orbitál 2p atómu uhlíka a donorom je atóm kyslíka, ktorý poskytuje osamelý pár elektrónov z orbitálu 2p:

Zvýšený pomer väzieb poskytuje tejto molekule za normálnych podmienok vysokú stabilitu a inertnosť, pokiaľ ide o acidobázické vlastnosti (CO je oxid netvoriaci soľ) a redoxné vlastnosti (CO je redukčné činidlo pri T > 1000 K). Zároveň z neho robí aktívny ligand v komplexačných reakciách s atómami a katiónmi d-kovov, predovšetkým so železom, s ktorým tvorí pentakarbonyl železa, prchavú toxickú kvapalinu:

Schopnosť vytvárať komplexné zlúčeniny s katiónmi d-kov je dôvodom toxicity oxidu uhoľnatého (H) pre živé systémy (oddiel. 10.4) v dôsledku výskytu reverzibilných reakcií s hemoglobínom a oxyhemoglobínom obsahujúcim katión Fe 2+ s tvorbou karboxyhemoglobínu:

Tieto rovnováhy sa posúvajú smerom k tvorbe karboxyhemoglobínu ННbСО, ktorého stabilita je 210-krát väčšia ako stabilita oxyhemoglobínu ННbО2. To vedie k hromadeniu karboxyhemoglobínu v krvi a následne k zníženiu jeho schopnosti prenášať kyslík.

Anión kyseliny kyanovodíkovej CN- obsahuje aj ľahko polarizovateľné elektróny, preto efektívne tvorí komplexy s d-kovmi vrátane živých kovov, ktoré sú súčasťou enzýmov. Preto sú kyanidy vysoko toxické zlúčeniny (časť 10.4).

Cyklus uhlíka v prírode. Cyklus uhlíka v prírode je založený najmä na reakciách oxidácie a redukcie uhlíka (obr. 12.3).

Rastliny asimilujú (1) oxid uhoľnatý (4) z atmosféry a hydrosféry. Časť rastlinnej hmoty konzumujú (2) ľudia a zvieratá. Dýchanie živočíchov a rozklad ich zvyškov (3), ako aj dýchanie rastlín, hnitie odumretých rastlín a spaľovanie dreva (4) vracia CO2 do atmosféry a hydrosféry. Proces mineralizácie zvyškov rastlín (5) a živočíchov (6) za vzniku rašeliny, fosílneho uhlia, ropy, plynu vedie k prechodu uhlíka na prírodné zdroje. Acidobázické reakcie (7) prebiehajú rovnakým smerom, vyskytujú sa medzi CO2 a rôznymi horninami s tvorbou uhličitanov (stredných, kyslých a zásaditých):

Táto anorganická časť cyklu vedie k strate CO2 v atmosfére a hydrosfére. Ľudská činnosť pri spaľovaní a spracovaní uhlia, ropy, plynu (8), palivového dreva (4) naopak bohato obohacuje životné prostredie o oxid uhoľnatý (4). Dlho panovalo presvedčenie, že vďaka fotosyntéze zostáva koncentrácia CO2 v atmosfére konštantná. Nárast obsahu CO2 v atmosfére v dôsledku ľudskej činnosti však v súčasnosti nie je kompenzovaný jeho prirodzeným poklesom. Celkové uvoľňovanie CO2 do atmosféry rastie exponenciálne o 4-5% ročne. Podľa výpočtov v roku 2000 dosiahne obsah CO2 v atmosfére približne 0,04 % namiesto 0,03 % (1990).

Po zvážení vlastností a charakteristík zlúčenín obsahujúcich uhlík treba ešte raz zdôrazniť vedúcu úlohu uhlíka

Ryža. 12.3. Uhlíkový cyklus v prírody

Organogén č. 1: po prvé, atómy uhlíka tvoria kostru molekúl organických zlúčenín; po druhé, atómy uhlíka hrajú kľúčovú úlohu v redoxných procesoch, keďže spomedzi atómov všetkých organogénov je to uhlík, ktorý je najviac charakterizovaný redoxnou dualitou. Viac informácií o vlastnostiach organických zlúčenín nájdete v module IV „Základy bioorganickej chémie“.

