Charakterystyka elementu

6 do 1s 2 2s 2 2p 2

Izotopy: 12 C (98,892%); 13°C (1,108%); 14 C (radioaktywny)

Clarke’a w skorupie ziemskiej stanowi 0,48% masowych. Formy lokalizacji:

w postaci wolnej (węgiel, diamenty);

w składzie węglanów (CaCO 3, MgCO 3 itp.);

w ramach paliw kopalnych (węgiel, ropa naftowa, gaz);

w postaci CO 2 - w atmosferze (0,03% obj.);

w Oceanie Światowym - w postaci anionów HCO 3;

w składzie żywej materii (-18% węgla).

Chemia związków węgla to głównie chemia organiczna. W ramach chemii nieorganicznej badane są następujące substancje zawierające C: wolny węgiel, tlenki (CO i CO 2), kwas węglowy, węglany i wodorowęglany.

Darmowy węgiel. Alotropia.

W stanie wolnym węgiel tworzy 3 modyfikacje alotropowe: diament, grafit i sztucznie wytwarzany karbin. Te modyfikacje węgla różnią się budową chemiczną kryształów i właściwościami fizycznymi.

Diament

W krysztale diamentu każdy atom węgla jest połączony silnymi wiązaniami kowalencyjnymi z czterema innymi, umieszczonymi wokół niego w równych odległościach.

Wszystkie atomy węgla są w stanie hybrydyzacji sp 3. Atomowa sieć krystaliczna diamentu ma strukturę czworościenną.

Diament jest bezbarwną, przezroczystą substancją silnie załamującą światło. Ma największą twardość spośród wszystkich znanych substancji. Diament jest kruchy, ogniotrwały i źle przewodzi ciepło ani prąd. Niewielkie odległości pomiędzy sąsiednimi atomami węgla (0,154 nm) decydują o dość dużej gęstości diamentu (3,5 g/cm3).

Grafit

W sieci krystalicznej grafitu każdy atom węgla znajduje się w stanie hybrydyzacji sp 2 i tworzy trzy silne wiązania kowalencyjne z atomami węgla znajdującymi się w tej samej warstwie. W tworzeniu tych wiązań uczestniczą trzy elektrony każdego atomu węgla, natomiast czwarte elektrony walencyjne tworzą wiązania n i są stosunkowo swobodne (ruchliwe). Określają przewodność elektryczną i cieplną grafitu.

Długość wiązania kowalencyjnego między sąsiadującymi atomami węgla w tej samej płaszczyźnie wynosi 0,152 nm, a odległość między atomami C w różnych warstwach jest 2,5 razy większa, więc wiązania między nimi są słabe.

Grafit to nieprzezroczysta, miękka, tłusta w dotyku substancja o szaro-czarnym kolorze z metalicznym połyskiem; dobrze przewodzi ciepło i prąd. Grafit ma mniejszą gęstość w porównaniu do diamentu i łatwo dzieli się na cienkie płatki.

Nieuporządkowana struktura drobnokrystalicznego grafitu leży u podstaw budowy różnych form węgla amorficznego, z których najważniejszymi są koks, węgiel brunatny i czarny, sadza i węgiel aktywny.

Karabin

Tę alotropową modyfikację węgla uzyskuje się przez katalityczne utlenianie (dehydropolikondensację) acetylenu. Carbyne to polimer łańcuchowy występujący w dwóch postaciach:

С=С-С=С-... i...=С=С=С=

Carbyne ma właściwości półprzewodnikowe.

Właściwości chemiczne węgla

W zwykłych temperaturach obie modyfikacje węgla (diament i grafit) są chemicznie obojętne. Drobnokrystaliczne formy grafitu - koks, sadza, węgiel aktywny - są bardziej reaktywne, ale z reguły po podgrzaniu do wysokiej temperatury.

C - aktywny środek redukujący:

1. Interakcja z tlenem

C + O 2 = CO 2 + 393,5 kJ (nadmiar O 2)

2C + O 2 = 2CO + 221 kJ (przy braku O 2)

Spalanie węgla jest jednym z najważniejszych źródeł energii.

2. Oddziaływanie z fluorem i siarką.

C + 2F 2 = tetrafluorek węgla CF 4

C + 2S = dwusiarczek węgla CS2

3. Koks jest jednym z najważniejszych środków redukujących stosowanych w przemyśle. W hutnictwie wykorzystuje się go do otrzymywania metali z tlenków np.:

ZS + Fe2O3 = 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. Kiedy węgiel oddziałuje z tlenkami metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych, zredukowany metal łączy się z węglem, tworząc węglik. Na przykład: 3S + CaO = CaC 2 + CO węglik wapnia

5. Do produkcji krzemu wykorzystuje się także koks:

2C + SiO 2 = Si + 2СО

6. W przypadku nadmiaru koksu tworzy się węglik krzemu (karborund) SiC.

Produkcja „gazu wodnego” (gazyfikacja paliwa stałego)

Przepuszczając parę wodną przez rozżarzony węgiel, otrzymuje się palną mieszaninę CO i H2, zwaną gazem wodnym:

C + H 2 O = CO + H 2

7. Reakcje z kwasami utleniającymi.

Po podgrzaniu węgiel aktywowany lub węgiel drzewny redukuje aniony NO 3 - i SO 4 2 - ze stężonych kwasów:

C + 4HNO 3 = CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2 SO 2 + 2H 2 O

8. Reakcje ze stopionymi azotanami metali alkalicznych

W stopionym KNO 3 i NaNO 3 kruszony węgiel spala się intensywnie, tworząc olśniewający płomień:

5C + 4KNO 3 = 2K 2 CO 3 + ZCO 2 + 2N 2

C - niskoaktywny utleniacz:

1. Tworzenie węglików solnych z metalami aktywnymi.

Znaczące osłabienie niemetalicznych właściwości węgla wyraża się w tym, że jego funkcje utleniające ujawniają się w znacznie mniejszym stopniu niż redukujące.

