Carbon ay Isang carbon atom. Masa ng carbon

2024 May -akda: Angel Austin | [email protected]. Huling binago: 2023-12-17 05:44

Ang isa sa mga pinakakahanga-hangang elemento na maaaring bumuo ng malaking iba't ibang mga compound ng organic at inorganic na kalikasan ay ang carbon. Ang elementong ito ay napaka kakaiba sa mga katangian nito na kahit si Mendeleev ay naghula ng magandang hinaharap para dito, na pinag-uusapan ang tungkol sa mga feature na hindi pa nabubunyag.

Mamaya ito ay halos nakumpirma. Napag-alaman na ito ang pangunahing biogenic na elemento ng ating planeta, na bahagi ng ganap na lahat ng nabubuhay na nilalang. Bilang karagdagan, may kakayahang umiiral sa mga anyo na lubhang naiiba sa lahat ng aspeto, ngunit sa parehong oras ay binubuo lamang ng mga carbon atom.

Sa pangkalahatan, maraming feature ang istrukturang ito, at susubukan naming harapin ang mga ito sa takbo ng artikulo.

Carbon: formula at posisyon sa sistema ng mga elemento

Sa periodic system, ang elementong carbon ay matatagpuan sa IV (ayon sa bagong modelo sa 14) na grupo, ang pangunahing subgroup. Ang serial number nito ay 6, at ang atomic na timbang nito ay 12.011. Ang pagtatalaga ng isang elemento na may sign C ay nagpapahiwatig ng pangalan nito sa Latin - carboneum. Mayroong ilang iba't ibang anyo kung saan umiiral ang carbon. Kaya naman iba ang formula nito at nakadepende sa partikular na pagbabago.

Gayunpaman, para sa pagsulat ng mga equation ng reaksyon, ang notasyon ay tiyak,syempre meron. Sa pangkalahatan, kapag pinag-uusapan ang isang substance sa purong anyo nito, ang molecular formula ng carbon C ay pinagtibay, nang walang pag-index.

Kasaysayan ng pagtuklas ng elemento

Ang elementong ito mismo ay kilala mula pa noong unang panahon. Pagkatapos ng lahat, ang isa sa pinakamahalagang mineral sa kalikasan ay karbon. Samakatuwid, para sa mga sinaunang Griyego, Romano at iba pang nasyonalidad, hindi siya lihim.

Bukod sa iba't ibang ito, ginamit din ang mga diamante at grapayt. Maraming mga nakalilitong sitwasyon sa huli sa mahabang panahon, dahil madalas, nang walang pagsusuri sa komposisyon, ang mga naturang compound ay kinuha para sa grapayt, tulad ng:

• pilak na tingga;
• iron carbide;
• molybdenum sulfide.

Lahat sila ay pininturahan ng itim at samakatuwid ay itinuturing na graphite. Nang maglaon, ang hindi pagkakaunawaan na ito ay naalis, at ang anyo ng carbon na ito ay naging mismo.

Mula noong 1725, ang mga diamante ay may malaking kahalagahan sa komersyo, at noong 1970, ang teknolohiya ng pagkuha ng mga ito sa artipisyal na paraan ay pinagkadalubhasaan. Mula noong 1779, salamat sa gawain ni Karl Scheele, napag-aralan ang mga katangian ng kemikal na ipinakita ng carbon. Ito ang simula ng serye ng mahahalagang pagtuklas sa larangan ng elementong ito at naging batayan para malaman ang lahat ng pinakanatatanging katangian nito.

Carbon isotopes at pamamahagi sa kalikasan

Sa kabila ng katotohanan na ang pinag-uusapang elemento ay isa sa pinakamahalagang biogenic, ang kabuuang nilalaman nito sa masa ng crust ng lupa ay 0.15%. Ito ay dahil sa ang katunayan na ito ay sumasailalim sa patuloy na sirkulasyon, isang natural na cycle sa kalikasan.

