Punctul de fierbere al carbonului. Rezumat: Carbonul și compușii săi anorganici de bază. Carbonul și principalii săi compuși anorganici

Carbonul din tabelul periodic al elementelor este situat în a doua perioadă în grupa IVA. Configurația electronică a atomului de carbon ls 2 2s 2 2p 2 . Când este excitat, se realizează cu ușurință o stare electronică în care există patru electroni nepereche în cei patru orbitali atomici exteriori:

Acest lucru explică de ce carbonul din compuși este de obicei tetravalent. Egalitatea numărului de electroni de valență din atomul de carbon cu numărul de orbitali de valență, precum și raportul unic dintre sarcina nucleară și raza atomului, îi conferă capacitatea de a adăuga și dona electroni la fel de ușor, în funcție de proprietățile partenerului (Sec. 9.3.1). Ca rezultat, carbonul se caracterizează prin diferite stări de oxidare de la -4 la +4 și prin ușurința hibridizării orbitalilor săi atomici în funcție de tip. sp3,sp2Și sp 1în timpul formării legăturilor chimice (secțiunea 2.1.3):

Toate acestea conferă carbonului capacitatea de a forma legături simple, duble și triple nu numai între ele, ci și cu atomii altor elemente organogene. Moleculele formate în acest caz pot avea o structură liniară, ramificată și ciclică.

Datorită mobilității electronilor comuni - MO formată cu participarea atomilor de carbon, aceștia sunt deplasați către atomul unui element mai electronegativ (efect inductiv), ceea ce duce la polaritatea nu numai a acestei legături, ci și a moleculei în ansamblu. . Cu toate acestea, carbonul, datorită valorii medii a electronegativității (0E0 = 2,5), formează legături slab polare cu atomii altor elemente organogene (Tabelul 12.1). În prezența sistemelor de legături conjugate în molecule (Sec. 2.1.3), electronii mobili (MO) și perechile de electroni neîmpărțiți sunt delocalizați odată cu alinierea densității electronilor și a lungimii legăturilor în aceste sisteme.

Din punctul de vedere al reactivității compușilor, polarizabilitatea legăturilor joacă un rol important (Sec. 2.1.3). Cu cât polarizabilitatea unei legături este mai mare, cu atât reactivitatea acesteia este mai mare. Dependența polarizabilității legăturilor care conțin carbon de natura lor reflectă următoarea serie:

Toate datele luate în considerare cu privire la proprietățile legăturilor care conțin carbon indică faptul că carbonul din compuși formează, pe de o parte, legături covalente suficient de puternice între ele și cu alți organogeni și, pe de altă parte, perechile de electroni comuni ale acestor legături. sunt destul de labile. Ca urmare, poate apărea atât o creștere a reactivității acestor legături, cât și o stabilizare. Aceste caracteristici ale compușilor care conțin carbon sunt cele care fac din carbon organogenul numărul unu.

Proprietățile acido-bazice ale compușilor de carbon. Monoxidul de carbon(4) este un oxid acid, iar hidroxidul corespunzător, acidul carbonic H2CO3, este un acid slab. Molecula de monoxid de carbon(4) este nepolară și, prin urmare, este slab solubilă în apă (0,03 mol/l la 298 K). În acest caz, la început, în soluție se formează hidratul de CO2 H2O, în care CO2 se află în cavitatea unui asociat de molecule de apă, iar apoi acest hidrat se transformă lent și reversibil în H2CO3. Majoritatea monoxidului de carbon (4) dizolvat în apă este sub formă de hidrat.