2. Dopiero w reakcjach z metalami aktywnymi atomy węgla przekształcają się w ujemnie naładowane jony C -4 i (C=C) 2-, tworząc węgliki o charakterze soli:

ZS + 4Al = węglik glinu Al 4 C 3

2C + Ca = CaC2 węglik wapnia

3. Węgliki jonowe są związkami bardzo niestabilnymi, łatwo rozkładają się pod wpływem kwasów i wody, co świadczy o niestabilności ujemnie naładowanych anionów węgla:

Al 4 C 3 + 12H 2 O = ZSN 4 + 4Al(OH) 3

CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca(OH) 2

4. Tworzenie związków kowalencyjnych z metalami

W stopach mieszanin węgla z metalami przejściowymi powstają węgliki głównie z wiązaniem kowalencyjnym. Ich cząsteczki mają zmienny skład, a substancje jako całość są zbliżone do stopów. Takie węgliki są bardzo stabilne, są chemicznie obojętne w stosunku do wody, kwasów, zasad i wielu innych odczynników.

5. Oddziaływanie z wodorem

Przy wysokich T i P, w obecności katalizatora niklowego, węgiel łączy się z wodorem:

C + 2НН 2 → СНН 4

Reakcja jest wysoce odwracalna i nie ma praktycznego znaczenia.

Węgiel jest szóstym elementem układu okresowego Mendelejewa. Jego masa atomowa wynosi 12.

Węgiel znajduje się w drugim okresie układu Mendelejewa i w czwartej grupie tego układu.

Numer okresu mówi nam, że sześć elektronów węgla znajduje się na dwóch poziomach energii.

Czwarta liczba grupowa mówi, że węgiel ma cztery elektrony na swoim zewnętrznym poziomie energii. Dwa z nich są sparowane S-elektrony, a pozostałe dwa nie są sparowane R-elektrony.

Strukturę zewnętrznej warstwy elektronowej atomu węgla można wyrazić następującymi schematami:

Każda komórka na tych diagramach oznacza oddzielny orbital elektronowy, strzałka oznacza elektron znajdujący się na orbicie. Dwie strzałki w jednej komórce oznaczają dwa elektrony znajdujące się na tym samym orbicie, ale o przeciwnych spinach.

Kiedy atom jest wzbudzony (kiedy przekazywana jest mu energia), jeden z nich jest sparowany S-zajęte elektrony R-orbitalny.

Wzbudzony atom węgla może brać udział w tworzeniu czterech wiązań kowalencyjnych. Dlatego w zdecydowanej większości swoich związków węgiel wykazuje wartościowość cztery.

Zatem najprostszy związek organiczny, metan węglowodorowy, ma skład CH 4. Jego strukturę można wyrazić za pomocą wzorów strukturalnych lub elektronicznych:

Wzór elektroniczny pokazuje, że atom węgla w cząsteczce metanu ma stabilną ośmioelektronową powłokę zewnętrzną, a atomy wodoru mają stabilną dwuelektronową powłokę.

Wszystkie cztery kowalencyjne wiązania węgla w metanie (i innych podobnych związkach) są równe i symetrycznie skierowane w przestrzeni. Atom węgla znajduje się niejako w środku czworościanu (regularnej piramidy czworokątnej), a cztery połączone z nim atomy (w przypadku metanu cztery atomy wodoru) znajdują się na wierzchołkach czworościanu.

Kąty między kierunkami dowolnej pary wiązań są takie same i wynoszą 109 stopni i 28 minut.

Wyjaśnia to fakt, że w atomie węgla, gdy tworzy wiązania kowalencyjne z czterema innymi atomami, z jednego S- i trzy P-orbitale w rezultacie sp 3-hybrydyzacja daje cztery hybrydy symetrycznie rozmieszczone w przestrzeni sp 3-orbitale wydłużone w kierunku wierzchołków czworościanu.

Cechy właściwości węgla.

Liczba elektronów na zewnętrznym poziomie energetycznym jest głównym czynnikiem determinującym właściwości chemiczne pierwiastka.

Po lewej stronie układu okresowego znajdują się pierwiastki z nisko wypełnionym zewnętrznym poziomem elektronowym. Elementy pierwszej grupy mają jeden elektron na poziomie zewnętrznym, elementy drugiej grupy mają dwa.

Elementami tych dwóch grup są metale. Łatwo ulegają utlenieniu, tj. tracą swoje zewnętrzne elektrony i stają się jonami dodatnimi.

Przeciwnie, po prawej stronie układu okresowego są niemetale (utleniacze). W porównaniu do metali mają jądro z większą liczbą protonów. Tak masywne jądro zapewnia znacznie silniejsze przyciąganie ze swojej chmury elektronów.

Takie pierwiastki z wielkim trudem tracą swoje elektrony, nie mają jednak nic przeciwko przyłączaniu dodatkowych elektronów z innych atomów, tj. utleniają je, a jednocześnie zamieniają się w jon ujemny.

Wraz ze wzrostem liczby grup w układzie okresowym, właściwości metaliczne pierwiastków słabną, a ich zdolność do utleniania innych pierwiastków wzrasta.

Węgiel zalicza się do czwartej grupy, tj. dokładnie pośrodku pomiędzy metalami, które łatwo oddają elektrony, a niemetalami, które łatwo te elektrony zdobywają.

Z tego powodu węgiel nie ma wyraźnej tendencji do oddawania lub zyskiwania elektronów.

Łańcuchy węglowe.

Wyjątkową właściwością węgla, decydującą o różnorodności związków organicznych, jest zdolność jego atomów do łączenia się ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, tworząc obwody węglowe o praktycznie nieograniczonej długości.

Oprócz węgla łańcuchy identycznych atomów tworzy jego analog z grupy IV - krzem. Jednakże takie łańcuchy zawierają nie więcej niż sześć atomów Si. Znane są długie łańcuchy atomów siarki, ale zawierające je związki są kruche.

