الكربون - الخصائص الكيميائية والفيزيائية. الكربون - الخصائص الكيميائية والفيزيائية الكتلة الذرية للكربون

محتوى المقال

كربون، C (carboneum) ، عنصر كيميائي غير معدني من المجموعة IVA (C ، Si ، Ge ، Sn ، Pb) من الجدول الدوري للعناصر. يحدث في الطبيعة في شكل بلورات الماس (الشكل 1) ، الجرافيت أو الفوليرين وأشكال أخرى وهو جزء من العضوية (الفحم والزيت والكائنات الحيوانية والنباتية ، وما إلى ذلك) و مواد غير عضوية(الحجر الجيري ، صودا الخبز ، إلخ).

ينتشر الكربون على نطاق واسع ، لكن محتواه في قشرة الأرض لا يتجاوز 0.19٪.


يستخدم الكربون على نطاق واسع في شكل مواد بسيطة. بالإضافة إلى الماس الثمين ، وهو موضوع المجوهرات ، فإن الماس الصناعي له أهمية كبيرة - لتصنيع أدوات الطحن والقطع.

يستخدم الفحم وغيره من أشكال الكربون غير المتبلورة لإزالة اللون ، والتنقية ، وامتصاص الغازات ، في مجالات التكنولوجيا التي تتطلب مواد ماصة ذات سطح مطور. تتميز الكربيدات ، مركبات الكربون مع المعادن ، وكذلك مع البورون والسيليكون (على سبيل المثال ، Al 4 C 3 ، SiC ، B 4 C) بصلابة عالية وتستخدم لصنع أدوات الكشط والقطع. يوجد الكربون في الفولاذ والسبائك في الحالة الأولية وفي شكل كربيدات. يؤدي تشبع سطح المسبوكات الفولاذية بالكربون عند درجة حرارة عالية (تدعيم) إلى زيادة صلابة السطح ومقاومة التآكل بشكل كبير. أنظر أيضاسبائك.

هناك العديد من أشكال الجرافيت المختلفة في الطبيعة. يتم الحصول على بعضها بشكل مصطنع ؛ تتوفر أشكال غير متبلورة (مثل فحم الكوك والفحم). يتكون السخام وفحم العظام والأسود المصباح والأسيتيلين الأسود عند حرق الهيدروكربونات في غياب الأكسجين. ما يسمى الكربون الأبيضتم الحصول عليها عن طريق تسامي الجرافيت الانحلال الحراري تحت ضغط منخفض - هذه هي أصغر بلورات شفافة من أوراق الجرافيت مع حواف مدببة.

مرجع التاريخ.

عُرف الجرافيت والماس والكربون غير المتبلور منذ العصور القديمة. من المعروف منذ فترة طويلة أنه يمكن تمييز المواد الأخرى بالجرافيت ، واقترح أ. مرتبك ، غالبًا ما يتم الخلط بين المواد ذات الخصائص الفيزيائية الخارجية المماثلة. ، مثل الموليبدينيت (كبريتيد الموليبدينوم) ، في وقت واحد تعتبر الجرافيت. تشمل الأسماء الأخرى للجرافيت "الرصاص الأسود" و "كربيد الحديد" و "الرصاص الفضي". في عام 1779 ، وجد K. Scheele أنه يمكن أكسدة الجرافيت بالهواء لتكوين ثاني أكسيد الكربون.

لأول مرة ، تم استخدام الماس في الهند والبرازيل ، واكتسبت الأحجار الكريمة أهمية تجارية في عام 1725 ؛ تم اكتشاف رواسب في جنوب إفريقيا عام 1867. في القرن العشرين. المنتجون الرئيسيون للماس هم جنوب إفريقيا وزائير وبوتسوانا وناميبيا وأنغولا وسيراليون وتنزانيا وروسيا. يتم إنتاج الماس الاصطناعي ، الذي تم إنشاء التكنولوجيا الخاصة به في عام 1970 ، للأغراض الصناعية.

التآصل.

إذا كانت الوحدات الهيكلية للمادة (ذرات العناصر أحادية الذرة أو جزيئات العناصر والمركبات متعددة الذرات) قادرة على الاندماج مع بعضها البعض في أكثر من شكل بلوري ، فإن هذه الظاهرة تسمى التآصل. يحتوي الكربون على ثلاثة تعديلات متآصلة - الماس والجرافيت والفوليرين. في الماس ، تحتوي كل ذرة كربون على 4 جيران يقعون رباعي السطوح ، مما يشكل بنية مكعبة (الشكل 1 ، أ). يتوافق هذا الهيكل مع الحد الأقصى للتساهم في الرابطة ، وتشكل جميع الإلكترونات الأربعة لكل ذرة كربون روابط C-C عالية القوة ، أي لا توجد إلكترونات موصلة في الهيكل. لذلك ، يتميز الماس بنقص الموصلية ، والتوصيل الحراري المنخفض ، والصلابة العالية ؛ إنها أصعب مادة معروفة (الشكل 2). يتطلب كسر الرابطة C-C (طول الرابطة 1.54 Å ، ومن ثم نصف القطر التساهمي 1.54 / 2 = 0.77 Å) في هيكل رباعي السطوح الكثير من الطاقة ، لذلك فإن الماس ، إلى جانب الصلابة الاستثنائية ، يتميز بنقطة انصهار عالية (3550) درجة مئوية).

شكل آخر من أشكال الكربون هو الجرافيت ، والذي يختلف اختلافًا كبيرًا عن الماس في الخصائص. الجرافيت مادة سوداء ناعمة من بلورات التقشير السهلة ، وتتميز بموصلية كهربائية جيدة (المقاومة الكهربائية 0.0014 أوم سم). لذلك ، يتم استخدام الجرافيت في مصابيح القوس والأفران (الشكل 3) ، حيث من الضروري إنشاء درجات حرارة عالية. يستخدم الجرافيت عالي النقاء في المفاعلات النووية كوسيط نيوتروني. نقطة انصهاره عند ضغط مرتفع هي 3527 درجة مئوية عند الضغط الطبيعي ، يتسامى الجرافيت (ينتقل من الحالة الصلبة إلى الغاز) عند 3780 درجة مئوية.

هيكل الجرافيت (الشكل 1 ، ب) عبارة عن نظام من حلقات سداسية مدمجة بطول رابطة يبلغ 1.42 (أقصر بكثير من الماس) ، لكن كل ذرة كربون لها ثلاثة (بدلاً من أربعة ، كما في الماس) روابط تساهمية مع ثلاثة جيران ، والرابطة الرابعة (3.4) Å) طويلة جدًا بالنسبة للرابطة التساهمية وتربط بشكل ضعيف طبقات الجرافيت المكدسة المتوازية ببعضها البعض. إنه الإلكترون الكربوني الرابع الذي يحدد التوصيل الحراري والكهربائي للجرافيت - هذه الرابطة الأطول والأقل قوة تشكل الجرافيت الأقل ضغطًا ، وهو ما ينعكس في صلابته المنخفضة مقارنة بالماس (كثافة الجرافيت 2.26 جم / سم 3 ، الماس - 3.51 ز / سم 3). للسبب نفسه ، يكون الجرافيت زلقًا عند اللمس ويفصل بسهولة رقائق المادة ، والتي تُستخدم في صنع مواد التشحيم وخيوط القلم الرصاص. يرجع بريق الرصاص بشكل أساسي إلى وجود الجرافيت.

تتمتع ألياف الكربون بقوة عالية ويمكن استخدامها في صناعة الحرير الصناعي أو خيوط أخرى عالية الكربون.

عند الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية ، وفي وجود محفز مثل الحديد ، يمكن تحويل الجرافيت إلى ماس. تم تنفيذ هذه العملية للإنتاج الصناعي للماس الاصطناعي. تنمو بلورات الماس على سطح المحفز. يوجد توازن الجرافيت والماس عند 15000 atm و 300 K أو عند 4000 atm و 1500 K. يمكن أيضًا الحصول على الماس الاصطناعي من الهيدروكربونات.

تشتمل الأشكال غير المتبلورة من الكربون التي لا تشكل بلورات على الفحم الذي يتم الحصول عليه عن طريق تسخين شجرة بدون وصول الهواء ، والمصباح والسخام الغازي المتكون أثناء الاحتراق بدرجة حرارة منخفضة للهيدروكربونات مع نقص الهواء والمكثف على سطح بارد ، فحم العظام هو خليط من فوسفات الكالسيوم في عملية أقمشة تدمير العظام ، وكذلك الفحم (مادة طبيعية مع شوائب) وفحم الكوك ، بقايا جافة يتم الحصول عليها من فحم الكوك للوقود عن طريق التقطير الجاف للفحم أو بقايا الزيت (الفحم القاري) ، أي تدفئة بدون هواء. يستخدم فحم الكوك لصهر الحديد ، في المعادن الحديدية وغير الحديدية. أثناء فحم الكوك ، تتشكل المنتجات الغازية أيضًا - غاز أفران الكوك (H 2 ، CH 4 ، CO ، إلخ) والمنتجات الكيميائية التي تعد مواد خام لإنتاج البنزين والدهانات والأسمدة والأدوية والبلاستيك ، إلخ. يظهر مخطط الجهاز الرئيسي لإنتاج فحم الكوك - فرن فحم الكوك - في الشكل. 3.

تتميز أنواع مختلفة من الفحم والسخام بسطح متطور ، وبالتالي فهي تستخدم كمواد ماصة لتنقية الغاز والسائل ، فضلاً عن المواد الحفازة. للحصول على أشكال مختلفة من الكربون ، يتم استخدام طرق خاصة للتكنولوجيا الكيميائية. يتم الحصول على الجرافيت الاصطناعي عن طريق تكليس أنثراسايت أو كوك البترول بين أقطاب الكربون عند 2260 درجة مئوية (عملية أتشيسون) ويستخدم في إنتاج مواد التشحيم والأقطاب الكهربائية ، ولا سيما لإنتاج المعادن بالكهرباء.

هيكل ذرة الكربون.

تحتوي نواة نظير الكربون الأكثر استقرارًا للكتلة 12 (98.9٪ وفرة) على 6 بروتونات و 6 نيوترونات (12 نيوترونات) مرتبة في ثلاثة رباعيات ، تحتوي كل منها على 2 بروتون واثنين من النيوترون ، على غرار نواة الهيليوم. نظير كربون مستقر آخر هو 13 درجة مئوية (حوالي 1.1٪) ، والنظير غير المستقر 14 ج موجود في الطبيعة بكميات ضئيلة بعمر نصف يبلغ 5730 سنة ، وهو ب-إشعاع. تشارك النظائر الثلاثة في شكل ثاني أكسيد الكربون في دورة الكربون العادية للمادة الحية. بعد موت كائن حي ، يتوقف استهلاك الكربون ويمكن تأريخ الأجسام المحتوية على C عن طريق قياس مستوى النشاط الإشعاعي 14. ب- إشعاع 14 CO 2 يتناسب مع الوقت المنقضي منذ الوفاة. في عام 1960 ، مُنح دبليو ليبي جائزة نوبل للبحث في الكربون المشع.