Sa pangkalahatan, may ilanmga compound ng mineral na naglalaman ng carbon. Ito ang mga natural na lahi gaya ng:

• dolomites at limestones;
• anthracite;
• langis shale;
• natural gas;
• coal;
• langis;
• lignite;
• peat;
• bitumen.

Bukod dito, hindi natin dapat kalimutan ang tungkol sa mga buhay na nilalang, na isang imbakan lamang ng mga carbon compound. Pagkatapos ng lahat, nabuo nila ang mga protina, taba, carbohydrates, nucleic acid, na nangangahulugang ang pinakamahalagang molekula sa istruktura. Sa pangkalahatan, sa conversion ng dry body weight mula sa 70 kg, 15 ang bumaba sa isang purong elemento. At gayon din sa bawat tao, hindi banggitin ang mga hayop, halaman at iba pang nilalang.

Kung isasaalang-alang natin ang komposisyon ng hangin at tubig, iyon ay, ang hydrosphere sa kabuuan at ang atmospera, kung gayon mayroong pinaghalong carbon-oxygen, na ipinahayag ng formula na CO_{2. Ang dioxide o carbon dioxide ay isa sa mga pangunahing gas na bumubuo sa hangin. Nasa form na ito na ang mass fraction ng carbon ay 0.046%. Mas maraming carbon dioxide ang natutunaw sa tubig ng mga karagatan.}

Ang atomic mass ng carbon bilang isang elemento ay 12.011. Alam na ang halagang ito ay kinakalkula bilang arithmetic average sa pagitan ng atomic weights ng lahat ng isotopic species na umiiral sa kalikasan, na isinasaalang-alang ang kanilang prevalence (bilang isang porsyento). Ito rin ang kaso para sa pinag-uusapang sangkap. Mayroong tatlong pangunahing isotopes kung saan matatagpuan ang carbon. Ito ay:

• ¹²С - ang mass fraction nito sa karamihan ay 98.93%;
• ¹³C -1.07%;
• ¹⁴C - radioactive, kalahating buhay 5700 taon, stable beta emitter.

Sa pagsasanay ng pagtukoy sa geochronological na edad ng mga sample, malawakang ginagamit ang radioactive isotope ¹⁴С, na isang indicator dahil sa mahabang panahon ng pagkabulok nito.

Mga allotropic na pagbabago ng isang elemento

Ang

Carbon ay isang elemento na umiiral bilang isang simpleng substance sa iba't ibang anyo. Ibig sabihin, ito ay may kakayahang bumuo ng pinakamalaking bilang ng mga allotropic modification na kilala ngayon.

1. Mga pagkakaiba-iba ng kristal - umiiral sa anyo ng mga malalakas na istruktura na may mga regular na atomic-type na sala-sala. Kasama sa pangkat na ito ang mga varieties tulad ng:

• brilyante;
• fullerenes;
• graphite;
• carbines;
• lonsdaleites;
• carbon fibers at tubes.

Lahat ng mga ito ay naiiba sa istraktura ng kristal na sala-sala, sa mga node kung saan mayroong carbon atom. Kaya ang ganap na kakaiba, hindi magkatulad na mga katangian, parehong pisikal at kemikal.

2. Amorphous forms - sila ay nabuo ng isang carbon atom, na bahagi ng ilang natural na compound. Iyon ay, ang mga ito ay hindi purong mga varieties, ngunit may mga impurities ng iba pang mga elemento sa maliit na dami. Kasama sa pangkat na ito ang:

• activated carbon;
• bato at kahoy;
• soot;
• carbon nanofoam;
• anthracite;
• glassy carbon;
• isang teknikal na uri ng substance.

Sila ay pinag-isa rin ng mga featuremga istruktura ng crystal lattice, nagpapaliwanag at nagpapakita ng mga katangian.

3. Mga compound ng carbon sa anyo ng mga kumpol. Ang ganitong istraktura kung saan ang mga atom ay sarado sa isang espesyal na conformation na guwang mula sa loob, na puno ng tubig o ang nuclei ng iba pang mga elemento. Mga halimbawa:

• carbon nanocones;
• astralens;
• dicarbon.

