Ogljik je ... ogljikov atom. Ogljikova masa

Eden od najbolj neverjetnih elementov, ki lahko tvori ogromno število različnih spojin organske in anorganske narave, je ogljik. To je element, ki mu je v njenih lastnostih tako nenavadno, da mu je Mendelejev napovedoval veliko prihodnost, ki govori o značilnostih, ki še niso razkrili.

Kasneje je bilo potrjeno praktično. Postalo je znano, da je glavni biogeni element našega planeta, ki je del absolutno vseh živih bitij. Poleg tega je sposobna obstajati v takšnih oblikah, ki se radikalno razlikujejo po vseh parametrih, hkrati pa jih sestavljajo samo atomi ogljika.

Na splošno so značilnosti te strukture številne, je z njimi in poskušali bomo razumeti potek članka.

Ogljik: formula in položaj v sistemu elementov

V periodičnem sistemu se ogljični element nahaja v IV (po novem vzorcu v 14) skupina, glavna podskupina. Njegova redna številka je 6, njena atomska teža pa 12.011. Označba elementa s znakom C označuje njegovo ime v latinsko-karbonskem jeziku. Obstaja več različnih oblik, v katerih obstaja ogljik. Njegova formula se zato razlikuje in je odvisna od specifične spremembe.

Vendar, da bi napisali reakcijske enačbe, je določitev specifična, seveda pa obstaja. Na splošno, ko govorimo o snovi v svoji čisti obliki, se sprejme molekulska formula ogljika C brez indeksiranja.

Zgodovina odkrivanja elementa

Sama po sebi je ta element poznan že od antike. Konec koncev je eden najpomembnejših mineralov v naravi premog. Zato, za stare Grke, Rimljane in druge narodnosti, ni bil skrivnost.

Poleg te sorte so bili uporabljeni tudi diamanti in grafit. S slednjim že dolgo časa obstaja veliko nejasnih situacij, saj pogosto brez analize sestave grafita, kot so:

• srebrni svinec;
• železov karbid;
• sulfid molibdena.

Vsi so bili pobarvani v črni barvi in ​​so se zato šteli za grafita. Kasneje je bil to nerazumevanje pojasnjeno, in ta oblika ogljika je postala sama.

Od leta 1725 so diamanti pridobili velik komercialni pomen, leta 1970 pa je bila pridobljena tehnologija pridobivanja z umetnimi sredstvi. Od leta 1779, zahvaljujoč delom Karla Scheela, se preučujejo kemijske lastnosti, ki jih prikazujejo ogljikovi prikazi. To je bilo začetek številnih pomembnih odkritij na področju tega elementa in postalo osnova za razjasnitev vseh njegovih edinstvenih značilnosti.

Ogljikovi izotopi in razmnoževanje v naravi

Kljub dejstvu, da je obravnavani element ena najpomembnejših hranil, je njegova skupna vsebnost v masi zemeljske skorje 0,15%. To je posledica dejstva, da je podvržena stalnemu kroženju, naravni ciklus v naravi.

Na splošno obstaja več spojin mineralne narave, ki vključujejo ogljik. To so naravne pasme, kot so:

• dolomiti in apnenci;
• antracit;
• naftni skrilavci;
• zemeljski plin;
• črni premog;
• olje;
• rjavi premog;
• šota;
• bitumeni.

Poleg tega ne smemo pozabiti na živa bitja, ki so le skladišče ogljikovih spojin. Navsezadnje se oblikujejo proteini, maščobe, ogljikovi hidrati, nukleinske kisline, kar pomeni najbolj vitalne strukturne molekule. Na splošno je čisti element potreben za preračunavanje suhe telesne mase s 70 kg 15. In tako vsak človek, da ne omenjam živali, rastlin in drugih bitij.

Če upoštevamo sestava zraka in vodo, to je hidrosfero na splošno in atmosfero, potem je mešanica ogljik-kisika, izražena s formulo CO₂. Diooksid ali ogljikov dioksid je eden glavnih plinov, ki tvorijo zrak. V tej obliki je masna frakcija ogljika 0,046%. Še več raztopljenega ogljikovega dioksida v vodah Svetovnega oceana.