في الحالة الأرضية ، تشكل 6 إلكترونات من الكربون تكوينًا إلكترونيًا لـ 1 س 2 2س 2 2مقصف 1 2السنة التحضيرية 1 2ص 0. أربعة إلكترونات من المستوى الثاني هي التكافؤ ، والذي يتوافق مع موضع الكربون في مجموعة IVA من النظام الدوري ( سم. الجدول الدوري للعناصر). نظرًا لأن فصل الإلكترون عن الذرة في الطور الغازي يتطلب طاقة كبيرة (حوالي 1070 كيلوجول / مول) ، فإن الكربون لا يشكل روابط أيونية مع عناصر أخرى ، لأن هذا يتطلب فصل الإلكترون مع تكوين موجب. أيون. مع كهرسلبية 2.5 ، لا يُظهر الكربون تقاربًا قويًا للإلكترون ، وبالتالي فهو ليس متقبلًا نشطًا للإلكترون. لذلك ، فهي ليست عرضة لتكوين جسيم بشحنة سالبة. ولكن مع الطبيعة الأيونية جزئيًا للرابطة ، توجد بعض مركبات الكربون ، على سبيل المثال ، الكربيدات. في المركبات ، يُظهر الكربون حالة أكسدة تبلغ 4. لكي تتمكن أربعة إلكترونات من المشاركة في تكوين الروابط ، من الضروري إزالة 2 س-الإلكترونات وقفز أحد هذه الإلكترونات بمقدار 2 صمداري. في هذه الحالة ، يتم تشكيل 4 روابط رباعية السطوح بزاوية بينهما 109 درجة. في المركبات ، يتم سحب إلكترونات التكافؤ للكربون بشكل جزئي فقط ، لذلك يشكل الكربون روابط تساهمية قوية بين الذرات المجاورة من النوع C-C باستخدام زوج إلكترون مشترك. طاقة التمزق لهذه الرابطة هي 335 kJ / mol ، بينما بالنسبة لرابطة Si – Si فهي 210 kJ / mol فقط ؛ لذلك ، السلاسل الطويلة - Si - Si - غير مستقرة. يتم الاحتفاظ بالطبيعة التساهمية للرابطة حتى في مركبات الهالوجينات عالية التفاعل مع الكربون ، CF 4 و CCl 4. ذرات الكربون قادرة على توفير أكثر من إلكترون واحد من كل ذرة كربون لتكوين الرابطة ؛ وبالتالي يتم تشكيل روابط C = C المزدوجة وثلاثية CºC. تشكل العناصر الأخرى أيضًا روابط بين ذراتها ، لكن الكربون فقط هو القادر على تكوين سلاسل طويلة. لذلك ، تُعرف آلاف المركبات بالكربون ، وتسمى الهيدروكربونات ، حيث يرتبط الكربون بالهيدروجين وذرات الكربون الأخرى ، وتشكل سلاسل طويلة أو هياكل حلقية. سم. الكيمياء العضوية.

في هذه المركبات ، من الممكن استبدال الهيدروجين بذرات أخرى ، غالبًا بالأكسجين والنيتروجين والهالوجينات ، مع تكوين العديد من المركبات العضوية. تحتل الفلوروكربونات ، الهيدروكربونات التي يتم فيها استبدال الهيدروجين بالفلور ، مكانًا مهمًا بينها. هذه المركبات خاملة للغاية ، وتستخدم كالبلاستيك ومواد التشحيم (الفلوروكربونات ، أي الهيدروكربونات التي يتم فيها استبدال جميع ذرات الهيدروجين بذرات الفلور) وكمبردات منخفضة الحرارة (فريونات ، أو فريونات ، - فلورو كلورو هيدروكربونات).

في الثمانينيات ، اكتشف الفيزيائيون الأمريكيون مركبات كربون مثيرة جدًا للاهتمام حيث ترتبط ذرات الكربون في 5 أو 6 غون ، مكونة جزيء C 60 على شكل كرة مجوفة مع تناسق مثالي لكرة القدم. نظرًا لأن مثل هذا التصميم يكمن وراء "القبة الجيوديسية" التي اخترعها المهندس المعماري الأمريكي بكمنستر فولر ، فقد أطلق على الفئة الجديدة من المركبات اسم "Buckminsterfullerenes" أو "الفوليرين" (وأيضًا ، باختصار ، "fasiballs" أو "buckyballs"). تم الحصول على الفوليرين - التعديل الثالث للكربون النقي (باستثناء الماس والجرافيت) ، والذي يتكون من 60 أو 70 (بل وأكثر) ذرة - عن طريق عمل إشعاع الليزر على أصغر جزيئات الكربون. تتكون الفوليرينات ذات الشكل الأكثر تعقيدًا من عدة مئات من ذرات الكربون. يبلغ قطر جزيء C 60 حوالي 1 نانومتر. هناك مساحة كافية في وسط هذا الجزيء لاستيعاب ذرة يورانيوم كبيرة.

الكتلة الذرية القياسية.

في عام 1961 ، اعتمدت الاتحادات الدولية للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) وفي الفيزياء كتلة نظير الكربون 12 درجة مئوية كوحدة للكتلة الذرية ، مما أدى إلى إلغاء مقياس الأوكسجين الموجود سابقًا للكتل الذرية. الكتلة الذرية للكربون في هذا النظام هي 12.011 ، حيث إنها متوسط ​​نظائر الكربون الطبيعية الثلاثة ، مع الأخذ في الاعتبار وفرتها في الطبيعة. سم. الكتلة الذرية.

الخواص الكيميائية للكربون وبعض مركباته.

يتم إعطاء بعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكربون في مقالة العناصر الكيميائية. تعتمد تفاعلية الكربون على تعديله ودرجة حرارته وتشتته. في درجات الحرارة المنخفضة ، تكون جميع أشكال الكربون خاملة تمامًا ، ولكن عند تسخينها ، تتأكسد بواسطة الأكسجين الجوي ، مكونة أكاسيد:

يمكن للكربون المشتت ناعماً الزائد عن الأكسجين أن ينفجر عند تسخينه أو من شرارة. بالإضافة إلى الأكسدة المباشرة ، هناك المزيد الأساليب الحديثةالحصول على أكاسيد.

ثاني أكسيد الكربون

يتكون C 3 O 2 أثناء تجفيف حمض المالونيك فوق P 4 O 10:

C 3 O 2 له رائحة كريهة ، يتحلل بالماء بسهولة ، ويعيد تكوين حمض المالونيك.

أول أكسيد الكربون (II)يتكون ثاني أكسيد الكربون أثناء أكسدة أي تعديل للكربون في غياب الأكسجين. التفاعل طارد للحرارة ، يتم تحرير 111.6 كيلوجول / مول. يتفاعل فحم الكوك عند حرارة بيضاء مع الماء: C + H 2 O = CO + H 2 ؛ ويسمى خليط الغاز الناتج "غاز الماء" وهو وقود غازي. يتشكل ثاني أكسيد الكربون أيضًا أثناء الاحتراق غير الكامل للمنتجات البترولية ، ويوجد بكميات كبيرة في عوادم السيارات ، ويتم الحصول عليه عن طريق التفكك الحراري لحمض الفورميك:

حالة أكسدة الكربون في CO هي +2 ، وبما أن الكربون أكثر استقرارًا في حالة الأكسدة +4 ، يتأكسد CO بسهولة بالأكسجين إلى CO 2: CO + O 2 → CO 2 ، هذا التفاعل طارد للحرارة بدرجة عالية (283 kJ / مول). يستخدم ثاني أكسيد الكربون في الصناعة في خليط مع H 2 والغازات القابلة للاحتراق الأخرى كوقود أو عامل اختزال غازي. عند التسخين إلى 500 درجة مئوية ، يشكل ثاني أكسيد الكربون C و CO 2 إلى حد ملحوظ ، ولكن عند 1000 درجة مئوية ، يتحقق التوازن عند تركيزات منخفضة من ثاني أكسيد الكربون. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الكلور ، ويشكل الفوسجين - COCl 2 ، وتجري التفاعلات مع الهالوجينات الأخرى بشكل مشابه ، في التفاعل مع الكبريت ، يتم الحصول على كبريتيد الكربونيل COS ، مع المعادن (M) CO تشكل الكربونيل من التراكيب المختلفة M (CO) x، وهي مركبات معقدة. يتكون الحديد الكربوني عن طريق تفاعل الهيموجلوبين في الدم مع ثاني أكسيد الكربون ، مما يمنع تفاعل الهيموجلوبين مع الأكسجين ، لأن كربونيل الحديد مركب أقوى. نتيجة لذلك ، يتم حظر وظيفة الهيموجلوبين كحامل للأكسجين للخلايا ، والتي تموت بعد ذلك (وتتأثر خلايا الدماغ أولاً وقبل كل شيء). (ومن هنا اسم آخر لـ CO - "أول أكسيد الكربون"). بالفعل 1 ٪ (المجلد) من ثاني أكسيد الكربون في الهواء تشكل خطورة على الشخص إذا كان في مثل هذا الجو لأكثر من 10 دقائق. بعض الخصائص الفيزيائيةيتم إعطاء RMs في الجدول.

ثاني أكسيد الكربون أو أول أكسيد الكربون (IV)يتكون ثاني أكسيد الكربون أثناء احتراق الكربون الأولي في الأكسجين الزائد مع إطلاق حرارة (395 كيلوجول / مول). يتكون ثاني أكسيد الكربون (الاسم البسيط هو "ثاني أكسيد الكربون") أيضًا أثناء الأكسدة الكاملة لثاني أكسيد الكربون ، والمنتجات البترولية ، والبنزين ، والزيوت ، والمركبات العضوية الأخرى. عندما تذوب الكربونات في الماء ، ينطلق ثاني أكسيد الكربون أيضًا نتيجة للتحلل المائي:

غالبًا ما يستخدم هذا التفاعل في الممارسة المختبرية للحصول على ثاني أكسيد الكربون. يمكن الحصول على هذا الغاز أيضًا عن طريق تكليس البيكربونات المعدنية:

في تفاعل الطور الغازي للبخار شديد السخونة مع ثاني أكسيد الكربون:

عند حرق الهيدروكربونات ومشتقاتها من الأكسجين ، على سبيل المثال:

وبالمثل ، تتأكسد المنتجات الغذائية في كائن حي بإطلاق الحرارة وأنواع أخرى من الطاقة. في هذه الحالة ، تستمر الأكسدة في ظل ظروف معتدلة عبر مراحل وسيطة ، ولكن المنتجات النهائية هي نفسها - CO 2 و H 2 O ، على سبيل المثال ، أثناء تحلل السكريات تحت تأثير الإنزيمات ، ولا سيما أثناء التخمير من الجلوكوز:

يتم إنتاج كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد المعادن في الصناعة عن طريق التحلل الحراري للكربونات:

يستخدم CaO بكميات كبيرة في تكنولوجيا إنتاج الأسمنت. يزيد الاستقرار الحراري للكربونات واستهلاك الحرارة لتحللها وفقًا لهذا المخطط في سلسلة CaCO 3 ( أنظر أيضاالوقاية من الحرائق والحماية من الحرائق).

التركيب الإلكتروني لأكاسيد الكربون.

يمكن وصف التركيب الإلكتروني لأي أول أكسيد كربون بثلاثة مخططات قابلة للتجهيز بترتيبات مختلفة من أزواج الإلكترون - ثلاثة أشكال رنانة:

جميع أكاسيد الكربون لها هيكل خطي.