Všeobecná charakteristika a biologická úloha p-prvkov skupiny IVA. Elektronické analógy uhlíka sú prvky skupiny IVA: kremík Si, germánium Ge, cín Sn a olovo Pb (pozri tabuľku 1.2). Polomery atómov týchto prvkov sa s rastúcim atómovým číslom prirodzene zväčšujú a ich ionizačná energia a elektronegativita prirodzene klesá (časť 1.3). Preto prvé dva prvky skupiny: uhlík a kremík sú typické nekovy a germánium, cín a olovo sú kovy, pretože sa najviac vyznačujú stratou elektrónov. V rade Ge - Sn - Pb sa zvyšujú kovové vlastnosti.

Z hľadiska redoxných vlastností sú prvky C, Si, Ge, Sn a Pb za normálnych podmienok pomerne stabilné voči vzduchu a vode (kovy Sn a Pb - v dôsledku tvorby oxidového filmu na povrchu ). Zlúčeniny olova (4) sú zároveň silnými oxidačnými činidlami:

Komplexotvorné vlastnosti sú najcharakteristickejšie pre olovo, pretože jeho katióny Pb 2+ sú silné komplexotvorné činidlá v porovnaní s katiónmi iných p-prvkov skupiny IVA. Katióny olova tvoria silné komplexy s bioligandmi.

Prvky skupiny IVA sa výrazne líšia svojim obsahom v tele, ako aj svojou biologickou úlohou. Uhlík hrá zásadnú úlohu v živote tela, kde je jeho obsah asi 20%. Obsah ostatných prvkov skupiny IVA v tele je v rozmedzí 10 -6 -10 -3%. Zároveň, ak kremík a germánium nepochybne zohrávajú dôležitú úlohu v živote tela, potom cín a najmä olovo sú toxické. So zvyšujúcou sa atómovou hmotnosťou prvkov skupiny IVA sa teda zvyšuje toxicita ich zlúčenín.

Prach pozostávajúci z častíc uhlia alebo oxidu kremičitého SiO2 pri systematickom vystavení pľúcam spôsobuje ochorenia - pneumokoniózu. V prípade uhoľného prachu ide o antrakózu, chorobu z povolania baníkov. Pri vdychovaní prachu s obsahom Si02 dochádza k silikóze. Mechanizmus vývoja pneumokoniózy ešte nebol stanovený. Predpokladá sa, že pri dlhšom kontakte zŕn silikátového piesku s biologickými tekutinami vzniká kyselina polykremičitá Si02 yH2O v gélovitom stave, ktorej ukladanie v bunkách vedie k ich smrti.

Toxický účinok olova je ľudstvu známy už veľmi dlho. Používanie olova na výrobu riadu a vodných fajok viedlo k masívnej otrave ľudí. V súčasnosti je olovo naďalej jednou z hlavných znečisťujúcich látok životného prostredia, keďže uvoľňovanie zlúčenín olova do atmosféry predstavuje viac ako 400 000 ton ročne. Olovo sa hromadí najmä v kostre vo forme slabo rozpustného fosforečnanu Pb3(PO4)2 a pri demineralizácii kostí pôsobí na organizmus pravidelne toxicky. Preto je olovo klasifikované ako kumulatívny jed. Toxicita zlúčenín olova je spojená predovšetkým s ich komplexotvornými vlastnosťami a vysokou afinitou k bioligandom, najmä tým, ktoré obsahujú sulfhydrylové skupiny (-SH):

Tvorba komplexných zlúčenín iónov olova s proteínmi, fosfolipidmi a nukleotidmi vedie k ich denaturácii. Ióny olova často inhibujú EM 2+ metaloenzýmy a vytláčajú z nich katióny živých kovov:

Olovo a jeho zlúčeniny sú jedy, ktoré pôsobia predovšetkým na nervový systém, cievy a krv. Zlúčeniny olova zároveň ovplyvňujú syntézu bielkovín, energetickú rovnováhu buniek a ich genetický aparát.

V medicíne sa ako adstringenty používajú tieto externé antiseptiká: octan olovnatý Pb(CH3COO)2 ZH2O (olova) a oxid olovnatý PbO (olovnatá omietka). Olovené ióny týchto zlúčenín reagujú s proteínmi (albumín) v cytoplazme mikrobiálnych buniek a tkanív a vytvárajú gélovité albumináty. Tvorba gélov zabíja mikróby a navyše im sťažuje prienik do tkanivových buniek, čo znižuje lokálnu zápalovú odpoveď.

