УГЛЕРОД: СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Углерода не является - металлический химический элемент, химическое символ С. назван после того, как уголь, растительного или минерального происхождения , где его атомы определяют различные структуры. Многие авторы называют его королем элементов, поскольку он образует широкий спектр органических и неорганических соединений, а также встречается в значительном количестве аллотропов.

И если этого недостаточно для того, чтобы относиться к нему как к особому элементу, он присутствует во всех живых существах; все его биомолекулы обязаны своим существованием стабильности и прочности связей CC и их высокой тенденции к конкатенации. Углерод - это элемент жизни, и из его атомов построены их тела.

Древесина деревьев состоит в основном из углеводов - одного из многих соединений, богатых углеродом. Источник: Pexels.

Органические соединения, из которых состоят биоматериалы, практически состоят из углеродных скелетов и гетероатомов. Их можно увидеть невооруженным глазом в лесу между деревьями; а также, когда молния ударяет и поджаривает их. Оставшееся инертное твердое вещество черного цвета также содержит углерод; но это уголь.

Таким образом, существуют «мертвые» проявления этого элемента: древесный уголь, продукт горения в бедных кислородом средах; и минеральный уголь, продукт геологических процессов. Оба твердых тела похожи друг на друга, они черные и горят, выделяя тепло и энергию; хотя и с разной урожайностью.

С этого момента углерод является 15-м наиболее распространенным элементом в земной коре. Неудивительно, когда ежегодно добываются миллионы тонн угля. Эти минералы различаются по своим свойствам в зависимости от степени примесей, что делает антрацит самым качественным минеральным углем.

Земная кора богата не только минеральным углем, но и карбонатами, особенно известняком и доломитами. Что касается Вселенной, это четвертый по распространенности элемент; Я имею в виду, что на других планетах больше углерода.

История углерода

Ретроспектива

Углерод может быть таким же старым, как сама земная кора. С незапамятных времен древние цивилизации встречали этот элемент во многих его природных проявлениях: сажа, древесный уголь, древесный уголь, древесный уголь, алмазы, графит, каменноугольная смола, антрацит и т. Д.

Все эти твердые тела, хотя и имели темные тона (за исключением алмаза), остальные их физические свойства, а также их состав заметно различались. Тогда нельзя было утверждать, что они по существу состоят из атомов углерода.

Таким образом, на протяжении всей истории уголь классифицировался в зависимости от его качества во время горения и получения тепла. А с помощью газов, образовавшихся при его сгорании, нагревались водные массы, которые, в свою очередь, производили пары, которые приводили в движение турбины, генерирующие электрические токи.

Углерод неожиданным образом присутствовал в древесном угле, полученном при сжигании деревьев в закрытых или герметичных помещениях; в графите, из которого сделаны карандаши; в алмазах, используемых в качестве драгоценных камней; он отвечал за твердость стали.

Его история идет рука об руку с деревом, порохом, газами для городского освещения, поездами и кораблями, пивом, смазочными материалами и другими важными объектами для развития человечества.

признание

В какой момент ученые смогли связать аллотропы и минералы углерода с одним и тем же элементом? Уголь рассматривался как минерал и не считался химическим элементом, достойным таблицы Менделеева. Первым шагом должно было показать, что все эти твердые вещества превратились в один и тот же газ: диоксид углерода, CO ₂ .

Антуан Лавуазье в 1772 году, используя деревянную оправу с большими линзами, сфокусировал солнечные лучи на образцах древесного угля и алмаза. Он обнаружил, что ни один из них не образовывал водяных паров, кроме CO ₂ . Он проделал то же самое с сажей и получил те же результаты.

Карл Вильгельм Шееле в 1779 году обнаружил химическую связь между древесным углем и графитом; то есть оба твердых тела состояли из одних и тех же атомов.

Смитсон Теннант и Уильям Хайд Волластон в 1797 году методологически подтвердили (посредством реакций), что алмаз на самом деле состоит из углерода при образовании CO ₂ при его сгорании.

Эти результаты вскоре позволили осветить графит и алмаз, твердые частицы, образованные углеродом, и, следовательно, высокой чистоты; в отличие от загрязненных твердых частиц угля и других углеродистых минералов.

свойства

Физические или химические свойства твердых тел, минералов или углеродистых материалов зависят от многих переменных. Среди них: состав или степень примесей, гибридизация атомов углерода, разнообразие структур, а также морфология или размер пор.

При описании свойств углерода большинство текстов или библиографических источников основаны на графите и алмазе.

Зачем? Потому что они являются наиболее известными аллотропами для этого элемента и представляют собой твердые тела или материалы высокой чистоты; то есть они практически состоят только из атомов углерода (хотя и с другой структурой, как будет объяснено в следующем разделе).