حمض الكربونيك.

عندما يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء ، يتشكل حمض الكربونيك H 2 CO 3. في محلول مشبع من CO 2 (0.034 مول / لتر) ، يشكل جزء فقط من الجزيئات H 2 CO 3 ، ويكون معظم ثاني أكسيد الكربون في الحالة المائية لـ CO 2 CHH 2 O.

كربونات.

تتشكل الكربونات عن طريق تفاعل أكاسيد المعادن مع ثاني أكسيد الكربون ، على سبيل المثال ، Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

باستثناء كربونات الفلزات القلوية ، فإن الباقي غير قابل للذوبان عمليًا في الماء ، وكربونات الكالسيوم قابلة للذوبان جزئيًا في حمض الكربونيك أو محلول ثاني أكسيد الكربون في الماء المضغوط:

تحدث هذه العمليات في المياه الجوفية المتدفقة عبر طبقة الحجر الجيري. تحت ظروف الضغط المنخفض والتبخر ، يترسب كربونات الكالسيوم 3 من المياه الجوفية المحتوية على Ca (HCO 3) 2. هذه هي الطريقة التي تنمو بها الهوابط والصواعد في الكهوف. يفسر لون هذه التكوينات الجيولوجية المثيرة للاهتمام وجود شوائب من الحديد والنحاس والمنغنيز وأيونات الكروم في المياه. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع هيدروكسيدات المعادن ومحاليلها لتكوين الهيدروكربونات ، على سبيل المثال:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

رباعي كلوريد CCl هو مادة غير قابلة للاشتعال ، تستخدم كمذيب في عمليات التنظيف الجاف ، ولكن لا يوصى باستخدامه كمثبط للهب ، لأنه عند درجة حرارة عالية يشكل الفوسجين السام (مادة سامة غازية). CCl 4 نفسه سام أيضًا ، وإذا تم استنشاقه بكميات ملحوظة ، يمكن أن يسبب تسمم الكبد. يتشكل CCl 4 أيضًا عن طريق تفاعل كيميائي ضوئي بين الميثان CH 4 و Cl 2 ؛ في هذه الحالة ، يمكن تكوين نواتج كلورة غير مكتملة للميثان - CHCl 3 و CH 2 Cl 2 و CH 3 Cl. تستمر التفاعلات بشكل مشابه مع الهالوجينات الأخرى.

تفاعلات الجرافيت.

يدخل الجرافيت كتعديل للكربون ، يتميز بمسافات كبيرة بين طبقات الحلقات السداسية ، في تفاعلات غير عادية ، على سبيل المثال ، المعادن القلوية والهالوجينات وبعض الأملاح (FeCl 3) تخترق بين الطبقات ، وتشكل مركبات KC 8 ، KC 16 نوعًا (يسمى بينيًا أو تضمينًا أو كلثرات). العوامل المؤكسدة القوية مثل KClO 3 في وسط حمضي (حمض الكبريتيك أو حمض النيتريك) تشكل مواد ذات حجم شبكي بلوري كبير (يصل إلى 6 Å بين الطبقات) ، وهو ما يفسر من خلال إدخال ذرات الأكسجين وتكوين المركبات ، على سطحها ، نتيجة الأكسدة ، مجموعات الكربوكسيل (–COOH) - مركبات مثل الجرافيت المؤكسد أو حمض mellitic (benzenehexacarboxylic) C 6 (COOH). في هذه المركبات ، يمكن أن تختلف نسبة C: O من 6: 1 إلى 6: 2.5.

كربيدات.

يتكون الكربون مع المعادن والبورون والسيليكون مركبات مختلفة تسمى الكربيدات. أكثر المعادن نشاطا (المجموعات الفرعية IA-IIIA) تشكل كربيدات شبيهة بالملح ، على سبيل المثال ، Na 2 C 2 ، CaC 2 ، Mg 4 C 3 ، Al 4 C 3. في الصناعة ، يتم الحصول على كربيد الكالسيوم من فحم الكوك والحجر الجيري من خلال التفاعلات التالية:

الكربيدات غير موصلة ، عديمة اللون تقريبًا ، تتحلل بالماء لتشكيل الهيدروكربونات ، على سبيل المثال

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

يعمل الأسيتيلين C 2 H 2 الناتج عن التفاعل كمادة وسيطة في إنتاج العديد من المواد العضوية. هذه العملية مثيرة للاهتمام لأنها تمثل الانتقال من المواد الخام ذات الطبيعة غير العضوية إلى تخليق المركبات العضوية. تسمى الكربيدات التي تشكل الأسيتيلين عند التحلل المائي الأسيتيلات. في السيليكون وكربيدات البورون (SiC و B 4 C) ، تكون الرابطة بين الذرات تساهمية. المعادن الانتقالية (عناصر المجموعة الفرعية B) عند تسخينها بالكربون تشكل أيضًا كربيدات ذات تكوين متغير في الشقوق على سطح المعدن ؛ السند الموجود فيها قريب من المعدن. تتميز بعض الكربيدات من هذا النوع ، مثل WC و W 2 C و TiC و SiC ، بالصلابة العالية والحرارية ، ولها موصلية كهربائية جيدة. على سبيل المثال ، NbC و TaC و HfC هي أكثر المواد مقاومة للحرارة (mp = 4000-4200 درجة مئوية) ، وكربيد الدينوبيوم Nb 2 C هو موصل فائق عند 9.18 كلفن ، و TiC و W 2 C قريبان من صلابة الماس ، والصلابة B 4 درجة مئوية (التناظرية الهيكلية للماس) هي 9.5 على مقياس موس ( سم. أرز. 2). تتشكل الكربيدات الخاملة إذا كان نصف قطر المعدن الانتقالي

مشتقات النيتروجين من الكربون.

تشمل هذه المجموعة اليوريا NH 2 CONH 2 - سماد نيتروجين يستخدم في شكل محلول. يتم الحصول على اليوريا من NH3 و CO 2 عند تسخينها تحت ضغط:

يتشابه السيانوجين (CN) 2 في العديد من الخصائص مع الهالوجين وغالبًا ما يشار إليه على أنه الهالوجين الكاذب. يتم الحصول على السيانيد عن طريق أكسدة معتدلة لأيون السيانيد بالأكسجين أو فوق أكسيد الهيدروجين أو أيون النحاس 2+: 2CN - ® (CN) 2 + 2e.

يشكل أيون السيانيد ، كونه مانحًا للإلكترون ، مركبات معقدة بسهولة مع أيونات معدنية انتقالية. مثل ثاني أكسيد الكربون ، أيون السيانيد هو سم ، يربط مركبات الحديد الحيوية في الكائن الحي. أيونات السيانيد المعقدة لها الصيغة العامة -0.5 x، أين Xهو رقم التنسيق للمعدن (عامل التركيب) ، يساوي تجريبياً ضعف قيمة حالة أكسدة أيون الفلز. ومن الأمثلة على هذه الأيونات المعقدة (يرد أدناه تركيب بعض الأيونات) رباعي النيكل (II) - أيون 2– ، هيكساسيانوفيرات (III) 3– ، ديسيانو أرجنتيت -:

كاربونيل.

أول أكسيد الكربون قادر على التفاعل مباشرة مع العديد من المعادن أو أيونات المعادن ، مكونًا مركبات معقدة تسمى الكربونيل ، مثل Ni (CO) 4 ، Fe (CO) 5 ، Fe 2 (CO) 9 ، 3 ، Mo (CO) 6 ، 2 . الرابطة في هذه المركبات مشابهة للرابطة في مجمعات cyano الموصوفة أعلاه. Ni (CO) 4 مادة متطايرة تستخدم لفصل النيكل عن المعادن الأخرى. غالبًا ما يرتبط تدهور بنية الحديد الزهر والصلب في الهياكل بتكوين الكربونيل. يمكن أن يكون الهيدروجين جزءًا من مركبات الكربونيل ، مكونًا هيدرات الكربونيل ، مثل H 2 Fe (CO) 4 و HCo (CO) 4 ، والتي تظهر خصائص حمضية وتتفاعل مع القلويات:

H 2 Fe (CO) 4 + NaOH → NaHFe (CO) 4 + H 2 O

تُعرف هاليدات الكربونيل أيضًا ، على سبيل المثال Fe (CO) X 2 ، Fe (CO) 2 X 2 ، Co (CO) I 2 ، Pt (CO) Cl 2 ، حيث X هي أي هالوجين.

الهيدروكربونات.

من المعروف أن عددًا كبيرًا من مركبات الكربون مع الهيدروجين

  • التعيين - C (الكربون) ؛
  • الفترة - II ؛
  • المجموعة - 14 (IVa) ؛
  • الكتلة الذرية - 12.011 ؛
  • العدد الذري - 6 ؛
  • نصف قطر الذرة = 77 م.
  • نصف القطر التساهمي = 77 م ؛
  • توزيع الإلكترونات - 1s 2 2s 2 2p 2 ؛
  • نقطة الانصهار = 3550 درجة مئوية ؛
  • نقطة الغليان = 4827 درجة مئوية ؛
  • الكهربية (حسب Pauling / وفقًا لـ Alpred و Rochov) = 2.55 / 2.50 ؛
  • حالة الأكسدة: +4 ، +3 ، +2 ، +1 ، 0 ، -1 ، -2 ، -3 ، -4 ؛
  • الكثافة (غير معروف) = 2.25 جم / سم 3 (الجرافيت) ؛
  • الحجم المولي = 5.3 سم 3 / مول.
مركبات الكربون:

الكربون على شكل فحم معروف للإنسان منذ زمن بعيد ، لذلك لا معنى للحديث عن تاريخ اكتشافه. في الواقع ، حصل الكربون على اسمه في عام 1787 ، عندما نُشر كتاب "طريقة التسمية الكيميائية" ، حيث ظهر مصطلح "الكربون" (كاربوني) بدلاً من الاسم الفرنسي "الفحم النقي" (charbone pur).

يمتلك الكربون قدرة فريدة على تكوين سلاسل بوليمر ذات أطوال غير محدودة ، مما يؤدي إلى ظهور فئة ضخمة من المركبات ، والتي يتم دراستها بواسطة فرع منفصل من الكيمياء - الكيمياء العضوية. مركبات الكربون العضوية تكمن وراء الحياة على الأرض ، لذلك لا معنى للحديث عن أهمية الكربون كعنصر كيميائي - إنه أساس الحياة على الأرض.

فكر الآن في الكربون من وجهة نظر الكيمياء غير العضوية.


أرز. هيكل ذرة الكربون.

التكوين الإلكتروني للكربون هو 1s 2 2s 2 2p 2 (انظر التركيب الإلكتروني للذرات). على مستوى الطاقة الخارجية ، يحتوي الكربون على 4 إلكترونات: 2 مقترن على المستوى الفرعي s + 2 غير مقترن على المدارات p. عندما تنتقل ذرة كربون إلى حالة مثارة (تتطلب تكاليف طاقة) ، فإن إلكترونًا واحدًا من المستوى الفرعي s "يترك" زوجها ويذهب إلى المستوى الفرعي p ، حيث يوجد مدار حر واحد. وهكذا ، في حالة الإثارة ، يتخذ التكوين الإلكتروني لذرة الكربون الشكل التالي: 1s 2 2s 1 2p 3.