In organism, in eritrocitele sangvine, sub actiunea enzimei carboanhidrazei, echilibrul intre CO2 H2O si H2CO3 hidrat se stabileste foarte repede. Acest lucru face posibilă neglijarea prezenței CO2 sub formă de hidrat în eritrocit, dar nu și în plasma sanguină, unde nu există anhidrază carbonică. H2CO3 rezultat se disociază în condiții fiziologice într-un anion bicarbonat și într-un mediu mai alcalin într-un anion carbonat:

Acidul carbonic există doar în soluție. Formează două serii de săruri - bicarbonați (NaHCO3, Ca(HC0 3) 2) și carbonați (Na2CO3, CaCO3). Bicarbonații sunt mai solubili în apă decât carbonații. În soluții apoase, sărurile acidului carbonic, în special carbonații, sunt ușor hidrolizate de către anion, creând un mediu alcalin:

Substanțe precum NaHC03 bicarbonat de sodiu; Creta CaCO3, magnezia albă 4MgC03 * Mg (OH) 2 * H2O, hidrolizând cu formarea unui mediu alcalin, sunt folosite ca antiacide (acizi neutralizanți) pentru a reduce aciditatea ridicată a sucului gastric:

Combinația de acid carbonic și ion de bicarbonat (Н2СО3, НСО3(-)) formează un sistem tampon de bicarbonat (Secțiunea 8.5) - un sistem tampon glorios al plasmei sanguine, care asigură constanta pH-ului sângelui la pH = 7,40 ± 0,05.

Prezența bicarbonaților de calciu și magneziu în apele naturale determină duritatea temporară a acestora. Când o astfel de apă este fiartă, duritatea ei este eliminată. Acest lucru se datorează hidrolizei anionului HCO3 (-), descompunerii termice a acidului carbonic și precipitării cationilor de calciu și magneziu sub formă de compuși insolubili CaCO3 și Mg (OH)2:

Formarea Mg(OH)2 este cauzată de hidroliza completă a cationului de magneziu, care are loc în aceste condiţii datorită solubilităţii mai scăzute a Mg(0H)2 comparativ cu MgC03.

În practica biomedicală, pe lângă acidul carbonic, trebuie să se ocupe de alți acizi care conțin carbon. Aceasta este în primul rând o mare varietate de acizi organici diferiți, precum și acid cianhidric HCN. Din punct de vedere al proprietăților acide, puterea acestor acizi este diferită:

Aceste diferențe se datorează influenței reciproce a atomilor din moleculă, naturii legăturii de disociere și stabilității anionului, adică capacității sale de a delocaliza sarcina.

Acidul cianhidric sau cianura de hidrogen, HCN - un lichid incolor, volatil (T balot = 26 °C) cu miros de migdale amare, miscibil cu apă în orice raport. În soluții apoase, se comportă ca un acid foarte slab, ale cărui săruri se numesc cianuri. Cianurile metalelor alcaline și alcalino-pământoase sunt solubile în apă, în timp ce sunt hidrolizate de anion, motiv pentru care soluțiile lor apoase au miros de acid cianhidric (miros de migdale amare) și au un pH > 12:

Cu expunerea prelungită la CO2 conținut în aer, cianurile se descompun cu eliberarea de acid cianhidric:

Ca urmare a acestei reacții, cianura de potasiu (cianura de potasiu) și soluțiile sale își pierd toxicitatea în timpul depozitării pe termen lung. Anionul cianură este una dintre cele mai puternice otrăvuri anorganice, deoarece este un ligand activ și formează cu ușurință compuși complecși stabili cu enzime care conțin Fe3+ și Сu2(+) ca ioni de complexare (Sec. 10.4).

proprietăți redox. Deoarece carbonul din compuși poate prezenta orice stare de oxidare de la -4 la +4, în timpul reacției, carbonul liber poate dona și adăuga electroni, acționând ca agent reducător sau, respectiv, agent oxidant, în funcție de proprietățile celui de-al doilea reactiv:

Atunci când agenții oxidanți puternici interacționează cu substanțele organice, poate avea loc oxidarea incompletă sau completă a atomilor de carbon ai acestor compuși.

În condiții de oxidare anaerobă, cu lipsa sau absența oxigenului, atomii de carbon ai unui compus organic, în funcție de conținutul de atomi de oxigen din acești compuși și de condițiile externe, se pot transforma în CO2, CO, C și chiar CH4 și alți organogeni se transformă în H2O, NH3 și H2S.