Свойства древесного угля и минерального угля различаются по своему происхождению или составу соответственно. Например, бурый уголь (с низким содержанием углерода) в качестве топлива ползет по сравнению с антрацитом (с высоким содержанием углерода). А что насчет других аллотропов: нанотрубок, фуллеренов, графенов, граффинов и т. Д.

Однако химически у них есть одна общая черта: они окисляются при избытке кислорода в CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Теперь скорость или температура, которые им необходимы для окисления, специфичны для каждого из этих аллотропов.

Графит против алмаза

Здесь также будет сделан краткий комментарий относительно очень разных свойств этих двух аллотропов:

Таблица, в которой сравниваются некоторые свойства двух кристаллических аллотропов углерода. Источник: Габриэль Боливар.

Структура и электронная конфигурация

Гибридизация

Связь между гибридными орбиталями и возможными структурами углерода. Источник: Габриэль Боливар.

Электронная конфигурация атома углерода - 1s ² 2s ² 2p ² , также записывается как 2s ² 2p ² (верхнее изображение). Это представление соответствует его основному состоянию: атом углерода изолирован и подвешен в таком вакууме, что не может взаимодействовать с другими.

Можно видеть, что на одной из его 2p-орбиталей отсутствуют электроны, которые принимают электрон с более низкой энергии 2s-орбитали посредством электронного продвижения; и, таким образом, атом приобретает способность образовывать до четырех ковалентных связей через свои четыре гибридные sp ³ орбитали .

Обратите внимание, что все четыре орбитали sp ³ вырождены по энергии (выровнены на одном уровне). Чистые p-орбитали более энергичны, поэтому они расположены над другими гибридными орбиталями (справа от изображения).

Если существует три гибридных орбитали, это потому, что остается одна негибридизированная p-орбиталь; следовательно, это три sp ² орбитали . И когда есть две из этих гибридных орбиталей, две p-орбитали доступны для образования двойных или тройных связей, являющихся гибридизацией sp-углерода.

Такие электронные аспекты необходимы для понимания того, почему углерод можно найти в бесконечности аллотропов.

Числа окисления

Прежде чем продолжить рассмотрение структур, стоит упомянуть, что, учитывая электронную конфигурацию валентности 2s ² 2p ² , углерод может иметь следующие степени окисления: +4, +2, 0, -2 и -4.

Зачем? Эти числа соответствуют предположению, что существует ионная связь, так что вы формируете ионы с соответствующими зарядами; то есть C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (нейтральный), C ^2- и C ^4- .

Чтобы углерод имел положительную степень окисления, он должен потерять электроны; И для этого он обязательно должен быть связан с очень электроотрицательными атомами (например, с кислородом).

Между тем, чтобы углерод имел отрицательную степень окисления, он должен получать электроны, связываясь с атомами металла или менее электроотрицательными, чем он (например, водород).

Первая степень окисления +4 означает, что углерод потерял все свои валентные электроны; орбитали 2s и 2p остаются пустыми. Если 2p-орбиталь теряет свои два электрона, степень окисления углерода будет +2; если вы получите два электрона, у вас будет -2; и если вы получите еще два электрона, заполнив октет валентности, -4.

Примеры

Например, для CO ₂ степень окисления углерода составляет +4 (потому что кислород более электроотрицателен); в то время как для CH ₄ это -4 (потому что водород менее электроотрицателен).

Для CH ₃ OH степень окисления углерода составляет -2 (+1 для H и -2 для O); а для HCOOH это +2 (проверьте, что сумма дает 0).

Возможны и другие степени окисления, такие как -3 и +3, особенно когда речь идет об органических молекулах; например, в метильных группах -CH ₃ .

Молекулярная геометрия

На верхнем изображении показана не только гибридизация орбиталей атома углерода, но и результирующая молекулярная геометрия, когда несколько атомов (черные сферы) связаны с центральным. Этот центральный атом, чтобы иметь определенную геометрическую среду в пространстве, должен иметь соответствующую химическую гибридизацию, которая позволяет это.

Например, для тетраэдра центральный углерод имеет sp ³ гибридизацию ; потому что это наиболее стабильное расположение четырех гибридных орбиталей sp ³ . В случае атомов углерода sp ² они могут образовывать двойные связи и иметь окружение в тригональной плоскости; Таким образом, эти треугольники образуют идеальный шестиугольник. А для sp-гибридизации атомы углерода принимают линейную геометрию.

Таким образом, геометрия, наблюдаемая в структурах всех аллотропов, просто определяется тетраэдрами (sp ³ ), шестиугольниками или пятиугольниками (sp ² ) и линиями (sp).