Atomska masa ogljika kot elementa je 12.011. Znano je, da se ta vrednost izračuna kot aritmetično povprečje med atomskimi utežmi vseh izotopskih sort, ki obstajajo v naravi, ob upoštevanju njihove razširjenosti (v odstotkih). To velja za obravnavano snov. Obstajajo trije glavni izotopi, v obliki katerih je ogljik. To so:

• ^{12. mesto}C - njena masna frakcija je v veliki večini 98,93%;
• ¹³C = 1,07%;
• ¹⁴C - radioaktivna, razpolovna doba 5700 let, stabilna betta-emiter.

V praksi določanja geokronološke starosti vzorcev je radioaktivni izotop ¹⁴C, kar je kazalnik, zaradi dolgega obdobja razpada.

Alotropne spremembe elementa

Ogljik je element, ki obstaja v več oblikah v obliki preproste snovi. To pomeni, da je sposoben oblikovati največjo trenutno znano število alotropskih sprememb.

1. Kristalne spremembe - obstajajo v obliki močnih struktur z rednimi rešetkami atomskega tipa. Ta skupina vključuje sorte, kot so:

• diamanti;
• fulereni;
• grafiti;
• karbini;
• lonsdeiliti;
• ogljikova vlakna in cevi.

Vsi se razlikujejo po strukturi kristalne rešetke, pri vozliščih katerih - ogljikov atom. Zato so popolnoma edinstvene, ne podobne lastnosti, fizične in kemične.

2. Amorfne oblike - tvorijo atom ogljika, ki je del nekaterih naravnih spojin. To pomeni, da niso čiste sorte, ampak z nečistočami drugih elementov v majhni količini. Ta skupina vključuje:

• aktivno oglje;
• kamen in les;
• saj;
• ogljikov nanofilm;
• antracit;
• steklasti ogljik;
• tehnične vrste snovi.

So tudi kombinirane lastnosti strukture kristalne rešetke, ki pojasnjujejo in manifestirajo lastnosti.

3. Karbonske spojine v obliki grozdov. Takšna struktura, v kateri so atomi zaprti v posebni votli obliki znotraj konformacije, napolnjeni z vodo ali jedri drugih elementov. Primeri:

• ogljikovi nanokoni;
• astralens;
• ogljikov dioksid.

Fizične lastnosti amorfnega ogljika

Zaradi široke raznolikosti alotropnih modifikacij je težko izločiti nekatere splošne fizikalne lastnosti ogljika. Lažje je govoriti o določeni obliki. Tako ima na primer amorfni ogljik naslednje značilnosti.

1. V srcu vseh oblik so fino kristalinične sorte grafita.
2. Visoka toplotna kapaciteta.
3. Dobre lastnosti prevodnika.
4. Gostota ogljika je približno 2 g / cm³.
5. Pri segrevanju nad 1600 ⁰C je prehod v grafitne oblike.

Soot, oglje in kamnite sorte se pogosto uporabljajo v tehnične namene. Niso manifestacija spremembe ogljika v čisti obliki, ampak jo vsebujejo v zelo veliki količini.

Kristaliničen ogljik

Obstaja več možnosti, v katerih je ogljik snov, ki tvori redne kristale različnih vrst, kjer so atomi povezani v zaporedju. Posledično se pojavijo naslednje spremembe.