Jedným z najúžasnejších prvkov, ktorý je schopný vytvárať obrovské množstvo zlúčenín organickej a anorganickej povahy, je uhlík. Ide o prvok s takými nezvyčajnými vlastnosťami, že mu Mendelejev predpovedal veľkú budúcnosť, keď hovoril o vlastnostiach, ktoré ešte neboli odhalené.

Neskôr sa to prakticky potvrdilo. Stalo sa známym, že je to hlavný biogénny prvok našej planéty, ktorý je súčasťou absolútne všetkých živých bytostí. Okrem toho je schopný existovať vo formách, ktoré sa radikálne líšia vo všetkých ohľadoch, ale zároveň pozostávajú iba z atómov uhlíka.

Vo všeobecnosti má táto štruktúra veľa funkcií a pokúsime sa im porozumieť v priebehu článku.

Uhlík: vzorec a postavenie v sústave prvkov

V periodickej tabuľke sa prvok uhlík nachádza v skupine IV (podľa nového modelu v 14), hlavnej podskupine. Jeho atómové číslo je 6 a jeho atómová hmotnosť je 12,011. Označenie prvku znakom C označuje jeho názov v latinčine – carboneum. Existuje niekoľko rôznych foriem, v ktorých uhlík existuje. Jeho vzorec sa preto líši a závisí od konkrétnej úpravy.

Samozrejme, existuje špecifický zápis pre písanie reakčných rovníc. Vo všeobecnosti, keď hovoríme o látke v jej čistej forme, molekulárny vzorec uhlíka C je akceptovaný bez indexácie.

História objavovania prvkov

Tento prvok je známy už od staroveku. Koniec koncov, jedným z najdôležitejších minerálov v prírode je uhlie. Preto to nebolo tajomstvom pre starých Grékov, Rimanov a iné národy.

Okrem tejto odrody sa používali aj diamanty a grafit. Po dlhú dobu existovalo veľa mätúcich situácií s posledným, pretože zlúčeniny, ako sú často mylne považované za grafit bez analýzy zloženia:

strieborné olovo;
karbid železa;
Sulfid molybdénový.

Všetky boli natreté čiernou farbou, a preto boli považované za grafitové. Neskôr sa toto nedorozumenie vyjasnilo a táto forma uhlíka sa stala sama sebou.

Od roku 1725 získali diamanty veľký komerčný význam a v roku 1970 bola zvládnutá technológia ich umelej výroby. Od roku 1779 sa vďaka práci Karla Scheeleho študovali chemické vlastnosti uhlíka. To poslúžilo ako začiatok množstva dôležitých objavov v oblasti tohto prvku a stalo sa základom pre objasnenie všetkých jeho jedinečných vlastností.

Izotopy uhlíka a distribúcia v prírode

Napriek tomu, že predmetný prvok je jedným z najdôležitejších biogénnych prvkov, jeho celkový obsah v hmote zemskej kôry je 0,15%. Deje sa tak preto, že podlieha neustálemu obehu, prirodzenému kolobehu prírody.

Vo všeobecnosti môžeme vymenovať niekoľko minerálnych zlúčenín, ktoré obsahujú uhlík. Ide o prirodzené plemená ako napr.

dolomity a vápence;
antracit;
roponosná bridlica;
zemný plyn;
uhlie;
olej;
hnedé uhlie;
rašelina;
bitúmeny.

Okrem toho by sme nemali zabúdať na živé bytosti, ktoré sú jednoducho úložiskom zlúčenín uhlíka. Tvorí totiž bielkoviny, tuky, sacharidy, nukleové kyseliny, a teda najdôležitejšie štrukturálne molekuly. Vo všeobecnosti zo 70 kg suchej telesnej hmotnosti pripadá 15 na čistý prvok. A tak je to u každého človeka, nehovoriac o zvieratách, rastlinách a iných tvoroch.