Mga pisikal na katangian ng amorphous carbon

Dahil sa malawak na pagkakaiba-iba ng allotropic modification, mahirap tukuyin ang anumang karaniwang pisikal na katangian para sa carbon. Mas madaling pag-usapan ang isang partikular na form. Halimbawa, ang amorphous carbon ay may mga sumusunod na katangian.

1. Sa gitna ng lahat ng anyo ay ang mga fine-crystalline na uri ng graphite.
2. Mataas na kapasidad ng init.
3. Magandang conductive properties.
4. Ang density ng carbon ay humigit-kumulang 2 g/cm³.
5. Kapag pinainit nang higit sa 1600 ⁰C, magaganap ang paglipat sa mga graphite form.

Ang mga uri ng soot, uling at bato ay malawakang ginagamit para sa mga layuning pang-industriya. Ang mga ito ay hindi isang manifestation ng carbon modification sa purong anyo nito, ngunit naglalaman ito sa napakaraming dami.

Crystalline carbon

May ilang mga opsyon kung saan ang carbon ay isang substance na bumubuo ng mga regular na kristal ng iba't ibang uri, kung saan ang mga atom ay konektado sa serye. Bilang resulta, nabuo ang mga sumusunod na pagbabago.

1. Diamante. Ang istraktura ay kubiko, kung saan ang apat na tetrahedra ay konektado. Bilang resulta, lahat ng covalent chemical bond ng bawat atompinakamataas na puspos at matibay. Ipinapaliwanag nito ang mga pisikal na katangian: ang density ng carbon ay 3300 kg/m³. Mataas na katigasan, mababang kapasidad ng init, kakulangan ng electrical conductivity - lahat ng ito ay resulta ng istraktura ng kristal na sala-sala. May mga teknikal na nakuhang diamante. Ang mga ito ay nabuo sa panahon ng paglipat ng grapayt sa susunod na pagbabago sa ilalim ng impluwensya ng mataas na temperatura at isang tiyak na presyon. Sa pangkalahatan, ang punto ng pagkatunaw ng brilyante ay kasing taas ng lakas - humigit-kumulang 3500 ⁰C.
2. Graphite. Ang mga atomo ay nakaayos nang katulad sa istraktura ng nakaraang sangkap, gayunpaman, tatlong mga bono lamang ang puspos, at ang ikaapat ay nagiging mas mahaba at hindi gaanong malakas, ito ay nag-uugnay sa mga "layer" ng mga hexagonal na singsing ng sala-sala. Bilang isang resulta, lumalabas na ang grapayt ay isang malambot, mamantika na itim na substansiya sa pagpindot. Mayroon itong magandang electrical conductivity at may mataas na melting point - 3525 ⁰C. May kakayahang sublimation - sublimation mula sa solid state hanggang sa gaseous state, na lumalampas sa liquid state (sa temperatura na 3700 ⁰С). Ang density ng carbon ay 2.26 g/cm^3, na mas mababa kaysa sa diamond. Ipinapaliwanag nito ang kanilang iba't ibang mga katangian. Dahil sa layered na istraktura ng kristal na sala-sala, posibleng gumamit ng grapayt para sa paggawa ng mga lead ng lapis. Kapag na-swipe sa papel, ang mga natuklap ay natanggal at nag-iiwan ng itim na marka sa papel.
3. Fullerenes. Binuksan lamang sila noong 80s ng huling siglo. Ang mga ito ay mga pagbabago kung saan ang mga carbon ay magkakaugnay sa isang espesyal na convex na saradong istraktura, na nasa gitnakawalan ng laman. At ang anyo ng isang kristal - isang polyhedron, ang tamang organisasyon. Ang bilang ng mga atom ay pantay. Ang pinakatanyag na anyo ng fullerene ay С₆₀. Ang mga sample ng isang katulad na substance ay natagpuan sa panahon ng pananaliksik:

• meteorite;
• ilalim na sediment;
• folgurite;
• shungite;
• outer space, kung saan nakapaloob sa anyo ng mga gas.