1. Diamant. Struktura je kubična, v kateri so povezani štirje tetrahedri. Kot rezultat so vse kovalentne kemične vezi vsakega atoma kot tako nasičene in trajne. To pojasnjuje fizikalne lastnosti: gostota ogljika je 3300 kg / m³. Visoka trdota, nizka toplotna kapaciteta, pomanjkanje električne prevodnosti - vse to je rezultat strukture kristalne rešetke. Obstajajo tehnično pridobljeni diamanti. Nastane med prehodom grafita na naslednjo modifikacijo pod vplivom visoke temperature in določenega tlaka. Na splošno je tališče diamanta tako visoka kot moč - okoli 3500 ⁰C.
2. Grafit. Atomi se nahajajo kot struktura prejšnje snovi, vendar so le trije vezi nasičene, četrta pa je daljša in manj trpežna, združuje pa se "plasti" šestkotnih mrežastih obročev. Kot rezultat, se izkaže, da je grafit mehka, maščobna za dotikno snov črne barve. Ima dobro električno prevodnost in ima visoko tališče - 3525 ⁰C. Zmožnost sublimacije - sublimacija iz trdnega v plinasto stanje, mimoidoč tekočine (pri 3700 ° C ⁰C). Gostota ogljika je 2,26 g / cm^3, ki je veliko nižja kot pri diamantu. To pojasnjuje njihove različne lastnosti. Zaradi laminirane strukture kristalne rešetke je mogoče uporabiti grafit za izdelavo svinčenih svinčnikov. Pri izvedbi na papirju kosmiči pilingjo in na papirju pustijo sled črne barve.
3. Fullerenes. Odkrili so jih le v 80. letih prejšnjega stoletja. To so spremembe, pri katerih se ogljik združuje v posebno konveksno zaprto strukturo, ki ima v sredini praznino. In obliko kristala je polieder, pravilna organizacija. Število atomov je enako. Najbolj znana oblika fulerena C₆₀. V študijah so bili ugotovljeni vzorci podobne snovi:

• meteoriti;
• spodnji sedimenti;
• folguritov;
• šungiti;
• prostor, kjer so bili v obliki plinov.

Vse sorte kristalnega ogljika so zelo praktično pomembne, saj imajo številne uporabne lastnosti v inženirskih lastnostih.

Kemijska dejavnost

Molekularni ogljik ima nizko kemijsko aktivnost zaradi svoje stabilne konfiguracije. Da bi ga prisilili, da se pridruži reakciji, je lahko le informiranje atoma dodatne energije in prisiljevanje elektronov zunanjega nivoja, da se izparijo. V tem trenutku valenca postane 4. Zato ima v spojinah oksidacijsko stanje +2, + 4, -4.

Skoraj vse reakcije z enostavnimi snovmi, tako kovine kot nekovin, se pojavljajo pod vplivom visokih temperatur. Zadevni element je lahko oksidant in reducent. Vendar pa so slednje lastnosti izrazito močno izražene v njem, zato temelji na njegovi uporabi v metalurški in drugi industriji.

Na splošno je zmožnost vstopa v kemijsko interakcijo odvisna od treh dejavnikov:

• raznolikost ogljika;
• alotropna modifikacija;
• reakcijska temperatura.

Tako v številnih primerih pride do interakcije z naslednjimi snovmi:

• ne-metali (vodik, kisik);
• kovine (aluminij, železo, kalcij in drugo);
• kovinski oksidi in njihove soli.

S kislinami in alkalijami ne reagira, s halogeni zelo redko. Najpomembnejša lastnost ogljika je sposobnost oblikovanja dolgih verig med sabo. Lahko se zaprejo v ciklu, oblikujejo veje. Tako nastane organska spojina, ki je danes v milijonih. Osnova teh spojin sta dva elementa - ogljik, vodik. V sestavo so lahko vključeni tudi drugi atomi: kisik, dušik, žveplo, halogeni, fosfor, kovine in drugi.

Osnovne povezave in njihove značilnosti

Obstaja veliko različnih spojin, ki vključujejo ogljik. Formula najbolj znanih je CO₂ - ogljikov dioksid. Vendar pa poleg tega oksida obstaja tudi CO - monoksid ali ogljikov monoksid, pa tudi C₃O podjetju₂.