În organism, oxidarea completă a compușilor organici cu oxigen în prezența enzimelor oxidaze (oxidare aerobă) este descrisă de ecuația:

Din ecuațiile de mai sus ale reacțiilor de oxidare, se poate observa că în compușii organici, doar atomii de carbon modifică starea de oxidare, în timp ce atomii altor organogeni își păstrează starea de oxidare.

În reacțiile de hidrogenare, adică adăugarea de hidrogen (reductor) la o legătură multiplă, atomii de carbon care o formează își reduc starea de oxidare (acționează ca agenți de oxidare):

Reacțiile de substituție organică cu apariția unei noi legături intercarbonice, de exemplu, în reacția Wurtz, sunt, de asemenea, reacții redox în care atomii de carbon acționează ca agenți de oxidare și atomii de metal ca agenți reducători:

Acest lucru se observă în reacțiile de formare a compușilor organometalici:

În același timp, în reacțiile de alchilare cu formarea unei noi legături intercarbonice, rolul de agent oxidant și de agent reducător este jucat de atomii de carbon ai substratului și respectiv ai reactivului:

Ca urmare a reacțiilor de adăugare a unui reactiv polar la un substrat printr-o legătură intercarbonică multiplă, unul dintre atomii de carbon scade gradul de oxidare, prezentând proprietățile unui agent oxidant, iar celălalt crește gradul de oxidare, acționând ca un agent reducător:

În aceste cazuri are loc reacția de oxidare-reducere intramoleculară a atomilor de carbon ai substratului, adică procesul dismutații, sub acţiunea unui reactiv care nu prezintă proprietăţi redox.

Reacțiile tipice de dismutare intramoleculară a compușilor organici în detrimentul atomilor lor de carbon sunt reacțiile de decarboxilare ale aminoacizilor sau cetoacizilor, precum și reacțiile de rearanjare și izomerizare a compușilor organici, care au fost luate în considerare în Sec. 9.3. Exemplele date de reacții organice, precum și reacțiile din Sec. 9.3 indică în mod convingător faptul că atomii de carbon din compușii organici pot fi atât agenți oxidanți, cât și reductori.

Un atom de carbon într-un compus- un agent oxidant, dacă în urma reacției numărul legăturilor sale cu atomi ai elementelor mai puțin electronegative (hidrogen, metale) crește, deoarece, prin atragerea electronilor comuni ai acestor legături, atomul de carbon în cauză își scade starea de oxidare .

Un atom de carbon într-un compus- un agent reducător, dacă în urma reacției crește numărul legăturilor sale cu atomi ai mai multor elemente electronegative(C, O, N, S), deoarece, împingând electronii comuni ai acestor legături, atomul de carbon în cauză își mărește starea de oxidare.

Astfel, multe reacții din chimia organică, datorită dualității redox a atomilor de carbon, sunt reacții redox. Cu toate acestea, spre deosebire de reacțiile similare din chimia anorganică, redistribuirea electronilor între un agent oxidant și un agent reducător în compușii organici poate fi însoțită doar de o schimbare a perechii de electroni comune a unei legături chimice la un atom care acționează ca un agent oxidant. În acest caz, această conexiune poate fi păstrată, dar în cazurile de polarizare puternică, se poate rupe.

Proprietăți de complexare ale compușilor de carbon. Atomul de carbon din compuși nu are perechi de electroni neîmpărțiți și, prin urmare, numai compușii de carbon care conțin legături multiple cu participarea sa pot acționa ca liganzi. Deosebit de activi în procesele de formare a complexului sunt electronii legăturii triple polare a monoxidului de carbon (2) și anionul acidului cianhidric.