أرز. انتقال ذرة الكربون إلى حالة الإثارة.

يوسع هذا "التبييت" بشكل كبير من احتمالات التكافؤ لذرات الكربون ، والتي يمكن أن تأخذ حالة الأكسدة من +4 (في المركبات ذات العناصر غير الفلزية النشطة) إلى -4 (في المركبات التي تحتوي على معادن).

في الحالة غير المستثارة ، يكون لذرة الكربون في المركبات تكافؤ 2 ، على سبيل المثال ، ثاني أكسيد الكربون (II) ، وفي حالة الإثارة يكون لها 4: CO 2 (IV).

يكمن "تفرد" ذرة الكربون في حقيقة أن هناك 4 إلكترونات على مستوى طاقتها الخارجية ، وبالتالي ، لإكمال المستوى (الذي ، في الواقع ، ذرات أي عنصر كيميائي تسعى إليه) ، يمكن أن تعطي و نعلق مع نفس الإلكترونات "النجاح" لتشكيل روابط تساهمية (انظر الرابطة التساهمية).

الكربون كمادة بسيطة

كمادة بسيطة ، يمكن أن يكون الكربون في شكل العديد من التعديلات المتآصلة:

  • الماس
  • الجرافيت
  • الفوليرين
  • كاربين

الماس


أرز. شعرية الكريستال من الماس.

خصائص الماس:

  • مادة بلورية عديمة اللون
  • أصعب مادة في الطبيعة ؛
  • له تأثير انكسار قوي.
  • موصل ضعيف للحرارة والكهرباء.


أرز. الماس رباعي السطوح.

تفسر الصلابة الاستثنائية للماس من خلال هيكل شبكته البلورية ، التي لها شكل رباعي السطوح - في وسط رباعي السطوح توجد ذرة كربون متصلة بواسطة روابط قوية متساوية مع أربع ذرات متجاورة تشكل القمم من رباعي الوجوه (انظر الشكل أعلاه). هذا "البناء" ، بدوره ، مرتبط مع رباعي الأسطح المجاورة.

الجرافيت


أرز. شبكة الكريستال الجرافيت.

خصائص الجرافيت:

  • مادة بلورية ناعمة من اللون الرمادي لهيكل متعدد الطبقات ؛
  • له بريق معدني.
  • توصل الكهرباء بشكل جيد.

في الجرافيت ، تشكل ذرات الكربون أشكالًا سداسية منتظمة تقع في نفس المستوى ، منظمة في طبقات لا نهائية.

في الجرافيت ، تتكون الروابط الكيميائية بين ذرات الكربون المجاورة من ثلاثة إلكترونات تكافؤ لكل ذرة (كما هو موضح باللون الأزرق في الشكل أدناه) ، بينما الإلكترون الرابع (يظهر باللون الأحمر) لكل ذرة كربون ، يقع في المدار p ، والذي تقع بشكل عمودي على مستوى طبقة الجرافيت ، ولا تشارك في تكوين الروابط التساهمية في مستوى الطبقة. "الغرض" مختلف - التفاعل مع "أخيه" الموجود في الطبقة المجاورة ، يوفر اتصالًا بين طبقات الجرافيت ، وتحدد الحركة العالية للإلكترونات p التوصيل الكهربائي الجيد للجرافيت.


أرز. توزيع مدارات ذرة الكربون في الجرافيت.

الفوليرين


أرز. شعرية الكريستال الفوليرين.

خصائص الفوليرين:

  • جزيء الفوليرين عبارة عن مجموعة من ذرات الكربون مغلقة في كرات مجوفة مثل كرة القدم ؛
  • إنها مادة بلورية دقيقة من اللون الأصفر البرتقالي ؛
  • نقطة الانصهار = 500-600 درجة مئوية ؛
  • أشباه الموصلات.
  • هو جزء من معدن شونجيت.

كاربين

خصائص كاربين:

  • مادة سوداء خاملة
  • يتكون من جزيئات بوليمرية خطية ترتبط فيها الذرات بالتناوب عن طريق روابط مفردة وثلاثية ؛
  • أشباه الموصلات.

الخواص الكيميائية للكربون

في الظروف العادية ، يعتبر الكربون مادة خاملة ، ولكن عند تسخينه ، يمكن أن يتفاعل مع مجموعة متنوعة من المواد البسيطة والمعقدة.

لقد سبق أن قيل أعلاه أن هناك 4 إلكترونات على مستوى الطاقة الخارجية للكربون (لا يوجد ولا هنا) ، لذلك يمكن للكربون أن يتبرع بالإلكترونات ويقبلها ، مما يُظهر خصائص مختزلة في بعض المركبات ، وخصائص مؤكسدة في البعض الآخر.

الكربون الحد من وكيلفي التفاعلات مع الأكسجين والعناصر الأخرى ذات القدرة الكهربية الأعلى (انظر جدول الكهربية للعناصر):

  • عند تسخينه في الهواء ، يحترق (مع وجود فائض من الأكسجين مع تكوين ثاني أكسيد الكربون ؛ مع نقصه - أول أكسيد الكربون (II)):
    C + O 2 \ u003d CO 2 ؛
    2C + O 2 \ u003d 2CO.
  • يتفاعل في درجات حرارة عالية مع بخار الكبريت ، ويتفاعل بسهولة مع الكلور والفلور:
    C + 2S = CS2
    C + 2Cl 2 = CCl 4
    2F2 + C = CF4
  • عند تسخينه ، يستعيد العديد من المعادن واللافلزات من الأكاسيد:
    C 0 + نحاس +2 O \ u003d نحاس 0 + C +2 O ؛
    C 0 + C +4 O 2 \ u003d 2C +2 O
  • يتفاعل مع الماء عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية (عملية التغويز) لتكوين غاز الماء:
    C + H 2 O \ u003d CO + H 2 ؛

يُظهر الكربون خصائص مؤكسدة في التفاعلات مع المعادن والهيدروجين:

  • يتفاعل مع المعادن لتشكيل الكربيدات:
    Ca + 2C = CaC 2
  • يتفاعل مع الهيدروجين ، ويشكل الكربون الميثان:
    C + 2H 2 = CH 4

يتم الحصول على الكربون عن طريق التحلل الحراري لمركباته أو عن طريق الانحلال الحراري للميثان (عند درجة حرارة عالية):
CH 4 \ u003d C + 2H 2.

تطبيق الكربون

لقد وجدت مركبات الكربون أوسع تطبيق في الاقتصاد الوطني ، ولا يمكن سردها جميعًا ، وسنشير إلى عدد قليل منها فقط:

  • يستخدم الجرافيت لتصنيع خيوط الرصاص ، والأقطاب الكهربائية ، وبوتقات الصهر ، كوسيط للنيوترونات في المفاعلات النووية ، كمواد تشحيم ؛
  • يستخدم الماس في المجوهرات ، كأداة قطع ، في معدات الحفر ، كمادة كاشطة ؛
  • كعامل اختزال ، يستخدم الكربون للحصول على معادن معينة وغير معدنية (الحديد والسيليكون) ؛
  • يشكل الكربون الجزء الأكبر من الكربون المنشط ، والذي وجد تطبيقًا واسعًا في كل من الحياة اليومية (على سبيل المثال ، كممتاز لتنظيف الهواء والمحاليل) ، وفي الطب (أقراص الكربون المنشط) وفي الصناعة (كناقل للإضافات الحفازة ، محفز البلمرة ، إلخ).

من المستحيل وصف ما هو الكربون بإيجاز. بعد كل شيء ، هو أساس الحياة. هذا العنصر موجود في جميع المركبات العضوية ، ويمكنه فقط تكوين جزيئات DNA من ملايين الذرات. خصائصه عديدة ، لذا يجدر الحديث عنها بمزيد من التفصيل.

الصيغة ، الترميز ، الميزات

هذا العنصر ، الموجود في الجدول تحت الرقم التسلسلي ستة ، يُرمز إليه بالرمز "C". الصيغة الهيكلية الإلكترونية للكربون هي كما يلي: 1s 2 2s 2 2p 2. كتلته 12.0107 amu. هذه المادة لها:

  • إلكترونان غير متزاوجان في الحالة الأرضية. يظهر التكافؤ II.
  • أربعة إلكترونات غير متزاوجة في حالة من الإثارة. يظهر التكافؤ الرابع.

وتجدر الإشارة إلى أن القشرة الأرضية تحتوي على كتلة معينة من الكربون. 0.023٪ على وجه الدقة. يتراكم بشكل رئيسي في الجزء العلوي ، في المحيط الحيوي. تتراكم معظم كتلة الكربون في الغلاف الصخري في الدولوميت والحجر الجيري ، على شكل كربونات.

الخصائص البدنية

إذن ما هو الكربون؟ هذه مادة موجودة في مجموعة كبيرة ومتنوعة من التعديلات المتآصلة ، ويمكن إدراج خصائصها الفيزيائية لفترة طويلة. ويتم تحديد تنوع المواد من خلال قدرة الكربون على التكوين روابط كيميائيةأنواع مختلفة.

ماذا عن خواص الكربون كمادة بسيطة؟ يمكن تلخيصها على النحو التالي:

  • في الظروف العادية ، تبلغ الكثافة 2.25 جم / سم مكعب.
  • نقطة الغليان هي 3506.85 درجة مئوية.
  • السعة الحرارية المولية - 8.54 J / (K.mol).
  • درجة حرارة انتقال المرحلة الحرجة (عندما لا يتكثف الغاز عند أي ضغط) هي 4130 كلفن ، 12 ميجا باسكال.
  • الحجم المولي 5.3 سم مكعب / مول.

يجدر أيضًا إدراج تعديلات الكربون.

من بين المواد البلورية ، أشهرها: الماس ، والكاربين ، والجرافيت ، والماس النانوي ، والفوليريت ، ولونسداليت ، والفوليرين ، وألياف الكربون.

تشمل التكوينات غير المتبلورة: الخشب ، والكربون الأحفوري والمنشط ، والأنثراسايت ، وفحم الكوك ، والكربون الزجاجي ، والسخام ، وأسود الكربون ، والرغوة النانوية.

لكن لا شيء مما سبق هو شكل تآثر نقي من المادة المعنية. هذه ليست سوى مركبات كيميائية تحتوي على الكربون بتركيز عالٍ.

بنية

من المثير للاهتمام أن مدارات الإلكترونذرات الكربون ليست هي نفسها. لديهم أشكال هندسية مختلفة. كل هذا يتوقف على درجة التهجين. هناك ثلاث أشكال هندسية شائعة:

  • رباعي السطوح. يتم تشكيله عندما يتم خلط ثلاثة إلكترونات p و one s. لوحظت هندسة ذرة الكربون في لونسداليت والماس. الميثان والهيدروكربونات الأخرى لها هيكل مماثل.
  • ثلاثي الزوايا. تتكون هذه الهندسة من مزيج من مداري إلكترون من نوع p وواحد. لا يشارك عنصر p آخر في التهجين ، ولكنه يشارك في تكوين روابط π مع ذرات أخرى. هذا الهيكل هو سمة من سمات الفينول والجرافيت والتعديلات الأخرى.
  • Digonal. يتكون هذا الهيكل بسبب اختلاط الإلكترونات s و p (واحدًا تلو الآخر). ومن المثير للاهتمام ، أن سحب الإلكترون تبدو وكأنها دمبل غير متناظرة. هم ممتدون على طول هذا الاتجاه. يشكل إلكترونان آخران p روابط π سيئة السمعة. هذه الهندسة نموذجية للكاربين.