Wartościowości atomów węgla, które nie są wykorzystywane do wzajemnego połączenia, wykorzystuje się do dodawania innych atomów lub grup (w węglowodorach - do dodawania wodoru).

Zatem węglowodory etan ( C 2 H 6) i propan ( C 3 H 8) zawierają łańcuchy odpowiednio dwóch i trzech atomów węgla. Ich strukturę wyrażają następujące wzory strukturalne i elektroniczne:

Znane są związki, które zawierają w swoich łańcuchach setki lub więcej atomów węgla.

Ze względu na czworościenną orientację wiązań węgla, jego atomy wchodzące w skład łańcucha nie są ułożone w linii prostej, ale zygzakowato. Ponadto, ze względu na możliwość rotacji atomów wokół osi wiązania, łańcuch w przestrzeni może przybierać różne kształty (konformacje):

Taka struktura łańcuchów umożliwia zbliżenie się do siebie końcowych lub innych niesąsiadujących atomów węgla. W wyniku powstania wiązań pomiędzy tymi atomami łańcuchy węglowe mogą zamykać się w pierścienie (cykle), na przykład:

Zatem o różnorodności związków organicznych decyduje również fakt, że przy tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce możliwe są związki z otwartym, otwartym łańcuchem atomów węgla, a także substancje, których cząsteczki zawierają cykle.

Proste i wielokrotne połączenia.

Wiązania kowalencyjne między atomami węgla utworzone przez jedną parę uogólnionych elektronów nazywane są wiązaniami prostymi.

Wiązanie między atomami węgla może być realizowane nie przez jedną, ale przez dwie lub trzy wspólne pary elektronów. Otrzymujemy wówczas łańcuchy z wiązaniami wielokrotnymi – podwójnymi lub potrójnymi. Połączenia te można przedstawić w następujący sposób:

Najprostszymi związkami zawierającymi wiązania wielokrotne są węglowodory etylen(z podwójnym wiązaniem) i acetylen(z potrójnym wiązaniem):

Węglowodory z wiązaniami wielokrotnymi nazywane są nienasyconymi lub nienasyconymi. Etylen i acetylen są pierwszymi przedstawicielami dwóch serii homologicznych - węglowodorów etylenu i acetylenu.

Węgiel(łac. Carboneum), C, pierwiastek chemiczny grupy IV układu okresowego Mendelejewa, liczba atomowa 6, masa atomowa 12,011. Znane są dwa stabilne izotopy: 12 C (98,892%) i 13 C (1,108%). Spośród izotopów promieniotwórczych najważniejszy jest 14 C z okresem półtrwania (T ½ = 5,6 · 10 · 3 lata). Niewielkie ilości 14 C (ok. 2,10 -10% mas.) powstają stale w górnych warstwach atmosfery pod wpływem neutronów promieniowania kosmicznego na izotop azotu 14 N. Aktywność specyficzna izotopu 14 C w pozostałościach pochodzenia biogennego służy do określenia ich wieku. 14C jest szeroko stosowany jako znacznik izotopowy.

Odniesienie historyczne. Węgiel znany jest od czasów starożytnych. Węgiel drzewny służył do przywracania metali z rud, diamentów - jako kamień szlachetny. Znacznie później zaczęto wykorzystywać grafit do wyrobu tygli i ołówków.

W 1778 r. K. Scheele podgrzewając grafit saletrą odkrył, że w tym przypadku, podobnie jak przy ogrzewaniu węgla saletrą, wydziela się dwutlenek węgla. Skład chemiczny diamentu ustalono w wyniku doświadczeń A. Lavoisiera (1772) nad spalaniem diamentu w powietrzu oraz badań S. Tennanta (1797), który udowodnił, że z równych ilości diamentu i węgla powstają jednakowe ilości dwutlenku węgla podczas utleniania. Węgiel został uznany za pierwiastek chemiczny w 1789 roku przez Lavoisiera. Carbon otrzymał swoją łacińską nazwę carboneum od carbo – węgla.

Rozkład węgla w przyrodzie.Średnia zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 2,3 10 -2% masowych (1 10 -2 w skałach ultrazasadowych, 1 10 -2 w skałach zasadowych, 2 10 -2 w skałach średnich, 3 10 -2 w skałach kwaśnych). Węgiel gromadzi się w górnej części skorupy ziemskiej (biosferze): w materii żywej 18% Węgiel, drewno 50%, węgiel 80%, ropa 85%, antracyt 96%. Znaczna część węgla w litosferze koncentruje się w wapieniach i dolomitach.

Liczba minerałów własnych węgla wynosi 112; Liczba organicznych związków węgla – węglowodorów i ich pochodnych – jest wyjątkowo duża.

Akumulacja węgla w skorupie ziemskiej wiąże się z akumulacją wielu innych pierwiastków, które są absorbowane przez materię organiczną i wytrącane w postaci nierozpuszczalnych węglanów itp. CO 2 i kwas węglowy odgrywają główną rolę geochemiczną w skorupie ziemskiej. Podczas wulkanizmu uwalniana jest ogromna ilość CO 2 - w historii Ziemi było to główne źródło węgla dla biosfery.

W porównaniu ze średnią zawartością skorupy ziemskiej ludzkość wydobywa węgiel z podglebia (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny) w wyjątkowo dużych ilościach, ponieważ te skamieniałości są głównym źródłem energii.

Cykl węglowy ma ogromne znaczenie geochemiczne.

Węgiel jest również szeroko rozpowszechniony w kosmosie; na Słońcu zajmuje czwarte miejsce po wodorze, helu i tlenie.