Med solmi, ki vsebujejo ta element, so najpogostejši kalcijevi in ​​magnezijev karbonati. Tako ima kalcijev karbonat v imenu več sinonimov, saj se v naravi pojavlja v obliki:

• kreda;
• marmor;
• apnenec;
• dolomit.

Pomembna vloga karbonatov alkalijskih zemeljskih kovin se kaže v dejstvu, da so aktivni udeleženci v procesih tvorbe stalaktitov in stalagmitov ter podtalnice.

Karbonska kislina je druga spojina, ki tvori ogljik. Njena formula je H₂CO₃. Vendar pa je v svoji navadni obliki zelo nestabilna in se takoj raztopi v raztopino v ogljikov dioksid in vodo. Zato so le njegove soli znane in ne same kot rešitev.

Ogljikove halogenide se večinoma proizvajajo posredno, saj se neposredne sinteze pojavijo le pri zelo visokih temperaturah in z nizkim izkoristkom proizvoda. Eden od najpogostejših - CCL₄ - ogljikov tetraklorid. Strupena spojina, ki lahko pri vdihavanju povzroči zastrupitev. Dobljeni z radikalnimi fotokemičnimi reakcijami substitucije atomi vodika v metanu.

Kovinski karbidi so ogljikove spojine, v katerih kaže oksidacijsko stanje 4. Možno je tudi obstoj povezav z borom in silicijom. Glavna lastnost karbidov nekaterih kovin (aluminij, volfram, titan, niobij, tantal, hafnij) je visoka trdnost in odlična električna prevodnost. Borski karbid B₄C je ena od najtežjih snovi po diamantu (9,5 po Mohsu). Te spojine se uporabljajo v inženirski in kemični industriji kot viri proizvodnje ogljikovodikov (kalcijev karbid z vodo vodi v nastanek acetilena in kalcijev hidroksid).

Veliko zlitin kovin je izdelanih iz ogljika, kar znatno poveča njihovo kakovost in tehnične lastnosti (jeklo - zlitina železa z ogljikom).

Zasebna pozornost si zasluži številne organske spojine ogljika, v katerih je osnovni element, ki se lahko povezuje z istimi atomi v dolgih verigah različnih struktur. Te vključujejo:

• alkani;
• alkeni;
• arene;
• beljakovine;
• ogljikovi hidrati;
• nukleinske kisline;
• alkoholi;
• karboksilne kisline in mnoge druge vrste snovi.

Uporaba ogljika

Pomembnost spojin ogljika in njenih alotropnih sprememb v človeškem življenju je zelo visoka. Lahko navedete nekaj najbolj globalnih industrij, da bi pojasnili, da je to res tako.

1. Ta element tvori vse vrste organskega goriva, iz katerega oseba prejme energijo.
2. Metalurška industrija uporablja ogljik kot najmočnejše redukcijsko sredstvo za proizvodnjo kovin iz njihovih spojin. Tu se karbonati pogosto uporabljajo.
3. Gradbeništvo in kemična industrija porabijo ogromno količino ogljikovih spojin za sintetizacijo novih snovi in ​​pridobivanje potrebnih izdelkov.

Takšne gospodarske panoge lahko imenujete tudi kot:

• jedrska industrija;
• nakit;
• tehnična oprema (maziva, toplotno odporni lončki, svinčniki itd.);
• določitev geološke starosti kamnin - radioaktivni kazalnik ¹⁴C;
• ogljik je odličen adsorbent, ki omogoča njegovo uporabo pri izdelavi filtrov.

Kolesar v naravi

Masa ogljika v naravi je vključena v stalni cikel, ki se ciklično odvija vsako sekundo po vsem svetu. Tako je atmosferski vir ogljika CO₂, To se absorbira z rastlinami in jo sprošča vsa živa bitja v procesu dihanja. Vzemi v ozračje, se spet absorbira, zato se cikel ne ustavi. V tem primeru umiranje organskih ostankov povzroči sproščanje ogljika in njegovo kopičenje v zemlji, od koder jih nato nato ponovno absorbira živi organizem in sprosti v ozračje v obliki plina.