منذ وقت ليس ببعيد ، في عام 2010 ، اكتشف علماء من جامعة نوتنغهام مركبًا كانت فيه أربع ذرات في نفس المستوى. اسمها هو مونومري ديليثيو ميثانديوم.

الجزيئات

يجدر الحديث عنها بشكل منفصل. يمكن أن تتحد ذرات المادة قيد المناقشة ، ونتيجة لذلك تتشكل جزيئات الكربون المعقدة. من Na المشبعة ، C 2 و H 2 ، التي يوجد بينها القليل من الجاذبية ، تتميز بميلها للتكثف في حالة صلبة. يمكن أن تظل جزيئات الكربون في حالة غازية فقط إذا تم الحفاظ على درجة الحرارة مرتفعة. خلاف ذلك ، سوف تصلب المادة على الفور.

منذ بعض الوقت في الولايات المتحدة ، في مختبر بيركلي الوطني ، تم تصنيع شكل جديد من الكربون الصلب. هذا شكل C36. ويشكل جزيئه 36 ذرة كربون. تتشكل المادة مع C60 الفوليرين. يحدث هذا بين قطبين من الجرافيت ، في ظروف لهب تفريغ القوس. يقترح العلماء أن جزيئات المادة الجديدة لها خصائص كيميائية وكهربائية مثيرة للاهتمام لم تتم دراستها بعد.

الجرافيت

الآن يمكننا التحدث بمزيد من التفصيل عن أشهر التعديلات على مادة مثل الكربون.

الجرافيت معدن أصلي له هيكل متعدد الطبقات. فيما يلي ميزاته:

  • توصل الكهرباء بشكل جيد جدا.
  • وهي مادة لينة نسبيًا بسبب قلة صلابتها.
  • عند تسخينها في حالة عدم وجود هواء ، فإنها تظهر الاستقرار.
  • لا تذوب.
  • زيتي ، زلق الملمس.
  • يحتوي الجرافيت الطبيعي على 10-12٪ شوائب. كقاعدة عامة ، هذه هي أكاسيد الحديد والطين.

إذا تحدثنا عن الخصائص الكيميائية ، فمن الجدير بالذكر أنه مع الأملاح والمعادن القلوية ، تشكل هذه المادة ما يسمى بمركبات التضمين. يتفاعل الجرافيت أيضًا مع الأكسجين في درجات حرارة عالية ، مما يؤدي إلى حرق ثاني أكسيد الكربون. لكن التلامس مع الأحماض غير المؤكسدة لا يترتب عليه أي نتيجة - فهذه المادة ببساطة لا تذوب فيها.

يستخدم الجرافيت في مختلف المجالات. يتم استخدامه في تصنيع ألواح التبطين والبوتقات الذائبة ، في إنتاج عناصر التسخين والأقطاب الكهربائية. بدون مشاركة الجرافيت ، من المستحيل الحصول على الماس الصناعي. كما أنه يلعب دور الوسيط النيوتروني في المفاعلات النووية. وبالطبع ، خيوط القلم الرصاص مصنوعة منه ، تتداخل مع الكاولين. وهذا جزء فقط من المناطق التي يتم استخدامه فيها.

الماس

إنه معدن مستقر يمكن أن يوجد إلى أجل غير مسمى ، بسبب قوة وكثافة الكربون إلى حد ما. الماس هو أقسى مادة على مقياس موس ويمكن بسهولة قطع الزجاج.

لديها موصلية حرارية عالية ، تشتت ، معامل انكسار. إنه مقاوم للاهتراء ، ولجعله يذوب ، تحتاج إلى درجة حرارة 4000 درجة مئوية وضغط يبلغ حوالي 11 جيجا باسكال. ميزته هي اللمعان ، والقدرة على التوهج بألوان مختلفة.

هذه مادة نادرة ، وإن كانت شائعة. يمكن أن يتراوح عمر المعادن ، وفقًا لدراسات معينة ، من 100 مليون إلى 2.5 مليار سنة. تم اكتشاف ماس من أصل خارج كوكب الأرض ، وربما حتى قبل الطاقة الشمسية.

وجد هذا المعدن تطبيقه في المجوهرات. الماس المقطوع ، المسمى اللامع ، غالي الثمن ، لكن مكانته كجوهرة وجمالها جعلته أكثر شهرة. بالمناسبة ، تُستخدم هذه المادة أيضًا في صناعة القواطع والمثاقب والسكاكين وما إلى ذلك. نظرًا لصلابتها الاستثنائية ، يتم استخدام المعدن في العديد من الصناعات.

كاربين

استمرارًا لموضوع ماهية الكربون ، يجب قول بضع كلمات حول مثل هذا التعديل مثل كاربين. يبدو وكأنه مسحوق بلوري أسود ناعم ، له خصائص أشباه الموصلات. تم الحصول عليها بشكل مصطنع في أوائل الستينيات من قبل العلماء السوفييت.

تكمن خصوصية هذه المادة في زيادة الموصلية تحت تأثير الضوء. لهذا السبب بدأ استخدامه في الخلايا الضوئية.

الجرافين

هذه هي أول بلورة ثنائية الأبعاد في العالم. هذا التعديل له صلابة ميكانيكية أعلى من الجرافيت وموصلية حرارية عالية قياسية تبلغ ~ 5.10 3 واط م −1 .K -. تتمتع ناقلات شحن الجرافين بحركة عالية ، وهذا هو السبب في أن المادة لها آفاق من حيث استخدامها في مختلف التطبيقات. يُعتقد أنه يمكن أن يصبح الأساس المستقبلي للإلكترونيات النانوية وحتى يحل محل السيليكون في الدوائر المتكاملة.

يتم الحصول على الجرافين بشكل مصطنع في المختبرات العلمية. للقيام بذلك ، يتعين على المرء أن يلجأ إلى الفصل الميكانيكي لطبقات الجرافيت من مادة عالية التوجه. بهذه الطريقة ، يتم الحصول على عينات عالية الجودة مع التنقل المطلوب للناقل.

لم تتم دراسة خصائصه بشكل كامل ، لكن العلماء لاحظوا بالفعل شيئًا مثيرًا للاهتمام. على سبيل المثال ، لا يوجد تبلور الجناح في الجرافين. وفي طبقة مزدوجة من المادة ، يشبه سلوك الإلكترونات ما يميز البلورات السائلة. إذا تمت ملاحظة معلمات التقطيع على البلورة ، فسيكون من الممكن الحصول على بنية نانوية على شكل صندوق من الجرافين.

تسمم

هذا الموضوع جدير بالملاحظة في نهاية القصة حول ماهية الكربون. الحقيقة هي أن هذه المادة يتم إطلاقها في الغلاف الجوي مع غازات عادم السيارات. وأيضًا عند حرق الفحم والتغويز تحت الأرض وفي العديد من العمليات الأخرى.

يؤدي زيادة محتوى هذه المادة في الهواء إلى زيادة عدد الأمراض. على وجه الخصوص ، هذا ينطبق على الرئتين والجهاز التنفسي العلوي. ويرجع التأثير السام إلى تفاعل طبيعة إشعاعية مع جسيمات بيتا ، مما يؤدي إلى حقيقة ذلك التركيب الكيميائيتتغير الجزيئات وخصائص المادة أيضًا.

تعريف

كربون- العنصر السادس في الجدول الدوري. التسمية - C من اللاتينية "carboneum". تقع في الفترة الثانية ، مجموعة IVA. يشير إلى اللافلزات. الشحنة النووية 6.

يوجد الكربون في الطبيعة سواء في الحالة الحرة أو في شكل مركبات عديدة. يحدث الكربون الحر كالماس والجرافيت. بالإضافة إلى الفحم الأحفوري ، هناك تراكمات كبيرة من النفط في أحشاء الأرض. تم العثور على كميات ضخمة من أملاح حمض الكربونيك ، وخاصة كربونات الكالسيوم ، في قشرة الأرض. يوجد دائمًا ثاني أكسيد الكربون في الهواء. أخيرًا ، تتكون الكائنات الحية النباتية والحيوانية من مواد في تكوين الكربون. وبالتالي ، يعد هذا العنصر من أكثر العناصر شيوعًا على الأرض ، على الرغم من أن محتواه الكلي في قشرة الأرض يبلغ حوالي 0.1٪ فقط (بالوزن).

الوزن الذري والجزيئي للكربون

الوزن الجزيئي النسبي للمادة (M r) هو رقم يوضح عدد المرات التي تكون فيها كتلة جزيء معين أكبر من 1/12 من كتلة ذرة الكربون ، والكتلة الذرية النسبية لعنصر (Ar r) هو عدد المرات التي يكون فيها متوسط ​​كتلة ذرات عنصر كيميائي أكبر من 1/12 من كتلة ذرة كربون.

نظرًا لأن الكربون في الحالة الحرة يوجد في شكل جزيئات C أحادية الذرة ، فإن قيم كتلته الذرية والجزيئية هي نفسها. إنها تساوي 12.0064.

التآصل والتعديلات المتآصلة للكربون

في الحالة الحرة ، يوجد الكربون على شكل ماس ، يتبلور في النظامين المكعب والسداسي (لونسداليت) ، والجرافيت الذي ينتمي إلى النظام السداسي (الشكل 1). أشكال الكربون مثل الفحم أو فحم الكوك أو السخام لها بنية غير منتظمة. هناك أيضًا تعديلات متآصلة تم الحصول عليها صناعياً - هذه هي كاربين وبوليكومولين - أصناف كربونية مبنية من بوليمرات سلسلة خطية من النوع -C = C- أو = C = C = النوع.

أرز. 1. التعديلات المتآصلة للكربون.

تُعرف أيضًا التعديلات المتآصلة للكربون ، والتي لها الأسماء التالية: الجرافين ، الفوليرين ، الأنابيب النانوية ، الألياف النانوية ، النجمي ، الكربون الزجاجي ، الأنابيب النانوية الضخمة ؛ الكربون غير المتبلور ، والبراعم النانوية الكربونية ، والرغوة النانوية الكربونية.

نظائر الكربون

يوجد الكربون في الطبيعة على شكل نظيرين مستقرين 12 درجة مئوية (98.98٪) و 13 درجة مئوية (1.07٪). أعداد كتلتها 12 و 13 على التوالي. تحتوي نواة نظير الكربون 12 سي على ستة بروتونات وستة نيوترونات ، ويحتوي نظير 13 سي على نفس عدد البروتونات وخمسة نيوترونات.

يوجد نظير كربون اصطناعي (مشع) ، 14 درجة مئوية ، له نصف عمر 5730 سنة.

أيونات الكربون

في مستوى الطاقة الخارجية لذرة الكربون ، هناك أربعة إلكترونات تكافؤ:

1s 2 2s 2 2p 2.