Într-o moleculă de monoxid de carbon(2), atomii de carbon și de oxigen formează o legătură una și una datorită suprapunerii reciproce a celor doi orbitali atomici 2p ai lor prin mecanismul de schimb. A treia legătură, adică încă o legătură, este formată de mecanismul donor-acceptor. Acceptorul este orbitalul atomic liber 2p al atomului de carbon, iar donorul este atomul de oxigen, care furnizează o pereche de electroni singuratică din orbitalul 2p:

Multiplicitatea crescută a legăturilor oferă acestei molecule stabilitate și inerție ridicate în condiții normale în ceea ce privește proprietățile acido-bazice (CO - oxid care nu formează sare) și proprietăți redox (CO - agent reducător la T > 1000 K). În același timp, îl face un ligand activ în reacții complexe de formare cu atomi și cationi ai d-metalelor, în primul rând cu fier, cu care formează pentacarbonilul de fier, un lichid otrăvitor volatil:

Capacitatea de a forma compuși complecși cu cationi d-metalici este motivul toxicității monoxidului de carbon (H) pentru sistemele vii (Sec. 10.4) datorită apariției reacțiilor reversibile cu hemoglobină și oxihemoglobină care conține cationul Fe 2+, cu formarea carboxihemoglobinei:

Aceste echilibre sunt deplasate către formarea carboxihemoglobinei HHbCO, a cărei stabilitate este de 210 de ori mai mare decât cea a oxihemoglobinei HHbO2. Acest lucru duce la acumularea de carboxihemoglobină în sânge și, în consecință, la o scădere a capacității sale de a transporta oxigen.

Anionul acid cianhidric CN- conține, de asemenea, electroni ușor polarizabili, din cauza cărora formează în mod eficient complexe cu metalele d, inclusiv metalele de viață care fac parte din enzime. Prin urmare, cianurile sunt compuși foarte toxici (Secțiunea 10.4).

Ciclul carbonului în natură. Ciclul carbonului în natură se bazează în principal pe reacțiile de oxidare și reducere a carbonului (Fig. 12.3).

Plantele asimilează (1) monoxidul de carbon (4) din atmosferă și hidrosferă. O parte din masa vegetală este consumată (2) de om și animale. Respirația animalelor și putrezirea rămășițelor lor (3), precum și respirația plantelor, putrezirea plantelor moarte și arderea lemnului (4) returnează CO2 în atmosferă și hidrosferă. Procesul de mineralizare a resturilor de plante (5) și animale (6) cu formarea de turbă, cărbuni fosili, petrol, gaze duce la trecerea carbonului în resurse naturale. Reacțiile acido-bazice (7) care se desfășoară între CO2 și diverse roci cu formare de carbonați (medii, acizi și bazici) acționează în aceeași direcție:

Această parte anorganică a ciclului duce la pierderi de CO2 în atmosferă și hidrosferă. Activitatea umană în arderea și prelucrarea cărbunelui, petrolului, gazelor (8), lemnului de foc (4), dimpotrivă, îmbogățește mediul cu monoxid de carbon (4). Multă vreme s-a crezut că fotosinteza a menținut constantă concentrația de CO2 din atmosferă. Cu toate acestea, în prezent, creșterea conținutului de CO2 din atmosferă din cauza activităților umane nu este compensată de scăderea lui naturală. Eliberarea totală de CO2 în atmosferă crește exponențial cu 4-5% pe an. Conform calculelor, în anul 2000 conţinutul de CO2 din atmosferă va ajunge la aproximativ 0,04% în loc de 0,03% (1990).

După luarea în considerare a proprietăților și caracteristicilor compușilor care conțin carbon, rolul principal al carbonului trebuie subliniat încă o dată.

Orez. 12.3. Ciclul carbonului în natură

organogen nr. 1: în primul rând, atomii de carbon formează scheletul moleculelor de compuși organici; în al doilea rând, atomii de carbon joacă un rol cheie în procesele redox, deoarece dintre atomii tuturor organogenilor, dualitatea redox este cea mai caracteristică pentru carbon. Pentru mai multe informații despre proprietățile compușilor organici, consultați modulul IV „Fundamentals of Bioorganic Chemistry”.