Ak vezmeme do úvahy vodu, to znamená hydrosféru ako celok a atmosféru, potom existuje zmes uhlíka a kyslíka, vyjadrená vzorcom CO2. Dioxid alebo oxid uhličitý je jedným z hlavných plynov, ktoré tvoria vzduch. V tejto forme je hmotnostný podiel uhlíka 0,046%. Ešte viac oxidu uhličitého sa rozpustí vo vodách Svetového oceánu.

Atómová hmotnosť uhlíka ako prvku je 12,011. Je známe, že táto hodnota sa počíta ako aritmetický priemer medzi atómovými hmotnosťami všetkých izotopových odrôd existujúcich v prírode, pričom sa berie do úvahy ich početnosť (v percentách). To sa deje s predmetnou látkou. Existujú tri hlavné izotopy, v ktorých sa uhlík vyskytuje. toto:

12 C - jeho hmotnostný podiel je v drvivej väčšine 98,93 %;
13C - 1,07 %;
14 C - rádioaktívny, polčas rozpadu 5700 rokov, stabilný beta žiarič.

V praxi určovania geochronologického veku vzoriek sa široko používa rádioaktívny izotop 14 C, ktorý je indikátorom kvôli dlhej dobe rozpadu.

Alotropické modifikácie prvku

Uhlík je prvok, ktorý ako jednoduchá látka existuje v niekoľkých formách. To znamená, že je schopný tvoriť najväčší počet dnes známych alotropných modifikácií.

1. Kryštalické variácie – existujú vo forme silných štruktúr s pravidelnými mriežkami atómového typu. Táto skupina zahŕňa odrody ako:

diamanty;
fullerény;
grafity;
karabíny;
lonsdaleity;
a rúrky.

Všetky majú rôzne mriežky, v ktorých uzloch je atóm uhlíka. Preto sú úplne jedinečné, rozdielne vlastnosti, fyzikálne aj chemické.

2. Amorfné formy – sú tvorené atómom uhlíka, ktorý je súčasťou niektorých prírodných zlúčenín. To znamená, že nejde o čisté odrody, ale s prímesami iných prvkov v malom množstve. Táto skupina zahŕňa:

Aktívne uhlie;
kameň a drevo;
sadze;
uhlíková nanopena;
antracit;
sklovitý uhlík;
technická odroda látky.

Spájajú ich aj štrukturálne znaky kryštálovej mriežky, ktoré vysvetľujú a vykazujú vlastnosti.

3. Zlúčeniny uhlíka vo forme zhlukov. Ide o štruktúru, v ktorej sú atómy uzamknuté do špeciálnej konformácie, ktorá je zvnútra dutá, naplnená vodou alebo jadrami iných prvkov. Príklady:

uhlíkové nanokuóny;
astralény;
dikarbón.

Fyzikálne vlastnosti amorfného uhlíka

Kvôli širokej škále alotropných modifikácií je ťažké identifikovať akékoľvek všeobecné fyzikálne vlastnosti uhlíka. Je ľahšie hovoriť o konkrétnej forme. Napríklad amorfný uhlík má nasledujúce vlastnosti.

Všetky formy sú založené na jemne kryštalických odrodách grafitu.
Vysoká tepelná kapacita.
Dobré vodivé vlastnosti.
Hustota uhlíka je asi 2 g/cm3.
Pri zahriatí nad 1600 0 C dochádza k prechodu do grafitových foriem.

Odrody sadzí a kameňov sa široko používajú na technické účely. Nie sú prejavom modifikácie uhlíka v čistej forme, ale obsahujú ho vo veľmi veľkom množstve.

Kryštalický uhlík

Existuje niekoľko možností, v ktorých je uhlík látkou, ktorá tvorí pravidelné kryštály rôznych typov, kde sú atómy zapojené do série. V dôsledku toho sa vytvoria nasledujúce modifikácie.