Właściwości fizyczne węgla. Znanych jest kilka krystalicznych modyfikacji węgla: grafit, diament, karbyn, lonsdaleit i inne. Grafit to szaroczarna, nieprzezroczysta, tłusta w dotyku, łuszcząca się, bardzo miękka masa o metalicznym połysku. Zbudowane z kryształów o strukturze heksagonalnej: a = 2,462Å, c = 6,701Å. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem (0,1 Mn/m2 lub 1 kgf/cm2) grafit jest stabilny termodynamicznie. Diament jest bardzo twardą, krystaliczną substancją. Kryształy mają sześcienną siatkę skupioną na ścianie: a = 3,560 Å. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem diament jest metastabilny. Wyraźną przemianę diamentu w grafit obserwuje się w temperaturach powyżej 1400°C w próżni lub w atmosferze obojętnej. Pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze około 3700°C grafit sublimuje. Ciekły węgiel można uzyskać pod ciśnieniami powyżej 10,5 Mn/m2 (105 kgf/cm2) i temperaturami powyżej 3700°C. Węgiel stały (koks, sadza, węgiel drzewny) charakteryzuje się także stanem o nieuporządkowanej strukturze – tzw. węglem „amorficznym”, który nie stanowi samodzielnej modyfikacji; Jego budowa opiera się na strukturze drobnokrystalicznego grafitu. Ogrzanie niektórych odmian „amorficznego” węgla powyżej 1500-1600°C bez dostępu powietrza powoduje ich przemianę w grafit. Właściwości fizyczne węgla „amorficznego” w dużej mierze zależą od rozproszenia cząstek i obecności zanieczyszczeń. Gęstość, pojemność cieplna, przewodność cieplna i przewodność elektryczna „amorficznego” węgla są zawsze wyższe niż grafitu. Carbyne jest otrzymywany sztucznie. Jest drobnokrystalicznym czarnym proszkiem (gęstość 1,9-2 g/cm3). Zbudowane z długich łańcuchów atomów C ułożonych równolegle do siebie. Lonsdaleit występuje w meteorytach i jest pozyskiwany sztucznie.

Właściwości chemiczne węgla. Konfiguracja zewnętrznej powłoki elektronowej atomu węgla to 2s 2 2p 2. Węgiel charakteryzuje się tworzeniem czterech wiązań kowalencyjnych, w wyniku wzbudzenia zewnętrznej powłoki elektronowej do stanu 2sp 3. Dlatego węgiel jest w równym stopniu zdolny zarówno do przyciągania, jak i oddawania elektronów. Wiązanie chemiczne można wykonać dzięki orbitalom hybrydowym sp 3 -, sp 2 - i sp-, które odpowiadają liczbom koordynacyjnym 4, 3 i 2. Liczba elektronów walencyjnych węgla i liczba orbitali walencyjnych są takie same; jest to jedna z przyczyn stabilności wiązania między atomami węgla.

Wyjątkowa zdolność atomów węgla do łączenia się ze sobą w celu utworzenia mocnych i długich łańcuchów i cykli doprowadziła do pojawienia się ogromnej liczby różnorodnych związków węgla badanych w chemii organicznej.

W związkach węgiel wykazuje stopień utlenienia -4; +2; +4. Promień atomowy 0,77 Å, promienie kowalencyjne odpowiednio 0,77 Å, 0,67 Å, ​​0,60 Å, w wiązaniach pojedynczych, podwójnych i potrójnych; promień jonowy C 4- 2,60 Å, C 4+ 0,20 Å. W normalnych warunkach węgiel jest chemicznie obojętny, w wysokich temperaturach łączy się z wieloma pierwiastkami, wykazując silne właściwości redukujące. Aktywność chemiczna maleje w następującej kolejności: „amorficzny” węgiel, grafit, diament; interakcja z tlenem z powietrza (spalanie) zachodzi odpowiednio w temperaturach powyżej 300-500°C, 600-700°C i 850-1000°C z utworzeniem tlenku węgla (IV) CO 2 i tlenku węgla (II) CO.

CO2 rozpuszcza się w wodzie tworząc kwas węglowy. W 1906 r. O. Diels otrzymał podtlenek węgla C 3 O 2. Wszystkie formy węgla są odporne na zasady i kwasy i ulegają powolnemu utlenianiu jedynie za pomocą bardzo silnych utleniaczy (mieszanina chromu, mieszanina stężonego HNO 3 i KClO 3 i inne). Węgiel „amorficzny” reaguje z fluorem w temperaturze pokojowej, grafitem i diamentem – po podgrzaniu. Bezpośrednie połączenie węgla z chlorem następuje w łuku elektrycznym; Węgiel nie reaguje z bromem i jodem, dlatego wiele halogenków węgla syntetyzuje się pośrednio. Spośród tlenohalogenków o wzorze ogólnym COX 2 (gdzie X oznacza atom fluorowca) najbardziej znanym jest chlortlenek COCl (fosgen). Wodór nie oddziałuje z diamentem; reaguje z grafitem i „amorficznym” węglem w wysokich temperaturach w obecności katalizatorów (Ni, Pt): w temperaturze 600-1000 °C tworzy się głównie metan CH 4, w temperaturze 1500-2000 ° C - acetylen C 2 H 2; W produktach mogą występować także inne węglowodory, np. etan C2H6, benzen C6H6. Oddziaływanie siarki z „amorficznym” węglem i grafitem rozpoczyna się w temperaturze 700-800 °C, z diamentem w temperaturze 900-1000 °C; we wszystkich przypadkach tworzy się dwusiarczek węgla CS2. Pozostałe związki węgla zawierające siarkę (titlenek CS, tlenek tionu C3S2, tlenek siarki COS i tiofosgen CSCl2) otrzymuje się pośrednio. Kiedy CS 2 oddziałuje z siarczkami metali, powstają tiowęglany - sole słabego kwasu tiowęglowego. Oddziaływanie węgla z azotem prowadzące do wytworzenia cyjanu (CN) 2 zachodzi, gdy wyładowanie elektryczne przepływa pomiędzy elektrodami węglowymi w atmosferze azotu. Wśród związków zawierających azot węgla, praktyczne znaczenie ma cyjanowodór HCN (kwas pruski) i jego liczne pochodne: cyjanki, halogenyjanki, nitryle itp. W temperaturach powyżej 1000 °C węgiel reaguje z wieloma metalami, tworząc węgliki. Wszystkie formy węgla po podgrzaniu redukują tlenki metali, tworząc wolne metale (Zn, Cd, Cu, Pb i inne) lub węgliki (CaC 2, Mo 2 C, WC, TaC i inne). Węgiel reaguje w temperaturach powyżej 600-800°C z parą wodną i dwutlenkiem węgla (zgazowanie paliwa). Cechą charakterystyczną grafitu jest zdolność, po umiarkowanym podgrzaniu do 300-400°C, do oddziaływania z metalami alkalicznymi i halogenkami, tworząc związki inkluzyjne typu C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (gdzie X oznacza halogen, Ja jestem metalem). Znane są związki wtrąceń grafitu z HNO 3, H 2 SO 4, FeCl 3 i innymi (na przykład wodorosiarczan grafitu C 24 SO 4 H 2). Wszystkie formy węgla są nierozpuszczalne w zwykłych rozpuszczalnikach nieorganicznych i organicznych, ale są rozpuszczalne w niektórych stopionych metalach (np. Fe, Ni, Co).