Caracteristicile generale și rolul biologic al elementelor p din grupa IVA. Analogii electronici ai carbonului sunt elementele grupului IVA: siliciu Si, germaniu Ge, staniu Sn și plumb Pb (vezi Tabelul 1.2). Razele atomice ale acestor elemente cresc în mod natural odată cu creșterea numărului atomic, în timp ce energia lor de ionizare și electronegativitatea scad în mod natural în acest caz (Sec. 1.3). Prin urmare, primele două elemente ale grupului: carbonul și siliciul sunt nemetale tipice, iar germaniul, staniul, plumbul sunt metale, deoarece se caracterizează cel mai mult prin întoarcerea electronilor. În seria Ge - Sn - Pb, proprietățile metalice sunt îmbunătățite.

Din punct de vedere al proprietăților redox, elementele C, Si, Ge, Sn și Pb în condiții normale sunt destul de stabile față de aer și apă (metale Sn și Pb - datorită formării unei pelicule de oxid la suprafață). În același timp, compușii de plumb(4) sunt agenți oxidanți puternici:

Proprietățile de complexare sunt cele mai caracteristice plumbului, deoarece cationii săi Pb 2+ sunt agenți de complexare puternici în comparație cu cationii celorlalte elemente p din grupa IVA. Cationii de plumb formează complexe puternice cu bioliganzii.

Elementele grupului IVA diferă puternic atât în ​​​​conținutul din organism, cât și în rolul lor biologic. Carbonul joacă un rol fundamental în viața organismului, unde conținutul său este de aproximativ 20%. Conținutul din corpul elementelor rămase din grupul IVA este în intervalul 10 -6 -10 -3%. În același timp, dacă siliciul și germaniul joacă, fără îndoială, un rol important în viața organismului, atunci staniul și în special plumbul sunt toxice. Astfel, odată cu creșterea masei atomice a elementelor din grupa IVA, toxicitatea compușilor acestora crește.

Praful, format din particule de cărbune sau dioxid de siliciu SiO2, atunci când este expus sistematic la plămâni, provoacă boli - pneumoconioză. În cazul prafului de cărbune, acesta este antracoza, o boală profesională a minerilor. Silicoza apare atunci când praful care conține Si02 este inhalat. Mecanismul de dezvoltare a pneumoconiozei nu a fost încă stabilit. Se presupune că la contactul prelungit al boabelor de silicat cu fluidele biologice, acidul polisilicic Si02 yH2O se formează într-o stare asemănătoare unui gel, a cărui depunere în celule duce la moartea lor.

Efectul toxic al plumbului este cunoscut omenirii de foarte mult timp. Utilizarea plumbului pentru fabricarea vaselor și a conductelor de apă a dus la otrăvirea în masă a oamenilor. În prezent, plumbul continuă să fie unul dintre principalii poluanți ai mediului, deoarece eliberarea de compuși ai plumbului în atmosferă este de peste 400.000 de tone anual. Plumbul se acumulează în principal în schelet sub formă de fosfat slab solubil Pb3(PO4)2, iar în timpul demineralizării osoase are un efect toxic regulat asupra organismului. Prin urmare, plumbul este clasificat ca o otravă cumulativă. Toxicitatea compușilor de plumb este asociată în primul rând cu proprietățile sale de complexare și cu afinitatea ridicată pentru bioliganzi, în special cei care conțin grupări sulfhidril (-SH):

Formarea compușilor complecși ai ionilor de plumb cu proteine, fosfolipide și nucleotide duce la denaturarea acestora. Ionii de plumb inhibă adesea metaloenzimele EM 2+, înlocuind cationii metalici de viață din ele:

Plumbul și compușii săi sunt otrăvuri care acționează în primul rând asupra sistemului nervos, a vaselor de sânge și a sângelui. În același timp, compușii de plumb afectează sinteza proteinelor, echilibrul energetic al celulelor și aparatul lor genetic.

În medicină se folosesc ca antiseptice externe astringente: acetat de plumb Pb (CH3COO) 2 ZH2O (loțiuni de plumb) și oxid de plumb (2) PbO (ghips de plumb). Ionii de plumb ai acestor compuși reacționează cu proteinele (albuminele) din citoplasma celulelor și țesuturilor microbiene, formând albuminate asemănătoare gelului. Formarea gelurilor ucide microbii și, în plus, le face dificilă pătrunderea în celulele țesuturilor, ceea ce reduce răspunsul inflamator local.