نتيجة للتفاعل الكيميائي ، يمكن أن يفقد الكربون إلكترونات التكافؤ ، أي تكون مانحًا لها ، وتتحول إلى أيونات موجبة الشحنة أو تقبل إلكترونات من ذرة أخرى ، أي كن متقبلًا لها ، وتتحول إلى أيونات سالبة الشحنة:

C 0 -2e → C 2+ ؛

C 0 -4e → C 4+ ؛

ج 0 + 4 هـ → ج 4-.

جزيء وذرة كربون

في الحالة الحرة ، يوجد الكربون في شكل جزيئات C أحادية الذرة ، وفيما يلي بعض الخصائص التي تميز ذرة الكربون والجزيء:

سبائك الكربون

سبائك الكربون الأكثر شهرة حول العالم هي الفولاذ والحديد الزهر. الصلب سبيكة من الحديد والكربون لا يتعدى محتواها الكربوني 2٪. في الحديد الزهر (أيضًا سبيكة من الحديد بالكربون) ، يكون محتوى الكربون أعلى - من 2 إلى 4٪.

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1

ممارسه الرياضه ما هو حجم أول أكسيد الكربون (IV) الذي سيتم إطلاقه (n.o.) أثناء إطلاق 500 جم من الحجر الجيري الذي يحتوي على 0.1 جزء من الشوائب.
المحلول نكتب معادلة تفاعل تحميص الحجر الجيري:

كربونات الكالسيوم 3 \ u003d CaO + CO 2 -.

دعونا نجد كتلة من الحجر الجيري النقي. للقيام بذلك ، نحدد أولاً الكسر الكتلي بدون شوائب:

w واضح (CaCO 3) \ u003d 1 - w شوائب \ u003d 1 - 0.1 \ u003d 0.9.

م واضح (CaCO 3) \ u003d م (CaCO 3) × ث واضح (CaCO 3) ؛

م واضح (CaCO 3) = 500 × 0.9 = 450 جم.

احسب كمية مادة الحجر الجيري:

n (CaCO 3) \ u003d m واضح (CaCO 3) / M (CaCO 3) ؛

ن (CaCO 3) = 450/100 = 4.5 مول.

وفقًا لمعادلة التفاعل n (CaCO 3): n (CO 2) = 1: 1 ، إذن

n (CaCO 3) \ u003d n (CO 2) \ u003d 4.5 مول.

بعد ذلك ، سيكون حجم أول أكسيد الكربون المنطلق (IV) مساوياً لـ:

V (CO 2) \ u003d n (CO 2) × V م ؛

V (CO 2) = 4.5 × 22.4 = 100.8 لتر.
إجابه 100.8 لتر

مثال 2

ممارسه الرياضه ما المقدار المطلوب لمحلول يحتوي على 0.05 أجزاء كتلة أو 5٪ كلوريد هيدروجين لتحييد 11.2 جم من كربونات الكالسيوم؟
المحلول نكتب معادلة تحييد كربونات الكالسيوم بكلوريد الهيدروجين:

CaCO 3 + 2HCl \ u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2 -.

أوجد كمية مادة كربونات الكالسيوم:

M (CaCO 3) = A r (Ca) + A r (C) + 3 × A r (O) ؛

M (CaCO 3) = 40 + 12 + 3 × 16 = 52 + 48 = 100 جم / مول.

ن (CaCO 3) \ u003d م (CaCO 3) / M (CaCO 3) ؛

ن (CaCO 3) = 11.2 / 100 = 0.112 مول.

وفقًا لمعادلة التفاعل n (CaCO 3): n (HCl) \ u003d 1: 2 ، مما يعني

n (HCl) \ u003d 2 × n (CaCO 3) \ u003d 2 × 0.224 مول.

حدد كتلة مادة كلوريد الهيدروجين الموجودة في المحلول:

M (HCl) \ u003d A r (H) + A r (Cl) \ u003d 1 + 35.5 \ u003d 36.5 جم / مول.

م (حمض الهيدروكلوريك) = ن (حمض الهيدروكلوريك) × م (حمض الهيدروكلوريك) = 0.224 × 36.5 = 8.176 جم

احسب كتلة محلول كلوريد الهيدروجين:

محلول م (حمض الهيدروكلوريك) = م (حمض الهيدروكلوريك) × 100 / ث (حمض الهيدروكلوريك) ؛

م محلول (حمض الهيدروكلوريك) = 8.176 × 100/5 = 163.52 جم
إجابه 163.52 جرام

مذكرة تفاهم "مدرسة نيكيفوروفسكايا الثانوية رقم 1"

الكربون ومركباته الرئيسية غير العضوية

نبذة مختصرة

أنجزه: طالب من فئة 9 ب

سيدوروف الكسندر

المعلم: Sakharova L.N.

ديمترييفكا 2009


مقدمة

الفصل الأول. كل شيء عن الكربون

1.1 الكربون في الطبيعة

1.2 التعديلات المتآصلة للكربون

1.3. الخواص الكيميائيةكربون

1.4 تطبيق الكربون

الباب الثاني. مركبات الكربون غير العضوية

استنتاج

المؤلفات


مقدمة

الكربون (لات. كاربونيوم) C عنصر كيميائي من المجموعة الرابعة من نظام مندليف الدوري: العدد الذري 6 ، الكتلة الذرية 12.011 (1). ضع في اعتبارك بنية ذرة الكربون. توجد أربعة إلكترونات في مستوى الطاقة الخارجية لذرة الكربون. دعنا نرسمها:


عُرف الكربون منذ العصور القديمة ، واسم مكتشف هذا العنصر غير معروف.

في نهاية القرن السابع عشر. حاول علماء فلورنسا أفيراني وتارغيوني دمج العديد من الماسات الصغيرة في قطعة واحدة كبيرة وقاموا بتسخينها بمساعدة حرق الزجاج بأشعة الشمس. اختفى الماس بعد احتراقه في الهواء. في عام 1772 ، أظهر الكيميائي الفرنسي أ. لافوازييه أن ثاني أكسيد الكربون يتكون أثناء احتراق الماس. فقط في عام 1797 ، أثبت العالم الإنجليزي S. Tennant هوية طبيعة الجرافيت والفحم. بعد حرق كميات متساوية من الفحم والماس ، تبين أن أحجام أول أكسيد الكربون (IV) هي نفسها.

إن تنوع مركبات الكربون ، التي تفسرها قدرة ذراتها على الاندماج مع بعضها البعض ومع ذرات العناصر الأخرى بطرق مختلفة ، يحدد الموقع الخاص للكربون بين العناصر الأخرى.


الفصل أنا . كل شيء عن الكربون

1.1 الكربون في الطبيعة

يوجد الكربون في الطبيعة سواء في الحالة الحرة أو في شكل مركبات.

يحدث الكربون الحر مثل الماس والجرافيت والكاربين.

الماس نادر جدا. تم العثور على أكبر ماسة معروفة - "كولينان" في عام 1905 في جنوب إفريقيا ، ووزنها 621.2 جم وقياسها 10 × 6.5 × 5 سم. ويمتلك صندوق الماس في موسكو أحد أكبر وأجمل الماس في العالم - "أورلوف" (37.92) ز).

حصل الماس على اسمه من اليونانية. "آداماس" - لا يقهر ، غير قابل للتدمير. تقع أهم رواسب الماس في جنوب إفريقيا والبرازيل وياكوتيا.

توجد رواسب كبيرة من الجرافيت في ألمانيا ، في سريلانكا ، في سيبيريا ، في ألتاي.

المعادن الرئيسية الحاملة للكربون هي: المغنسيت MgCO 3 ، الكالسيت (سبار الجير ، الحجر الجيري ، الرخام ، الطباشير) كربونات الكالسيوم 3 ، الدولوميت CaMg (CO 3) 2 ، إلخ.

جميع أنواع الوقود الأحفوري - النفط والغاز والجفت والفحم الصلب والبني والصخر الزيتي - مبنية على أساس الكربون. توجد بعض أنواع الفحم الأحفوري التي تحتوي على ما يصل إلى 99٪ من الكربون بالقرب من التركيب.

يمثل الكربون 0.1٪ من القشرة الأرضية.

في شكل أول أكسيد الكربون (IV) ثاني أكسيد الكربون هو جزء من الغلاف الجوي. يتم إذابة كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف المائي.

1.2 التعديلات المتآصلة للكربون

يشكل الكربون الأولي ثلاثة تعديلات متآصلة: الماس ، الجرافيت ، كاربين.

1. الماس مادة بلورية شفافة عديمة اللون تنكسر أشعة الضوء بشدة. ذرات الكربون في الماس في حالة تهجين sp 3. في الحالة المثارة ، تنخفض إلكترونات التكافؤ في ذرات الكربون وتتشكل أربعة إلكترونات غير متزاوجة. عندما تتشكل الروابط الكيميائية ، تكتسب السحب الإلكترونية نفس الشكل الممدود وتقع في الفضاء بحيث يتم توجيه محاورها نحو رؤوس رباعي الوجوه. عندما تتداخل قمم هذه السحب مع سحب من ذرات كربون أخرى ، تظهر الروابط التساهمية بزاوية 109 درجة 28 بوصة ، وتتشكل شبكة بلورية ذرية ، وهي سمة من سمات الماس.

كل ذرة كربون في الماس محاطة بأربع ذرات أخرى تقع منه في اتجاهات من مركز رباعي السطوح إلى الرؤوس. المسافة بين الذرات في رباعي السطوح هي 0.154 نانومتر. قوة جميع الروابط هي نفسها. وهكذا ، فإن ذرات الماس "معبأة" بإحكام شديد. عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ، تبلغ كثافة الماس 3.515 جم / سم 3. هذا ما يفسر صلابته الاستثنائية. الماس موصل ضعيف للكهرباء.

في عام 1961 ، بدأ الاتحاد السوفيتي الإنتاج الصناعيالماس الاصطناعية من الجرافيت.

في التخليق الصناعي للماس ، يتم استخدام ضغوط لآلاف الميجا باسكال ودرجات حرارة من 1500 إلى 3000 درجة مئوية. تتم العملية في وجود محفزات ، والتي يمكن أن تكون بعض المعادن ، مثل النيكل. الجزء الأكبر من الماس المشكل عبارة عن بلورات صغيرة وغبار الماس.

الماس ، عند تسخينه دون الوصول إلى الهواء فوق 1000 درجة مئوية ، يتحول إلى جرافيت. عند 1750 درجة مئوية ، يحدث تحول الماس إلى جرافيت بسرعة.

هيكل الماس

2. الجرافيت مادة بلورية رمادية سوداء مع لمعان معدني ، دهني عند اللمس ، أدنى صلابة حتى على الورق.

تكون ذرات الكربون في بلورات الجرافيت في حالة تهجين sp 2: تشكل كل واحدة منها ثلاث روابط تساهمية مع الذرات المجاورة. الزوايا بين اتجاهات الرابطة 120 درجة. والنتيجة هي شبكة مكونة من أشكال سداسية منتظمة. المسافة بين النوى المجاورة لذرات الكربون داخل الطبقة هي 0.142 نانومتر. يحتل الإلكترون الرابع للطبقة الخارجية لكل ذرة كربون في الجرافيت مداري p ، والذي لا يشارك في التهجين.