- kubický, v ktorom sú spojené štyri štvorsteny. Výsledkom je, že všetky kovalentné chemické väzby každého atómu sú čo najviac nasýtené a silné. To vysvetľuje fyzikálne vlastnosti: hustota uhlíka 3300 kg/m3. Vysoká tvrdosť, nízka tepelná kapacita, nedostatok elektrickej vodivosti - to všetko je výsledkom štruktúry kryštálovej mriežky. Existujú technicky vyrábané diamanty. Vznikajú pri prechode grafitu na ďalšiu modifikáciu vplyvom vysokej teploty a určitého tlaku. Vo všeobecnosti je taká vysoká ako pevnosť - asi 3500 0 C.
Grafit. Atómy sú usporiadané podobne ako štruktúra predchádzajúcej látky, sú však nasýtené iba tri väzby a štvrtá sa stáva dlhšou a menej silnou; spája „vrstvy“ šesťhranných mriežkových kruhov. V dôsledku toho sa ukazuje, že grafit je na dotyk jemná, mastná čierna látka. Má dobrú elektrickú vodivosť a má vysoký bod topenia - 3525 0 C. Schopný sublimácie - sublimácia z pevného do plynného skupenstva, obchádza kvapalinu (pri teplote 3700 0 C). Hustota uhlíka je 2,26 g/cm3, čo je oveľa menej ako hustota diamantu. To vysvetľuje ich rozdielne vlastnosti. Vďaka vrstvenej štruktúre kryštálovej mriežky je možné z grafitu vyrábať tuhy. Pri prechode cez papier sa šupiny odlepia a zanechajú na papieri čiernu stopu.
fulerény. Objavili ich až v 80. rokoch minulého storočia. Sú to modifikácie, v ktorých sú uhlíky navzájom spojené do špeciálnej konvexnej uzavretej štruktúry s dutinou v strede. Okrem toho je tvar kryštálu mnohosten s pravidelnou organizáciou. Počet atómov je párny. Najznámejšia forma fullerénu C 60. Počas výskumu sa našli vzorky podobnej látky:

meteority;
spodné sedimenty;
folgurity;
šungity;
kozmického priestoru, kde boli obsiahnuté vo forme plynov.

Všetky odrody kryštalického uhlíka majú veľký praktický význam, pretože majú množstvo užitočných vlastností v technológii.

Chemická aktivita

Molekulový uhlík vykazuje nízku chemickú reaktivitu vďaka svojej stabilnej konfigurácii. Môže byť prinútený reagovať iba tým, že dodá atómu dodatočnú energiu a prinúti elektróny vonkajšej úrovne, aby sa vyparili. V tomto bode sa valencia stáva 4. Preto v zlúčeninách má oxidačný stav + 2, + 4, - 4.

Takmer všetky reakcie s jednoduchými látkami, kovmi aj nekovmi, prebiehajú pod vplyvom vysokých teplôt. Príslušným prvkom môže byť buď oxidačné činidlo alebo redukčné činidlo. Posledne menované vlastnosti sú v ňom však obzvlášť výrazné a práve to vychádza z jeho využitia v hutníckom a inom priemysle.

Vo všeobecnosti schopnosť vstúpiť do chemických interakcií závisí od troch faktorov:

disperzia uhlíka;
alotropická modifikácia;
reakčná teplota.

V niektorých prípadoch teda dochádza k interakcii s nasledujúcimi látkami:

nekovy (vodík, kyslík);
kovy (hliník, železo, vápnik a iné);
oxidy kovov a ich soli.

Nereaguje s kyselinami a zásadami, veľmi zriedkavo s halogénmi. Najdôležitejšou vlastnosťou uhlíka je schopnosť vytvárať medzi sebou dlhé reťazce. Môžu sa cyklicky uzatvárať a vytvárať vetvy. Takto dochádza k tvorbe organických zlúčenín, ktoré sa dnes počítajú na milióny. Základom týchto zlúčenín sú dva prvky – uhlík a vodík. Kompozícia môže obsahovať aj ďalšie atómy: kyslík, dusík, síru, halogény, fosfor, kovy a iné.

Základné spojenia a ich charakteristika

Existuje mnoho rôznych zlúčenín, ktoré obsahujú uhlík. Vzorec najznámejšieho z nich je CO 2 - oxid uhličitý. Okrem tohto oxidu však existuje aj CO - monoxid alebo oxid uhoľnatý, ako aj suboxid C 3 O 2.