În stare de conexiune carbon face parte din așa-numitele substanțe organice, adică multe substanțe care se află în corpul fiecărei plante și animale. Se prezintă sub formă de dioxid de carbon în apă și aer și sub formă de săruri de dioxid de carbon și reziduuri organice în sol și în masa scoarței terestre. Varietatea substanțelor care alcătuiesc corpul animalelor și plantelor este cunoscută de toată lumea. Ceară și ulei, terebentină și rășină, hârtie și proteine ​​de bumbac, țesut celular vegetal și țesut muscular animal, acid tartric și amidon - toate acestea și multe alte substanțe incluse în țesuturile și sucurile plantelor și animalelor sunt compuși de carbon. Domeniul compușilor de carbon este atât de mare încât constituie o ramură specială a chimiei, adică chimia carbonului sau, mai bine, a compușilor de hidrocarburi.

Aceste cuvinte din Fundamentals of Chemistry de D. I. Mendeleev servesc ca o epigrafă detaliată a poveștii noastre despre elementul vital - carbonul. Cu toate acestea, există o teză aici, care, din punctul de vedere al științei moderne a materiei, poate fi argumentată, dar mai multe despre aceasta mai jos.

Probabil, degetele de pe mâini vor fi suficiente pentru a număra elementele chimice cărora cel puțin o carte științifică nu a fost dedicată. Dar o carte independentă de știință populară - nu un fel de broșură pe 20 de pagini incomplete cu o copertă de hârtie de ambalaj, ci un volum destul de solid de aproape 500 de pagini - are un singur element în activ - carbonul.

În general, literatura despre carbon este cea mai bogată. Acestea sunt, în primul rând, toate cărțile și articolele chimiștilor organici fără excepție; în al doilea rând, aproape tot ce ține de polimeri; în al treilea rând, nenumărate publicații legate de combustibilii fosili; în al patrulea rând, o parte semnificativă a literaturii biomedicale...

Prin urmare, nu vom încerca să îmbrățișăm imensitatea (nu întâmplător autorii cărții populare despre elementul nr. 6 l-au numit „Inepuizabil”!), ci ne vom concentra doar asupra principalului lucru din punctul principal - vom încerca să vedem carbonul din trei puncte de vedere.

Carbonul este unul dintre puținele elemente„Fără familie, fără trib”. Istoria contactului uman cu această substanță datează din timpuri preistorice. Numele descoperitorului carbonului este necunoscut și, de asemenea, nu se știe care dintre formele de carbon elementar - diamant sau grafit - a fost descoperită mai devreme. Ambele s-au întâmplat cu mult prea mult timp în urmă. Un singur lucru poate fi afirmat cu siguranță: înainte de diamant și înainte de grafit, a fost descoperită o substanță, care cu câteva decenii în urmă era considerată a treia formă, amorfă, de carbon elementar - cărbune. Dar, în realitate, cărbunele, chiar și cărbunele, nu este carbon pur. Conține hidrogen, oxigen și urme de alte elemente. Adevărat, ele pot fi îndepărtate, dar chiar și atunci carbonul de cărbune nu va deveni o modificare independentă a carbonului elementar. Aceasta a fost stabilită abia în al doilea sfert al secolului nostru. Analiza structurală a arătat că carbonul amorf este în esență același grafit. Aceasta înseamnă că nu este amorf, ci cristalin; doar cristalele sale sunt foarte mici și există mai multe defecte în ele. După aceea, au început să creadă că carbonul pe Pământ există doar în două forme elementare - sub formă de grafit și diamant.

Te-ai gândit vreodată la motivele „compartimentului” ascuțit al proprietăților care se desfășoară în a doua perioadă scurtă a tabelului periodic de-a lungul liniei care separă carbonul de azotul care îl urmează? Azotul, oxigenul, fluorul sunt gazoase în condiții normale. Carbonul - sub orice formă - este un solid. Punctul de topire al azotului este minus 210,5°C, iar carbonul (sub formă de grafit sub presiune peste 100 atm) este de aproximativ plus 4000°C...