O krajowym znaczeniu gospodarczym węgla decyduje fakt, że ponad 90% wszystkich pierwotnych źródeł energii zużywanej na świecie pochodzi z paliw organicznych, których dominująca rola utrzyma się w nadchodzących dziesięcioleciach, pomimo intensywnego rozwoju energetyki jądrowej. Tylko około 10% wydobytego paliwa wykorzystuje się jako surowiec do podstawowych syntez organicznych i syntez petrochemicznych, do produkcji tworzyw sztucznych i innych.

Węgiel w organizmie. Węgiel to najważniejszy pierwiastek biogenny stanowiący podstawę życia na Ziemi, jednostka strukturalna ogromnej liczby związków organicznych biorących udział w budowie organizmów i zapewniających ich funkcje życiowe (biopolimery, a także liczne niskocząsteczkowe substancje biologicznie czynne - witaminy, hormony, mediatory i inne). Znaczna część energii niezbędnej organizmom powstaje w komórkach w wyniku utleniania węgla. Pojawienie się życia na Ziemi jest uważane we współczesnej nauce za złożony proces ewolucji związków węgla.

Wyjątkowa rola węgla w przyrodzie ożywionej wynika z jego właściwości, których łącznie nie posiada żaden inny pierwiastek układu okresowego. Pomiędzy atomami węgla, a także pomiędzy węglem i innymi pierwiastkami powstają silne wiązania chemiczne, które jednak w stosunkowo łagodnych warunkach fizjologicznych mogą zostać rozerwane (wiązania te mogą być pojedyncze, podwójne i potrójne). Zdolność węgla do tworzenia 4 równoważnych wiązań walencyjnych z innymi atomami węgla stwarza możliwość konstruowania szkieletów węglowych różnego typu – liniowych, rozgałęzionych, cyklicznych. Znamienne jest, że tylko trzy pierwiastki – C, O i H – stanowią 98% całkowitej masy organizmów żywych. Osiąga to pewną efektywność w żywej przyrodzie: przy niemal nieograniczonej różnorodności strukturalnej związków węgla, niewielka liczba rodzajów wiązań chemicznych pozwala znacznie zmniejszyć liczbę enzymów niezbędnych do rozkładu i syntezy substancji organicznych. Cechy strukturalne atomu węgla leżą u podstaw różnych typów izomerii w związkach organicznych (zdolność do izomerii optycznej okazała się decydująca w ewolucji biochemicznej aminokwasów, węglowodanów i niektórych alkaloidów).

Zgodnie z ogólnie przyjętą hipotezą A.I. Oparina, pierwsze związki organiczne na Ziemi miały pochodzenie abiogenne. Źródłami węgla był metan (CH 4) i cyjanowodór (HCN) zawarte w pierwotnej atmosferze Ziemi. Wraz z pojawieniem się życia jedynym źródłem nieorganicznego węgla, dzięki któremu powstaje cała materia organiczna biosfery, jest tlenek węgla (IV) (CO 2), znajdujący się w atmosferze, a także rozpuszczony w wodach naturalnych w postaci z HCO3. Najpotężniejszy mechanizm asymilacji (asymilacji) węgla (w postaci CO 2) - fotosynteza - jest przeprowadzany wszędzie przez rośliny zielone (corocznie asymiluje się około 100 miliardów ton CO 2). Na Ziemi istnieje ewolucyjnie starsza metoda asymilacji CO 2 poprzez chemosyntezę; w tym przypadku mikroorganizmy chemosyntetyczne wykorzystują nie energię promieniowania Słońca, ale energię utleniania związków nieorganicznych. Większość zwierząt spożywa węgiel wraz z pożywieniem w postaci gotowych związków organicznych. W zależności od metody asymilacji związków organicznych zwyczajowo rozróżnia się organizmy autotroficzne i organizmy heterotroficzne. Wykorzystanie mikroorganizmów wykorzystujących węglowodory naftowe jako jedyne źródło węgla do biosyntezy białek i innych składników odżywczych jest jednym z ważnych współczesnych problemów naukowo-technicznych.