يتم توجيه السحب الإلكترونية غير الهجينة من ذرات الكربون بشكل عمودي على مستوى الطبقة ، وتتداخل مع بعضها البعض ، وتشكل روابط σ غير محددة التمركز. تقع الطبقات المجاورة في بلورة الجرافيت على مسافة 0.335 نانومتر من بعضها البعض ومترابطة بشكل ضعيف ، بشكل أساسي بواسطة قوى فان دير فال. لذلك ، يتمتع الجرافيت بقوة ميكانيكية منخفضة ويمكن تقسيمه بسهولة إلى رقائق قوية جدًا في حد ذاتها. الرابطة بين طبقات ذرات الكربون في الجرافيت معدنية جزئيًا. هذا يفسر حقيقة أن الجرافيت يوصل الكهرباء جيدًا ، ولكنه لا يزال ليس كذلك مع المعادن.

هيكل الجرافيت

تختلف الخصائص الفيزيائية في الجرافيت اختلافًا كبيرًا في الاتجاهات - عموديًا ومتوازيًا مع طبقات ذرات الكربون.

عند تسخينه دون الوصول إلى الهواء ، لا يخضع الجرافيت لأي تغييرات تصل إلى 3700 درجة مئوية. عند درجة الحرارة هذه ، يتسامى دون أن يذوب.

يتم الحصول على الجرافيت الاصطناعي من أفضل درجات الفحم القاسي عند 3000 درجة مئوية في الأفران الكهربائية دون دخول الهواء.

الجرافيت مستقر ديناميكيًا حراريًا على نطاق واسع من درجات الحرارة والضغوط ، لذلك يُقبل على أنه الحالة القياسية للكربون. كثافة الجرافيت 2.265 جم / سم 3.

3. كاربين - مسحوق أسود ناعم الحبيبات. في هيكلها البلوري ، ترتبط ذرات الكربون عن طريق تبديل الروابط المفردة والثلاثية في سلاسل خطية:

−С≡С − С≡С − С≡С−

تم الحصول على هذه المادة لأول مرة بواسطة V.V. كورشاك ، أ.م. سلادكوف ، ف. كاساتوتشكين ، يو. Kudryavtsev في أوائل الستينيات.

بعد ذلك ، تبين أن الكاربين يمكن أن يوجد في أشكال مختلفة ويحتوي على كل من سلاسل البولي أسيتيلين والبوليكومولين التي ترتبط فيها ذرات الكربون بروابط مزدوجة:

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

في وقت لاحق ، تم العثور على كاربين في الطبيعة - في مادة النيزك.

يتمتع Carbyne بخصائص أشباه الموصلات ؛ وتحت تأثير الضوء ، تزداد الموصلية بشكل كبير. نظرًا لوجود أنواع مختلفة من الروابط والطرق المختلفة لتكديس سلاسل ذرات الكربون في الشبكة البلورية ، يمكن أن تختلف الخصائص الفيزيائية للكاربين على نطاق واسع. عند تسخينه دون الوصول إلى الهواء فوق 2000 درجة مئوية ، يكون الكاربين مستقرًا ؛ عند درجات حرارة حوالي 2300 درجة مئوية ، لوحظ انتقاله إلى الجرافيت.

يتكون الكربون الطبيعي من نظيرين (98.892٪) و (1.108٪). بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على شوائب طفيفة للنظير المشع ، والتي يتم الحصول عليها بشكل مصطنع ، في الغلاف الجوي.

في السابق ، كان يُعتقد أن الفحم والسخام وفحم الكوك قريبة في التركيب من الكربون النقي وتختلف في خصائصها عن الألماس والجرافيت ، وتمثل تعديلًا تآصليًا مستقلًا للكربون ("الكربون غير المتبلور"). ومع ذلك ، فقد وجد أن هذه المواد تتكون من أصغر الجزيئات البلورية التي ترتبط فيها ذرات الكربون بنفس الطريقة كما في الجرافيت.

4. الفحم - الجرافيت المقسم بدقة. يتشكل أثناء التحلل الحراري للمركبات المحتوية على الكربون دون الوصول إلى الهواء. يختلف الفحم اختلافًا كبيرًا في الخصائص اعتمادًا على المادة التي يتم الحصول عليها منها وطريقة التحضير. تحتوي دائمًا على شوائب تؤثر على خصائصها. أهم درجات الفحم هي فحم الكوك والفحم والسخام.

يتم الحصول على فحم الكوك عن طريق تسخين الفحم في حالة عدم وجود هواء.

يتكون الفحم عند تسخين الخشب في غياب الهواء.

السخام هو مسحوق بلوري من الجرافيت الناعم للغاية. يتشكل أثناء احتراق الهيدروكربونات (غاز طبيعي ، أسيتيلين ، زيت التربنتين ، إلخ) مع وصول محدود للهواء.

الكربون المنشط عبارة عن مواد ماصة صناعية مسامية تتكون أساسًا من الكربون. الامتزاز هو امتصاص السطح للمواد الصلبة للغازات والمواد المذابة. يتم الحصول على الكربون النشط من الوقود الصلب (الجفت ، والفحم البني والفحم الصلب ، والأنثراسايت) ، والخشب ومنتجاته (الفحم ، ونشارة الخشب ، ونفايات إنتاج الورق) ، ونفايات صناعة الجلود ، والمواد الحيوانية ، مثل العظام. يتم إنتاج الفحم ، الذي يتميز بقوة ميكانيكية عالية ، من قشور جوز الهند والمكسرات الأخرى ، من بذور الفاكهة. يتم تمثيل بنية الفحم من خلال المسام من جميع الأحجام ، ومع ذلك ، يتم تحديد سعة الامتصاص ومعدل الامتزاز من خلال محتوى المسام الدقيقة لكل وحدة كتلة أو حجم الحبيبات. في إنتاج الكربون النشط ، تخضع المادة الخام أولاً للمعالجة الحرارية دون وصول للهواء ، ونتيجة لذلك يتم إزالة الرطوبة والراتنجات منه. في هذه الحالة ، يتم تشكيل هيكل كبير المسام من الفحم. للحصول على بنية صغيرة يسهل اختراقها ، يتم التنشيط إما عن طريق الأكسدة بالغاز أو البخار ، أو عن طريق المعالجة بالكواشف الكيميائية.

1.3 الخواص الكيميائية للكربون

في درجات الحرارة العادية ، يكون الماس والجرافيت والفحم خاملًا كيميائيًا ، ولكن في درجات الحرارة المرتفعة يزيد نشاطهم. على النحو التالي من هيكل الأشكال الرئيسية للكربون ، يتفاعل الفحم بسهولة أكبر من الجرافيت وحتى يتفاعل الماس بشكل أكبر. الجرافيت ليس فقط أكثر تفاعلًا من الماس ، ولكنه يتفاعل مع بعض المواد ، ويمكن أن يشكل منتجات لا يتشكل منها الماس.

1. كعامل مؤكسد ، يتفاعل الكربون مع معادن معينة عند درجات حرارة عالية لتكوين الكربيدات:

ZS + 4Al \ u003d Al 4 C 3 (كربيد الألومنيوم).

2. مع الهيدروجين ، يشكل الفحم والجرافيت الهيدروكربونات. أبسط ممثل - الميثان CH 4 - يمكن الحصول عليه في وجود محفز Ni عند درجة حرارة عالية (600-1000 درجة مئوية):

C + 2H 2 CH 4.

3. عند التفاعل مع الأكسجين ، يظهر الكربون خصائص مختزلة. مع الاحتراق الكامل للكربون لأي تعديل متآصل ، يتكون أول أكسيد الكربون (IV):

C + O 2 \ u003d CO 2.

ينتج عن الاحتراق غير الكامل أول أكسيد الكربون (II) CO:

C + O 2 \ u003d 2CO.

كلا التفاعلين طاردان للحرارة.

4. تتجلى خصائص الاختزال للفحم بشكل خاص عند التفاعل مع أكاسيد المعادن (الزنك والنحاس والرصاص وما إلى ذلك) ، على سبيل المثال:

C + 2CuO \ u003d CO 2 + 2Cu ،

C + 2ZnO = CO 2 + 2Zn.

بناء على ردود الفعل هذه عملية حرجةعلم المعادن - صهر المعادن من الخامات.

في حالات أخرى ، على سبيل المثال ، عند التفاعل مع أكسيد الكالسيوم ، تتشكل الكربيدات:

CaO + 3C \ u003d CaC 2 + CO.

5. يتأكسد الفحم بأحماض النيتريك والكبريتيك المركزة على الساخن:

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

ZS + 4HNO 3 \ u003d ZSO 2 + 4NO + 2H 2 O.

جميع أشكال الكربون مقاومة للقلويات!

1.4 تطبيق الكربون

يستخدم الماس لمعالجة مختلف المواد الصلبة ، لقطع وطحن وحفر ونقش الزجاج ، لحفر الصخور. يتحول الماس بعد الطحن والقطع إلى ألماس يستخدم كمجوهرات.

الجرافيت هو المادة الأكثر قيمة للصناعة الحديثة. يستخدم الجرافيت في صنع القوالب ، وذوبان البوتقات وغيرها من المنتجات المقاومة للحرارة. بسبب مقاومته الكيميائية العالية ، يستخدم الجرافيت لتصنيع الأنابيب والأجهزة المبطنة بألواح الجرافيت من الداخل. تُستخدم كميات كبيرة من الجرافيت في الصناعة الكهربائية ، على سبيل المثال ، في تصنيع الأقطاب الكهربائية. يستخدم الجرافيت في صناعة أقلام الرصاص وبعض الدهانات كمادة تشحيم. يستخدم الجرافيت النقي جدًا في المفاعلات النووية لتعديل النيوترونات.

يجذب البوليمر الخطي من الكربون ، كاربين ، انتباه العلماء باعتباره مادة واعدة لتصنيع أشباه الموصلات التي يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية وألياف فائقة القوة.

يستخدم الفحم في صناعة المعادن والحدادة.

يستخدم فحم الكوك كعامل اختزال في صهر المعادن من الخامات.

يستخدم السخام كحشو للمطاط لزيادة القوة ، لذلك تكون إطارات السيارات سوداء. يستخدم السخام أيضًا كأحد مكونات أحبار الطباعة والحبر وتلميع الأحذية.

يتم استخدام الكربون المنشط لتنقية واستخلاص وفصل المواد المختلفة. يتم استخدام الكربون المنشط كمواد مالئة للأقنعة الغازية وكعامل ماص في الطب.


الفصل ثانيًا . مركبات الكربون غير العضوية

يتكون الكربون من أكسين - أول أكسيد الكربون (II) CO وأول أكسيد الكربون (IV) CO 2.

أول أكسيد الكربون (II) CO هو غاز عديم اللون والرائحة وقابل للذوبان بشكل طفيف في الماء. يطلق عليه أول أكسيد الكربون لأنه شديد السمية. عند دخوله إلى الدم أثناء التنفس ، يتحد بسرعة مع الهيموجلوبين ، مكونًا مركب كربوكسي هيموجلوبين قوي ، وبالتالي يحرم الهيموجلوبين من القدرة على حمل الأكسجين.

عند استنشاق هواء يحتوي على 0.1٪ من ثاني أكسيد الكربون ، يمكن أن يفقد الشخص وعيه فجأة ويموت. يتكون أول أكسيد الكربون أثناء الاحتراق غير الكامل للوقود ، وهذا هو سبب خطورة الإغلاق المبكر للمداخن.