Lahat ng uri ng crystalline carbon ay may malaking praktikal na kahalagahan, dahil mayroon silang ilang mga katangian na kapaki-pakinabang sa engineering.

Reaktibidad

Molecular carbon ay nagpapakita ng mababang reaktibiti dahil sa matatag nitong configuration. Maaari itong pilitin na pumasok sa mga reaksyon lamang sa pamamagitan ng pagbibigay ng karagdagang enerhiya sa atom at pagpilit sa mga electron ng panlabas na antas na sumingaw. Sa puntong ito, ang valency ay nagiging 4. Samakatuwid, sa mga compound, mayroon itong oxidation state na + 2, + 4, - 4.

Praktikal na lahat ng reaksyon na may mga simpleng substance, parehong metal at non-metal, ay nagpapatuloy sa ilalim ng impluwensya ng mataas na temperatura. Ang elementong pinag-uusapan ay maaaring parehong ahente ng oxidizing at ahente ng pagbabawas. Gayunpaman, ang mga huling katangian ay partikular na binibigkas dito, at ito ang batayan para sa paggamit nito sa metalurhiko at iba pang mga industriya.

Sa pangkalahatan, ang kakayahang pumasok sa pakikipag-ugnayan ng kemikal ay nakasalalay sa tatlong salik:

• dispersion of carbon;
• allotropic modification;
• temperatura ng reaksyon.

Kaya, sa ilang pagkakataon ay may pakikipag-ugnayan sa mga sumusunodmga sangkap:

• hindi metal (hydrogen, oxygen);
• metal (aluminum, iron, calcium at iba pa);
• metal oxides at ang mga asin nito.

Hindi tumutugon sa mga acid at alkali, napakabihirang may mga halogens. Ang pinakamahalaga sa mga katangian ng carbon ay ang kakayahang bumuo ng mahabang kadena sa bawat isa. Maaari silang magsara sa isang cycle, bumuo ng mga sanga. Ganito ang pagbuo ng mga organikong compound, na ngayon ay nasa milyun-milyon. Ang batayan ng mga compound na ito ay dalawang elemento - carbon, hydrogen. Ang iba pang mga atom ay maaari ding isama: oxygen, nitrogen, sulfur, halogens, phosphorus, metal at iba pa.

Mga pangunahing compound at ang kanilang mga katangian

Maraming iba't ibang compound na naglalaman ng carbon. Ang formula ng pinakasikat sa kanila ay CO₂ - carbon dioxide. Gayunpaman, bilang karagdagan sa oxide na ito, mayroon ding CO - monoxide o carbon monoxide, pati na rin ang suboxide C₃O₂.

Sa mga asin na naglalaman ng elementong ito, ang pinakakaraniwan ay ang calcium at magnesium carbonates. Kaya, ang calcium carbonate ay may ilang kasingkahulugan sa pangalan, dahil ito ay nangyayari sa kalikasan sa anyo:

• chalk;
• marble;
• apog;
• dolomite.

Ang kahalagahan ng alkaline earth metal carbonates ay makikita sa katotohanan na sila ay aktibong kalahok sa pagbuo ng mga stalactites at stalagmites, pati na rin ang tubig sa lupa.

Ang

Carbonic acid ay isa pang compound na bumubuo ng carbon. Ang formula nito ayH₂CO₃. Gayunpaman, sa karaniwang anyo nito, ito ay lubhang hindi matatag at agad na nabubulok sa carbon dioxide at tubig sa solusyon. Samakatuwid, ang mga asin nito lamang ang nalalaman, at hindi ang sarili nito, bilang solusyon.