Zawartość węgla w organizmach żywych w przeliczeniu na suchą masę wynosi: 34,5-40% w roślinach i zwierzętach wodnych, 45,4-46,5% w roślinach i zwierzętach lądowych oraz 54% w bakteriach. Podczas życia organizmów, głównie na skutek oddychania tkanek, następuje oksydacyjny rozkład związków organicznych wraz z uwolnieniem CO 2 do środowiska zewnętrznego. Węgiel jest również uwalniany jako część bardziej złożonych końcowych produktów metabolizmu. Po śmierci zwierząt i roślin część węgla jest ponownie przekształcana w CO 2 w wyniku procesów rozkładu prowadzonych przez mikroorganizmy. Tak zachodzi obieg węgla w przyrodzie. Znaczna część węgla jest zmineralizowana i tworzy złoża węgla kopalnego: węgla, ropy naftowej, wapienia i innych. Oprócz głównej funkcji – źródła węgla – CO 2, rozpuszczony w wodach naturalnych i płynach biologicznych, uczestniczy w utrzymaniu kwasowości środowiska optymalnej dla procesów życiowych. Jako część CaCO 3 węgiel tworzy egzoszkielet wielu bezkręgowców (na przykład muszle mięczaków), występuje także w koralowcach, skorupkach jaj ptaków itp. Związki węgla, takie jak HCN, CO, CCl 4, które dominowały w pierwotnym atmosferze Ziemi w okresie prebiologicznym, później w procesie ewolucji biologicznej zamieniły się w silne antymetabolity metabolizmu.

Oprócz stabilnych izotopów węgla, radioaktywny 14 C jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie (organizm ludzki zawiera około 0,1 mikrocurie). Zastosowanie izotopów węgla w badaniach biologicznych i medycznych wiąże się z wieloma znaczącymi osiągnięciami w badaniu metabolizmu i obiegu węgla w przyrodzie. W ten sposób za pomocą znacznika radiowęglowego udowodniono możliwość wiązania H 14 CO 3 - przez rośliny i tkanki zwierzęce, ustalono sekwencję reakcji fotosyntezy, zbadano metabolizm aminokwasów, szlaki biosyntezy wielu biologicznie aktywnych prześledzono związki itp. Zastosowanie 14 C przyczyniło się do sukcesu biologii molekularnej w badaniu mechanizmów biosyntezy białek i przekazywania informacji dziedzicznej. Określenie aktywności właściwej 14 C w pozostałościach organicznych zawierających węgiel pozwala na ocenę ich wieku, co wykorzystuje się w paleontologii i archeologii.

Miejska placówka oświatowa „Liceum Nikiforowska nr 1”

Węgiel i jego główne związki nieorganiczne

Praca pisemna

Ukończył: uczeń klasy 9B

Sidorow Aleksander

Nauczyciel: Sakharova L.N.

Dmitrievka 2009

Wstęp

Rozdział I. Wszystko o węglu

1.1. Węgiel w naturze

1.2. Alotropowe modyfikacje węgla

1.3. Właściwości chemiczne węgla

1.4. Zastosowanie węgla

Rozdział II. Nieorganiczne związki węgla

Wniosek

Literatura

Wstęp

Węgiel (łac. Carboneum) C jest pierwiastkiem chemicznym IV grupy układu okresowego Mendelejewa: liczba atomowa 6, masa atomowa 12,011(1). Rozważmy strukturę atomu węgla. Zewnętrzny poziom energii atomu węgla zawiera cztery elektrony. Przedstawmy to graficznie:

Węgiel znany jest od czasów starożytnych, a imię odkrywcy tego pierwiastka nie jest znane.

Pod koniec XVII w. Florenccy naukowcy Averani i Tardgioni próbowali połączyć kilka małych diamentów w jeden duży i podgrzać je płonącym szkłem za pomocą światła słonecznego. Diamenty zniknęły, płonąc w powietrzu. W 1772 roku francuski chemik A. Lavoisier wykazał, że podczas spalania diamentów powstaje CO2. Dopiero w 1797 roku angielski uczony S. Tennant udowodnił identyczność natury grafitu i węgla. Po spaleniu równych ilości węgla i diamentu objętości tlenku węgla (IV) okazały się takie same.

Różnorodność związków węgla, tłumaczona zdolnością jego atomów do łączenia się ze sobą oraz z atomami innych pierwiastków na różne sposoby, decyduje o szczególnej pozycji węgla wśród innych pierwiastków.

RozdziałI. Wszystko o węglu

1.1. Węgiel w naturze

Węgiel występuje w przyrodzie zarówno w stanie wolnym, jak i w postaci związków.

Wolny węgiel występuje w postaci diamentu, grafitu i karbynu.

Diamenty są bardzo rzadkie. Największy znany diament Cullinan został znaleziony w 1905 roku w Republice Południowej Afryki, ważył 621,2 g i miał wymiary 10x6,5x5 cm.W Funduszu Diamentów w Moskwie przechowywany jest jeden z największych i najpiękniejszych diamentów świata – „Orłow” (37,92 g) .

Diament ma swoją nazwę od języka greckiego. „adamas” – niepokonany, niezniszczalny. Najważniejsze złoża diamentów znajdują się w Republice Południowej Afryki, Brazylii i Jakucji.

Duże złoża grafitu znajdują się w Niemczech, Sri Lance, Syberii i Ałtaju.

Głównymi minerałami zawierającymi węgiel są: magnezyt MgCO 3, kalcyt (dźwigar wapienny, wapień, marmur, kreda) CaCO 3, dolomit CaMg(CO 3) 2 itp.

Wszystkie paliwa kopalne – ropa naftowa, gaz, torf, węgiel i węgiel brunatny, łupki – zbudowane są na bazie węgla. Niektóre węgle kopalne, zawierające do 99% C, mają skład zbliżony do węgla.

Węgiel stanowi 0,1% skorupy ziemskiej.

W postaci tlenku węgla (IV) CO 2 węgiel przedostaje się do atmosfery. Duża ilość CO 2 jest rozpuszczona w hydrosferze.

1.2. Alotropowe modyfikacje węgla

Węgiel elementarny tworzy trzy modyfikacje alotropowe: diament, grafit, karabinek.

1. Diament to bezbarwna, przezroczysta, krystaliczna substancja, która niezwykle silnie załamuje promienie świetlne. Atomy węgla w diamencie znajdują się w stanie hybrydyzacji sp 3. W stanie wzbudzonym elektrony walencyjne w atomach węgla są sparowane i powstają cztery niesparowane elektrony. Kiedy powstają wiązania chemiczne, chmury elektronów uzyskują ten sam wydłużony kształt i są rozmieszczone w przestrzeni tak, że ich osie są skierowane w stronę wierzchołków czworościanu. Kiedy wierzchołki tych chmur pokrywają się z chmurami innych atomów węgla, powstają wiązania kowalencyjne pod kątem 109°28” i tworzy się atomowa sieć krystaliczna charakterystyczna dla diamentu.