يشار إلى أول أكسيد الكربون (II) ، كما تعلم بالفعل ، إلى أكاسيد غير ملحية ، نظرًا لكونه أكسيدًا غير فلزي ، يجب أن يتفاعل مع القلويات والأكاسيد القاعدية لتكوين الملح والماء ، لكن هذا لم يتم ملاحظته.

2CO + O 2 \ u003d 2CO 2.

أول أكسيد الكربون (II) قادر على أخذ الأكسجين من أكاسيد المعادن ، أي استعادة المعادن من أكاسيدها.

Fe 2 O 3 + ZSO \ u003d 2Fe + ZSO 2.

إنها خاصية أول أكسيد الكربون (II) التي تستخدم في علم المعادن لصهر الحديد.

أول أكسيد الكربون (IV) CO 2 - المعروف باسم ثاني أكسيد الكربون - هو غاز عديم اللون والرائحة. إنها أثقل مرة ونصف من الهواء. في ظل الظروف العادية ، يذوب حجم واحد من ثاني أكسيد الكربون في حجم واحد من الماء.

عند ضغط حوالي 60 ضغط جوي ، يتحول ثاني أكسيد الكربون إلى سائل عديم اللون. عندما يتبخر ثاني أكسيد الكربون السائل ، يتحول جزء منه إلى كتلة صلبة شبيهة بالثلج ، يتم ضغطها في الصناعة - هذا هو "الجليد الجاف" كما تعلم ، والذي يستخدم لتخزين الطعام. أنت تعلم بالفعل أن ثاني أكسيد الكربون الصلب له شبكة جزيئية وقادر على التسامي.

ثاني أكسيد الكربون CO 2 هو أكسيد حمضي نموذجي: يتفاعل مع القلويات (على سبيل المثال ، يتسبب في جعل ماء الجير عكرًا) ، مع أكاسيد قاعدية ومع الماء.

لا يحترق ولا يدعم الاحتراق ولذلك يستخدم لإطفاء الحرائق. ومع ذلك ، يستمر المغنيسيوم في الاحتراق في ثاني أكسيد الكربون لتكوين أكسيد وإطلاق الكربون كسخام.

CO 2 + 2Mg \ u003d 2MgO + C.

يتم الحصول على ثاني أكسيد الكربون من خلال العمل على أملاح حمض الكربونيك - الكربونات مع محاليل الهيدروكلوريك والنيتريك وحتى أحماض الأسيتيك. في المختبر ، ينتج ثاني أكسيد الكربون عن طريق عمل حمض الهيدروكلوريك على الطباشير أو الرخام.

CaCO 3 + 2HCl \ u003d CaCl 2 + H 2 0 + C0 2.

في الصناعة ، ينتج ثاني أكسيد الكربون عن طريق حرق الحجر الجيري:

كربونات الكالسيوم 3 \ u003d CaO + C0 2.

يستخدم ثاني أكسيد الكربون ، بالإضافة إلى مجال التطبيق المذكور بالفعل ، أيضًا في تصنيع المشروبات الغازية وإنتاج الصودا.

عندما يذوب أول أكسيد الكربون (IV) في الماء ، يتشكل حمض الكربونيك H 2 CO 3 ، وهو غير مستقر للغاية ويتحلل بسهولة إلى مكوناته الأصلية - ثاني أكسيد الكربون والماء.

باعتباره حمض ثنائي القاعدة ، يشكل حمض الكربونيك سلسلتين من الأملاح: كربونات متوسطة ، على سبيل المثال كربونات الكالسيوم 3 ، وبيكربونات حمضية ، على سبيل المثال Ca (HCO 3) 2. من الكربونات ، فقط أملاح البوتاسيوم والصوديوم والأمونيوم قابلة للذوبان في الماء. عادة ما تكون الأملاح الحمضية قابلة للذوبان في الماء.

مع وجود فائض من ثاني أكسيد الكربون في وجود الماء ، يمكن أن تتحول الكربونات إلى هيدروكربونات. لذلك ، إذا تم تمرير ثاني أكسيد الكربون عبر ماء الجير ، فسيصبح عكرًا أولاً بسبب ترسيب كربونات الكالسيوم غير القابلة للذوبان في الماء ، ومع ذلك ، مع مرور المزيد من ثاني أكسيد الكربون ، يختفي التعكر نتيجة تكوين بيكربونات الكالسيوم القابلة للذوبان :

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

إن وجود هذا الملح هو ما يفسر الصلابة المؤقتة للماء. لماذا مؤقت؟ لأنه عند تسخينها ، تتحول بيكربونات الكالسيوم القابلة للذوبان مرة أخرى إلى كربونات غير قابلة للذوبان:

Ca (HCO 3) 2 \ u003d CaCO 3 ↓ + H 2 0 + C0 2.

يؤدي هذا التفاعل إلى تكوين مقياس على جدران الغلايات وأنابيب التسخين بالبخار والغلايات المنزلية ، وفي الطبيعة ، نتيجة لهذا التفاعل ، تتشكل الهوابط الغريبة المتدلية في الكهوف ، حيث تنمو الصواعد من الأسفل.

أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم الأخرى ، وخاصة الكلوريدات والكبريتات ، تعطي الماء صلابة دائمة. لا يمكن القضاء على عسر الماء المغلي الدائم. عليك استخدام كربونات أخرى - الصودا.

Na 2 CO 3 ، الذي يترسب أيونات Ca 2+ ، على سبيل المثال:

CaCl 2 + Na 2 CO 3 \ u003d CaCO 3 ↓ + 2NaCl.

يمكن أيضًا استخدام الصودا للتخلص من عسر الماء المؤقت.

يمكن الكشف عن الكربونات والبيكربونات باستخدام المحاليل الحمضية: عند التعرض للأحماض ، يتم ملاحظة خاصية "الغليان" بسبب ثاني أكسيد الكربون المنطلق.

هذا التفاعل هو رد فعل نوعي لأملاح حمض الكربونيك.


استنتاج

كل أشكال الحياة على الأرض تعتمد على الكربون. كل جزيء من كائن حي مبني على أساس هيكل عظمي من الكربون. تهاجر ذرات الكربون باستمرار من جزء من المحيط الحيوي (الغلاف الضيق للأرض حيث توجد الحياة) إلى جزء آخر. باستخدام مثال دورة الكربون في الطبيعة ، يمكن للمرء أن يتتبع ديناميكيات الحياة على كوكبنا في الديناميات.

احتياطيات الكربون الرئيسية على الأرض هي في شكل ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي والمذاب في المحيطات ، أي ثاني أكسيد الكربون (CO 2). فكر أولاً في جزيئات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. تمتص النباتات هذه الجزيئات ، ثم في عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل ذرة الكربون إلى مجموعة متنوعة من المركبات العضوية وبالتالي يتم تضمينها في بنية النباتات. فيما يلي عدة خيارات:

1. يمكن أن يبقى الكربون في النباتات حتى تموت النباتات. ثم يتم تناول جزيئاتها بواسطة المُحلِّلات (الكائنات الحية التي تتغذى على المواد العضوية الميتة وفي نفس الوقت تقسمها إلى مركبات غير عضوية بسيطة) ، مثل الفطريات والنمل الأبيض. في النهاية ، سيعود الكربون إلى الغلاف الجوي في شكل ثاني أكسيد الكربون ؛

2. يمكن أن تأكل النباتات العاشبة. في هذه الحالة ، سيعود الكربون إما إلى الغلاف الجوي (أثناء تنفس الحيوانات وأثناء تحللها بعد الموت) ، أو ستأكل الحيوانات العاشبة من قبل الحيوانات آكلة اللحوم (ومن ثم سيعود الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي بنفس الطرق) ؛

3. قد تموت النباتات وينتهي بها المطاف تحت الأرض. ثم في نهاية المطاف سوف يتحولون إلى وقود أحفوري - على سبيل المثال ، إلى الفحم.

في حالة انحلال جزيء ثاني أكسيد الكربون الأصلي في مياه البحر ، هناك عدة خيارات ممكنة أيضًا:

يمكن أن يعود ثاني أكسيد الكربون ببساطة إلى الغلاف الجوي (يحدث هذا النوع من تبادل الغازات بين المحيطات والغلاف الجوي طوال الوقت) ؛

يمكن أن يدخل الكربون إلى أنسجة النباتات أو الحيوانات البحرية. ثم سوف تتراكم تدريجياً على شكل رواسب في قاع المحيطات وتتحول في النهاية إلى حجر جيري أو تنتقل مرة أخرى من الرواسب إلى مياه البحر.

بمجرد دمج الكربون في الرواسب أو الوقود الأحفوري ، يتم إزالته من الغلاف الجوي. طوال فترة وجود الأرض ، تم استبدال الكربون المسحوب بهذه الطريقة بثاني أكسيد الكربون المنطلق في الغلاف الجوي أثناء الانفجارات البركانية والعمليات الحرارية الأرضية الأخرى. في الظروف الحديثةيضاف إلى هذه العوامل الطبيعية الانبعاثات الناتجة عن الاحتراق البشري للوقود الأحفوري. نظرًا لتأثير ثاني أكسيد الكربون على تأثير الاحتباس الحراري ، أصبحت دراسة دورة الكربون مهمة مهمة لعلماء الغلاف الجوي.

جزء لا يتجزأ من عمليات البحث هذه هو تحديد كمية ثاني أكسيد الكربون الموجودة في أنسجة النبات (على سبيل المثال ، في غابة مزروعة حديثًا) - يسمي العلماء هذا بالوعة الكربون. كما تحاول الحكومات في جميع أنحاء العالم الوصول اتفاق دوليللحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، أصبحت مسألة النسبة المتوازنة للبواليع وانبعاثات الكربون في الدول الفردية مصدر خلاف رئيسي للبلدان الصناعية. ومع ذلك ، يشك العلماء في أن تراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يمكن إيقافه بواسطة مزارع الغابات وحدها.

يدور الكربون باستمرار في المحيط الحيوي للأرض على طول مسارات مترابطة مغلقة. حاليًا ، تضاف تأثيرات حرق الوقود الأحفوري إلى العمليات الطبيعية.


المؤلفات:

1 - أحمدوف ن. الصف التاسع في الكيمياء: كتاب مدرسي. للتعليم العام كتاب مدرسي المؤسسات. - الطبعة الثانية. - م: التنوير ، 1999. - 175 ص: م.

2 - غابريليان أو إس. الصف التاسع في الكيمياء: كتاب مدرسي. للتعليم العام كتاب مدرسي المؤسسات. - الطبعة الرابعة. - م: بوستارد ، 2001. - 224 ص: مريض.

3 - غابريليان أو إس. الكيمياء للصفوف 8-9: طريقة. مخصص. - الطبعة الرابعة. - م: بوستارد ، 2001. - 128 ص.

4. Eroshin D.P. ، Shishkin E.A. طرق حل المشكلات في الكيمياء: كتاب مدرسي. مخصص. - م: التنوير ، 1989. - 176 ص: م.

5. Kremenchugskaya M. الكيمياء: دليل أطفال المدارس. - م: فيلول. جمعية "WORD": LLC "دار النشر AST" ، 2001. - 478 ص.

6. Kritsman V.A. قراءة كتاب في الكيمياء غير العضوية. - م: التنوير ، 1986. - 273 ص.