Dmitri Ivanovich Mendeleev a fost primul care a sugerat că această diferență se datorează structurii polimerice a moleculelor de carbon. El a scris: „Dacă carbonul ar forma o moleculă de C 2, ca O 2, ar fi un gaz”. Și mai departe: „Abilitatea atomilor de cărbune de a se combina între ei și de a da molecule complexe se manifestă în toți compușii de carbon. În niciunul dintre elemente nu este dezvoltată o asemenea capacitate de complicare în așa măsură ca în carbon. Până acum nu există nicio bază pentru determinarea gradului de polimerizare a unei molecule de cărbune, grafit, diamant, doar se poate crede că acestea conțin C p, unde n este o valoare mare.

Carbonul și polimerii săi

Această presupunere a fost confirmată în timpul nostru. Atât grafitul, cât și diamantul sunt polimeri formați din aceiași atomi de carbon.

Conform remarcii potrivite a profesorului Yu.V. Khodakov, „pe baza naturii forțelor care trebuie depășite, profesia de tăietor de diamante ar putea fi atribuită profesiilor chimice”. Într-adevăr, tăietorul trebuie să învingă nu forțele relativ slabe ale interacțiunii intermoleculare, ci forțele de legătură chimică, care combină atomii de carbon într-o moleculă de diamant. Orice cristal de diamant, chiar și un Cullinan uriaș de șase sute de grame, este în esență o moleculă, o moleculă dintr-un polimer tridimensional extrem de regulat, aproape perfect construit.

Grafitul este o altă chestiune. Aici ordonarea polimerică se extinde numai în două direcții - de-a lungul planului și nu în spațiu. Într-o bucată de grafit, aceste planuri formează un pachet destul de dens, ale cărui straturi sunt interconectate nu prin forțe chimice, ci prin forțe mai slabe de interacțiune intermoleculară. De aceea este atât de ușor - chiar și din contactul cu hârtia - grafitul se exfoliază. În același timp, este foarte dificil să rupi o placă de grafit în direcția transversală - aici legătura chimică contracarează.

Caracteristicile structurii moleculare explică diferența uriașă dintre proprietățile grafitului și diamantului. Grafitul este un excelent conductor de căldură și electricitate, în timp ce diamantul este un izolator. Grafitul nu transmite deloc lumina - diamantul este transparent. Indiferent de modul în care diamantul este oxidat, doar CO 2 va fi produsul de oxidare. Și prin oxidarea grafitului, se pot obține, dacă se dorește, mai mulți produși intermediari, în special acizi grafitic (compoziție variabilă) și melitic C6 (COOH)6. Oxigenul, parcă, s-a blocat între straturile unui pachet de grafit și oxidează doar câțiva atomi de carbon. Nu există puncte slabe într-un cristal de diamant și, prin urmare, fie oxidarea completă, fie neoxidarea completă este posibilă - nu există a treia cale ...

Deci, există un polimer „spațial” de carbon elementar, există unul „planar”. În principiu, existența unui polimer liniar „unidimensional” de carbon a fost presupusă de mult timp, dar nu a fost găsit în natură.

Nu a fost găsită deocamdată. La câțiva ani după sinteză, un polimer liniar de carbon a fost găsit într-un crater de meteorit din Germania. Iar primii chimiști sovietici V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin și Yu.P. Kudryavtsev. Polimerul liniar al carbonului a fost numit carabină. În exterior, arată ca o pulbere neagră fin-cristalină, are proprietăți semiconductoare, iar sub acțiunea luminii, conductivitatea electrică a carabinei crește foarte mult. Carabina a dezvăluit și proprietăți complet neașteptate. S-a dovedit, de exemplu, că atunci când sângele intră în contact cu acesta, nu formează cheaguri - cheaguri de sânge, astfel încât fibrele acoperite cu carabină au început să fie folosite la fabricarea vaselor de sânge artificiale care nu sunt respinse de organism.