Każdy atom węgla w diamencie jest otoczony czterema innymi, rozmieszczonymi od niego w kierunkach od środka czworościanów do wierzchołków. Odległość między atomami w czworościanie wynosi 0,154 nm. Siła wszystkich połączeń jest taka sama. Zatem atomy w diamencie są „upakowane” bardzo ciasno. W temperaturze 20°C gęstość diamentu wynosi 3,515 g/cm 3 . To wyjaśnia jego wyjątkową twardość. Diament jest słabym przewodnikiem prądu elektrycznego.

W 1961 roku Związek Radziecki rozpoczął przemysłową produkcję syntetycznych diamentów z grafitu.

W przemysłowej syntezie diamentów stosuje się ciśnienia rzędu tysięcy MPa i temperatury od 1500 do 3000°C. Proces prowadzi się w obecności katalizatorów, którymi mogą być niektóre metale, np. Ni. Większość powstałych diamentów to małe kryształy i pył diamentowy.

Diament po podgrzaniu bez dostępu powietrza powyżej 1000°C zamienia się w grafit. W temperaturze 1750°C przemiana diamentu w grafit następuje szybko.

Struktura diamentu

2. Grafit to szaro-czarna, krystaliczna substancja o metalicznym połysku, tłusta w dotyku i twardsza nawet od papieru.

Atomy węgla w kryształach grafitu znajdują się w stanie hybrydyzacji sp 2: każdy z nich tworzy trzy kowalencyjne wiązania σ z sąsiadującymi atomami. Kąty pomiędzy kierunkami wiązania wynoszą 120°. Rezultatem jest siatka złożona z regularnych sześciokątów. Odległość pomiędzy sąsiednimi jądrami atomów węgla wewnątrz warstwy wynosi 0,142 nm. Czwarty elektron w zewnętrznej warstwie każdego atomu węgla w graficie zajmuje orbital p, który nie uczestniczy w hybrydyzacji.

Niehybrydowe chmury elektronów atomów węgla są zorientowane prostopadle do płaszczyzny warstwy i nakładając się na siebie, tworzą zdelokalizowane wiązania σ. Sąsiednie warstwy w krysztale grafitu znajdują się w odległości 0,335 nm od siebie i są ze sobą słabo połączone, głównie siłami van der Waalsa. Dlatego grafit ma niską wytrzymałość mechaniczną i łatwo rozpada się na płatki, które same w sobie są bardzo mocne. Wiązanie pomiędzy warstwami atomów węgla w graficie ma charakter częściowo metaliczny. To wyjaśnia fakt, że grafit dobrze przewodzi prąd, ale nie tak dobrze jak metale.

Struktura grafitowa

Właściwości fizyczne grafitu różnią się znacznie w kierunkach - prostopadłym i równoległym do warstw atomów węgla.

Grafit po nagrzaniu bez dostępu powietrza nie ulega żadnym zmianom do temperatury 3700°C. W określonej temperaturze sublimuje bez topienia.

Sztuczny grafit produkowany jest z najlepszych gatunków węgla w temperaturze 3000°C w piecach elektrycznych bez dostępu powietrza.

Grafit jest stabilny termodynamicznie w szerokim zakresie temperatur i ciśnień, dlatego jest akceptowany jako standardowy stan węgla. Gęstość grafitu wynosi 2,265 g/cm3.

3. Carbin to drobnokrystaliczny czarny proszek. W swojej strukturze krystalicznej atomy węgla są połączone naprzemiennymi wiązaniami pojedynczymi i potrójnymi w łańcuchach liniowych:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Substancję tę po raz pierwszy otrzymał V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev na początku lat 60. XX wieku.

Następnie wykazano, że karbyn może występować w różnych postaciach i zawiera zarówno łańcuchy poliacetylenowe, jak i polikumulenowe, w których atomy węgla są połączone wiązaniami podwójnymi:

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

Później karbyn odkryto w naturze - w materii meteorytu.

Carbyne ma właściwości półprzewodnikowe; pod wpływem światła jego przewodność znacznie wzrasta. Ze względu na istnienie różnych typów wiązań i różne sposoby układania łańcuchów atomów węgla w sieci krystalicznej, właściwości fizyczne karbinu mogą zmieniać się w szerokich granicach. Karabinek po nagrzaniu bez dostępu powietrza do temperatury powyżej 2000°C jest stabilny, w temperaturze około 2300°C obserwuje się jego przejście w grafit.

Węgiel naturalny składa się z dwóch izotopów

Wcześniej uważano, że węgiel drzewny, sadza i koks mają skład podobny do czystego węgla i różnią się właściwościami od diamentu i grafitu, co stanowi niezależną alotropową modyfikację węgla („węgiel amorficzny”). Stwierdzono jednak, że substancje te składają się z maleńkich cząstek krystalicznych, w których atomy węgla są związane w taki sam sposób jak w graficie.

4. Węgiel – drobno zmielony grafit. Powstaje podczas termicznego rozkładu związków zawierających węgiel bez dostępu powietrza. Węgle różnią się znacznie właściwościami w zależności od substancji, z której są otrzymywane, oraz metody produkcji. Zawsze zawierają zanieczyszczenia, które wpływają na ich właściwości. Najważniejszymi rodzajami węgla są koks, węgiel drzewny i sadza.

Koks produkowany jest poprzez ogrzewanie węgla bez dostępu powietrza.

Węgiel drzewny powstaje podczas ogrzewania drewna bez dostępu powietrza.

Sadza to bardzo drobny, krystaliczny proszek grafitowy. Powstaje w wyniku spalania węglowodorów (gazu ziemnego, acetylenu, terpentyny itp.) przy ograniczonym dostępie powietrza.