Medzi soľami, ktoré obsahujú tento prvok, sú najčastejšie uhličitany vápenaté a horečnaté. Uhličitan vápenatý má teda vo svojom názve niekoľko synoným, keďže sa v prírode vyskytuje vo forme:

krieda;
mramor;
vápenec;
dolomit

Význam uhličitanov kovov alkalických zemín sa prejavuje v tom, že sú aktívnymi účastníkmi tvorby stalaktitov a stalagmitov, ako aj podzemných vôd.

Kyselina uhličitá je ďalšou zlúčeninou, ktorá tvorí uhlík. Jeho vzorec je H2CO3. Vo svojej obvyklej forme je však extrémne nestabilný a v roztoku sa okamžite rozkladá na oxid uhličitý a vodu. Preto sú známe iba jeho soli a nie samotné ako roztok.

Halogenidy uhlíka sa získavajú hlavne nepriamo, pretože k priamej syntéze dochádza len pri veľmi vysokých teplotách a s nízkymi výťažkami produktu. Jedným z najbežnejších je CCL 4 - tetrachlórmetán. Toxická zlúčenina, ktorá pri vdýchnutí môže spôsobiť otravu. Získava sa radikálnymi fotochemickými substitučnými reakciami v metáne.

Karbidy kovov sú zlúčeniny uhlíka, v ktorých vykazujú oxidačný stav 4. Je tiež možné, že existujú kombinácie s bórom a kremíkom. Hlavnou vlastnosťou karbidov niektorých kovov (hliník, volfrám, titán, niób, tantal, hafnium) je vysoká pevnosť a vynikajúca elektrická vodivosť. Karbid bóru B 4 C je po diamante jednou z najtvrdších látok (9,5 podľa Mohsa). Tieto zlúčeniny sa využívajú v technológii, ale aj v chemickom priemysle ako zdroje uhľovodíkov (karbid vápnika s vodou vedie k tvorbe acetylénu a hydroxidu vápenatého).

Mnohé zliatiny kovov sa vyrábajú s použitím uhlíka, čím sa výrazne zvyšuje ich kvalita a technické vlastnosti (oceľ je zliatina železa a uhlíka).

Osobitnú pozornosť si zasluhuje množstvo organických zlúčenín uhlíka, v ktorých ide o základný prvok, ktorý sa môže spájať s rovnakými atómami a vytvárať dlhé reťazce rôznych štruktúr. Tie obsahujú:

alkány;
alkény;
arény;
proteíny;
uhľohydráty;
nukleové kyseliny;
alkoholy;
karboxylové kyseliny a mnoho ďalších tried látok.

Aplikácia uhlíka

Význam zlúčenín uhlíka a ich alotropných modifikácií v živote človeka je veľmi veľký. Môžete vymenovať niekoľko najglobálnejších odvetví, aby bolo jasné, že je to skutočne tak.

Tento prvok tvorí všetky druhy organického paliva, z ktorého ľudia získavajú energiu.
Hutnícky priemysel využíva uhlík ako silné redukčné činidlo na získavanie kovov z ich zlúčenín. Aj tu sa hojne využívajú uhličitany.
Stavebníctvo a chemický priemysel spotrebúvajú obrovské množstvá uhlíkových zlúčenín na syntézu nových látok a výrobu potrebných produktov.

Môžete tiež pomenovať také odvetvia hospodárstva ako:

jadrový priemysel;
výroba šperkov;
technické vybavenie (mazivá, tepelne odolné tégliky, ceruzky atď.);
určenie geologického veku hornín - rádioaktívny indikátor 14 C;
Uhlík je vynikajúci adsorbent, čo umožňuje jeho použitie na výrobu filtrov.

Cyklistika v prírode

Množstvo uhlíka, ktoré sa nachádza v prírode, je zahrnuté v konštantnom cykle, ktorý sa cyklicky vyskytuje každú sekundu po celej zemeguli. Atmosférický zdroj uhlíka, CO 2, je teda absorbovaný rastlinami a uvoľňovaný všetkými živými bytosťami počas dýchania. Akonáhle sa dostane do atmosféry, je opäť absorbovaný, a tak cyklus pokračuje. V tomto prípade smrť organických zvyškov vedie k uvoľneniu uhlíka a jeho hromadeniu v zemi, odkiaľ je potom opäť absorbovaný živými organizmami a uvoľnený do atmosféry vo forme plynu.