Тетраэдры определяют трехмерную структуру, а шестиугольники, пятиугольники и линии - трехмерные или двумерные структуры; Последние представляют собой плоскости или листы, похожие на стенки сот:

Стена с гексагональной конструкцией в виде сот по аналогии с плоскостями из углеродов sp2. Источник: Pixabay.

А если сложить эту шестиугольную стенку (пятиугольную или смешанную), мы получим трубку (нанотрубки) или шар (фуллерены), или другую фигуру. Взаимодействие между этими фигурами приводит к различной морфологии.

Аморфные или кристаллические твердые вещества

Оставляя в стороне геометрию, гибридизацию или морфологию возможных структур углерода, его твердые вещества можно глобально разделить на два типа: аморфные и кристаллические. И между этими двумя классификациями распределяются их аллотропы.

Аморфный углерод - это просто углерод, который представляет собой произвольную смесь тетраэдров, шестиугольников или линий, неспособную установить структурный образец; например, уголь, древесный уголь или активированный уголь, кокс, сажа и т. д.

В то время как кристаллический углерод состоит из структурных узоров любой из предложенных геометрических форм; например, алмаз (трехмерная сеть тетраэдров) и графит (сложенные шестиугольные листы).

получение

Углерод может быть чистым, как графит или алмаз. Они находятся в соответствующих минералогических отложениях, разбросанных по всему миру и в разных странах. Вот почему одни страны экспортируют один из этих минералов больше, чем другие. Короче говоря, «нужно копать землю», чтобы получить углерод.

То же самое касается минерального угля и его разновидностей. Но с древесным углем дело обстоит иначе, поскольку тело, богатое углеродом, должно сначала «погибнуть» либо под огнем, либо под действием электрической молнии; конечно, в отсутствие кислорода, иначе CO ₂ будет выделен .

Целый лес - это такой же источник углерода, как древесный уголь; не только своими деревьями, но и фауной.

Как правило, образцы, содержащие углерод, должны подвергаться пиролизу (сжиганию в отсутствие кислорода) для выделения некоторых примесей в виде газов; и, таким образом, твердое вещество, богатое углеродом (аморфное или кристаллическое), остается в виде остатка.

Приложения

Опять же, как и свойства и структура, использование или применение согласуется с аллотропами или минералогическими формами углерода. Тем не менее, помимо некоторых хорошо известных моментов, можно упомянуть некоторые общие моменты. Таковы:

-Углерод давно используется как минеральный восстановитель при получении чистых металлов; например, железо, кремний и фосфор и другие.

-Это краеугольный камень жизни, и органическая химия и биохимия исследуют это отражение.

-Это также было ископаемое топливо, которое позволило первым машинам начать работу. Таким же образом из него получали углекислый газ для старых систем освещения. Уголь был синонимом света, тепла и энергии.

-Смешивание в качестве добавки с железом в различных пропорциях позволило изобрести и усовершенствовать стали.

-Его черный цвет имел место в искусстве, особенно графит и все надписи, сделанные его линиями.

Риски и меры предосторожности

Углерод и его твердые частицы не представляют опасности для здоровья. Кого волновал мешок с углем? Они продаются толпами в проходах некоторых рынков, и пока поблизости нет огня, их черные блоки не горят.

Кокс, с другой стороны, может представлять опасность, если в нем высокое содержание серы. Когда он горит, он выделяет сернистые газы, которые, помимо того, что являются токсичными, способствуют образованию кислотных дождей. И хотя CO ₂ в небольших количествах не может нас задушить, он оказывает огромное влияние на окружающую среду как парниковый газ.

С этой точки зрения углерод представляет собой «долгосрочную» опасность, поскольку его сжигание изменяет климат нашей планеты.

А в более физическом смысле твердые или углеродистые материалы, если они измельчены, легко переносятся воздушными потоками; и, следовательно, они попадают прямо в легкие, что может нанести им непоправимый урон.

В остальном очень распространено употребление «древесного угля» при приготовлении пищи.

Ссылки

1. Моррисон, Р. Т. и Бойд, Р., Н. (1987). Органическая химия. 5-е издание. Редакция Addison-Wesley Interamericana.
2. Кэри Ф. (2008). Органическая химия. (Издание шестое). Мак Гроу Хилл.
3. Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. Амины. (10-е изд.). Wiley Plus.
4. Андрей. (2019). Углерод, его аллотропы и структуры. Получено с: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Уголь. Объяснение химии. Получено с: chemistryexplained.com
6. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (11 июля 2018 г.). 10 фактов об углероде (атомный номер 6 или C). Получено с: thinkco.com
7. Тонья Иш. (2019). Что такое углерод? - Урок истории и фактов для детей. Учиться. Получено с: study.com
8. Фолля. (SF). История углерода. Получено с: tf.uni-kiel.de