Węgle aktywne to porowate adsorbenty przemysłowe składające się głównie z węgla. Adsorpcja to absorpcja gazów i substancji rozpuszczonych przez powierzchnię ciał stałych. Węgle aktywne otrzymywane są z paliw stałych (torf, węgiel brunatny i kamienny, antracyt), drewna i jego produktów przetworzonych (węgiel drzewny, trociny, odpady papiernicze), odpadów przemysłu skórzanego oraz materiałów pochodzenia zwierzęcego, np. kości. Węgle charakteryzujące się dużą wytrzymałością mechaniczną produkowane są z łupin orzechów kokosowych i innych orzechów oraz z nasion owoców. Strukturę węgli reprezentują pory dowolnej wielkości, jednakże o pojemności i szybkości adsorpcji decyduje zawartość mikroporów na jednostkę masy lub objętości granulek. Przy produkcji węgla aktywnego materiał wyjściowy najpierw poddaje się obróbce cieplnej bez dostępu powietrza, w wyniku czego usuwa się z niego wilgoć i częściowo żywice. W tym przypadku powstaje wielkoporowata struktura węgla. Aby uzyskać strukturę mikroporowatą, aktywację przeprowadza się albo przez utlenianie gazem lub parą, albo przez obróbkę odczynnikami chemicznymi.

Uwzględnienie cech strukturalnych atomu węgla i jego stanu elektronowego jest podstawą prawidłowego zrozumienia teorii budowy chemicznej. Rozważmy najpierw pozycję węgla w układzie okresowym (PS). Dla wygody charakteryzowania elementu według PS można zastosować następujący algorytm:

Numer seryjny element (nr) go definiuje ładunek jądrowy (numer ładunku Z), a co za tym idzie, liczbę protonów N$p^+$ (symbol protonu - $p_1^+$) i całkowitą liczbę elektronów N$\bar(e)$ (symbol elektronu - $\bar(e)$ ) w jądrze. W przypadku węgla liczba atomowa wynosi 6, dlatego jądro atomu węgla składa się z 6 protonów i 6 elektronów. Schematycznie rozumowanie to można zapisać w następujący sposób: №$ (C)=6 \Strzałka w prawo Z = 6; \hspace(2pt)N\bar(e) = 6$.

Masa atomowa elementem lub liczba masowa izotopu (A)jest równa sumie mas protonów i neutronów (symbol neutronu - $n_1^0$) w jądrze, dlatego z różnicy możemy obliczyć liczbę neutronów N. Dla węgla masa atomowa wynosi 12 amu, dlatego liczba neutronów w atomie węgla wynosi 6.Zapis schematyczny: $A(C) =12 \textrm(amu) \Rightarrow N =A-Z=12-6=6$.

numer okresu, w którym element znajduje się w PS jest liczbowo równa główny (promieniowy)liczba kwantowa r i określa liczbę poziomów energii w atomie. Czasami istnieje inne oznaczenie głównej liczby kwantowej - $n_r$(według Sommerfelda). Węgiel znajduje się w drugim okresie PS, dlatego ma dwa poziomy energetyczne, główna liczba kwantowa to 2. Zapis schematyczny: Ścieżka nr. = 2 => n = 2.

Numer grupy, w którym element znajduje się w PS, odpowiada liczbie elektronów na zewnętrznym poziomie energii. Węgiel znajduje się w grupie IV podgrupy głównej, dlatego posiada 4 elektrony na zewnętrznym poziomie energetycznym.Oznaczenie schematyczne: Nr gr. = IV => N$\bar(e)_\textrm(wartościowość)$ = 4.

Podsumowując, możemy to powiedzieć w stan podstawowy (niepobudliwy). Na zewnętrznym poziomie energetycznym atomu węgla znajdują się 4 elektrony walencyjne, przy czym s-elektrony tworzą parę elektronową, a 2 p-elektrony nie są sparowane.

Dla warstwy elektronów walencyjnych atomu węgla główna liczba kwantowa n jest równa 2, orbitalna liczba kwantowa l jest równa 0, co odpowiada s-orbitalowi i jest równe 1 dla p-orbitali; magnetyczna liczba kwantowa m = –l, 0, +l; czyli m = 0 (dla l = 0) i m = –1, 0, 1 (dla l = 1).

Definicja

Orbital atomowy (AO) to graficzny trójwymiarowy obraz gęstości elektronów, czyli obszaru przestrzeni, w którym prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe.

W związkach organicznych atom węgla jest zawsze czterowartościowy, co oznacza, że ​​w tworzeniu wiązania chemicznego biorą udział wszystkie 4 elektrony walencyjne. Ale w tworzeniu wiązań biorą udział tylko niesparowane elektrony! Aby wyjaśnić rozbieżność pomiędzy pojęciem wartościowości a strukturą elektronową atomu węgla, należy zastosować model stan wzbudzony atomu węgla $C^*$, umożliwiając elektronowi przejście z podpoziomu 2s do podpoziomu 2p:

W tym przypadku energia wydatkowana na przejście elektronów jest kompensowana przez energię uwolnioną podczas tworzenia dwóch dodatkowych wiązań. Model ten zakłada jednak, że elektron znajduje się na czterech „czystych” orbitaliach – jednym s i trzech p.

Wówczas w stanie wzbudzonym atomu energia s-orbitalu powinna być mniejsza od energii powstawania p-orbitali. W rzeczywistości nie jest to prawdą. Jak pokazują badania, energia wszystkich czterech orbitali powstałych w wyniku „skoku” elektronu jest odpowiednio w przybliżeniu taka sama, a energie tworzenia wiązań w cząsteczce z tymi samymi heteroatomami (na przykład atomami wodoru w metan) są również w przybliżeniu równe, a energia każdego z nowo powstałych orbitali jest większa niż energia „czystego” s-orbitalu, ale mniejsza niż energia „czystego” p-orbitalu.