Carbon halides - pangunahing nakukuha sa hindi direktang paraan, dahil ang direktang synthesis ay nagaganap lamang sa napakataas na temperatura at may mababang ani ng produkto. Isa sa pinakakaraniwan - CCL₄ - carbon tetrachloride. Isang nakakalason na tambalan na maaaring magdulot ng pagkalason kung malalanghap. Nakuha sa pamamagitan ng mga reaksyon ng radical photochemical substitution ng hydrogen atoms sa methane.

Ang

Metal carbide ay mga carbon compound kung saan ito ay nagpapakita ng oxidation state na 4. Posible rin ang pagkakaroon ng mga asosasyon sa boron at silicon. Ang pangunahing pag-aari ng mga carbide ng ilang mga metal (aluminyo, tungsten, titanium, niobium, tantalum, hafnium) ay mataas na lakas at mahusay na kondaktibiti ng kuryente. Ang Boron carbide В₄С ay isa sa pinakamahirap na substance pagkatapos ng brilyante (9.5 ayon kay Mohs). Ang mga compound na ito ay ginagamit sa engineering, gayundin sa industriya ng kemikal, bilang mga mapagkukunan para sa produksyon ng mga hydrocarbon (ang calcium carbide na may tubig ay humahantong sa pagbuo ng acetylene at calcium hydroxide).

Maraming metal na haluang metal ang ginawa gamit ang carbon, sa gayon ay makabuluhang tumataas ang kalidad at teknikal na katangian nito (ang bakal ay isang haluang metal ng bakal at carbon).

Nararapat ang espesyal na atensyon sa maraming organikong compound ng carbon, kung saan ito ay isang pangunahing elemento na may kakayahang pagsamahin sa parehong mga atom sa mahabang chain ng iba't ibang mga istraktura. Kabilang dito ang:

• alkanes;
• alkenes;
• arena;
• proteins;
• carbs;
• nucleic acid;
• alcohols;
• carboxylic acid at marami pang ibang klase ng substance.

Paggamit ng carbon

Ang kahalagahan ng mga carbon compound at ang mga allotropic na pagbabago nito sa buhay ng tao ay napakataas. Maaari mong pangalanan ang ilan sa mga pinaka-pandaigdigang industriya para malinaw na ito ay totoo.

1. Binubuo ng elementong ito ang lahat ng uri ng fossil fuel kung saan tumatanggap ng enerhiya ang isang tao.
2. Ang industriya ng metalurhiko ay gumagamit ng carbon bilang pinakamalakas na ahente ng pagbabawas upang makakuha ng mga metal mula sa kanilang mga compound. Ang mga carbonates ay malawak ding ginagamit dito.
3. Ang konstruksyon at ang industriya ng kemikal ay kumokonsumo ng napakaraming carbon compound upang mag-synthesize ng mga bagong substance at makuha ang mga kinakailangang produkto.

Maaari mo ring pangalanan ang mga sektor ng ekonomiya bilang:

• industriyang nukleyar;
• alahas;
• teknikal na kagamitan (mga pampadulas, mga crucible na lumalaban sa init, mga lapis, atbp.);
• pagpapasiya ng geological na edad ng mga bato - radioactive tracer ¹⁴С;

Ang

• carbon ay isang mahusay na adsorbent, na ginagawang angkop para sa paggawa ng mga filter.

Circulation in nature

Ang masa ng carbon na matatagpuan sa kalikasan ay kasama sa isang palaging cycle na umiikot bawat segundo sa buong mundo. Kaya, ang atmospheric na pinagmumulan ng carbon - CO₂, ay sinisipsiphalaman at inilalabas ng lahat ng nabubuhay na nilalang sa proseso ng paghinga. Kapag nasa atmospera, ito ay hinihigop muli, at sa gayon ang pag-ikot ay hindi hihinto. Kasabay nito, ang pagkamatay ng mga organikong nalalabi ay humahantong sa pagpapakawala ng carbon at ang akumulasyon nito sa lupa, kung saan muli itong hinihigop ng mga buhay na organismo at inilabas sa atmospera sa anyo ng gas.