Potrivit descoperitorilor carabinei, cel mai dificil lucru pentru ei a fost să determine ce fel de legături sunt legați atomii de carbon într-un lanț. Ar putea avea legături simple și triple alternative (-C = C-C=C -C=), sau ar putea avea doar legături duble (=C=C=C=C=)... Și le-ar putea avea pe ambele în același timp . Doar câțiva ani mai târziu, Korshak și Sladkov au reușit să demonstreze că nu există legături duble în carabină. Cu toate acestea, deoarece teoria a permis existența unui polimer liniar de carbon cu doar legături duble, s-a încercat obținerea acestei varietăți - în esență, a patra modificare a carbonului elementar.

Carbonul din minerale

Această substanță a fost obținută la Institutul de Compuși Organoelementali al Academiei de Științe a URSS. Noul polimer liniar de carbon a fost numit polycumulen. Și acum sunt cunoscuți cel puțin opt polimeri liniari de carbon, care diferă unul de altul în structura rețelei cristaline. În literatura străină, toate se numesc carabine.

Acest element este întotdeauna tetravalent, dar din moment ce se află chiar în mijlocul perioadei, starea sa de oxidare în diferite circumstanțe este fie +4, fie -4. În reacțiile cu nemetale, este electropozitiv, cu metale - dimpotrivă. Chiar și în cazurile în care legătura nu este ionică, ci covalentă, carbonul rămâne fidel în sine - valența sa formală rămâne egală cu patru.

Există foarte puțini compuși în care carbonul prezintă cel puțin formal o valență diferită de patru. Un singur astfel de compus este în general cunoscut, CO, monoxid de carbon, în care carbonul pare a fi bivalent. Tocmai se pare, pentru că în realitate există un tip de conexiune mai complex. Atomii de carbon și oxigen sunt legați printr-o legătură polarizată 3-covalentă, iar formula structurală a acestui compus este scrisă după cum urmează: O + \u003d C ".

În 1900, M. Gomberg a obţinut compusul organic trifenilmetil (C 6 H 5) 3 C. Se părea că atomul de carbon de aici era trivalent. Dar mai târziu s-a dovedit că de data aceasta valența neobișnuită a fost pur formală. Trifenilmetil și analogii săi sunt radicali liberi, dar, spre deosebire de majoritatea radicalilor, ei sunt destul de stabili.

Din punct de vedere istoric, foarte puțini compuși de carbon au rămas „sub acoperișul” chimiei anorganice. Aceștia sunt oxizi de carbon, carburi - compușii săi cu metale, precum și bor și siliciu, carbonați - săruri ale celui mai slab acid carbonic, disulfură de carbon CS 2, compuși cu cianură. Trebuie să ne consolam cu faptul că, așa cum se întâmplă adesea (sau s-a întâmplat) în producție, „arborele” compensează neajunsurile din nomenclatură. Într-adevăr, cea mai mare parte a carbonului din scoarța terestră nu este conținută în organismele vegetale și animale, nu în cărbune, petrol și toate celelalte materii organice luate împreună, ci în doar doi compuși anorganici - calcar CaCO 3 și dolomit MgCa (CO 3 ). ) 2. Carbonul face parte din alte câteva zeci de minerale, nu uitați decât marmura CaCO 3 (cu aditivi), Cu 2 (OH) 2 CO 3 malachit, ZnCO 3 smithsonite zinc mineral... Există carbon atât în ​​rocile magmatice, cât și în șisturile cristaline.

Mineralele care conțin carburi sunt foarte rare. De regulă, acestea sunt substanțe de origine deosebit de profundă; prin urmare, oamenii de știință presupun că există carbon în miezul globului.

Pentru industria chimică, carbonul și compușii săi anorganici prezintă un interes considerabil - mai des ca materii prime, mai rar ca materiale structurale.

Multe dispozitive din industriile chimice, cum ar fi schimbătoarele de căldură, sunt fabricate din grafit. Și acest lucru este natural: grafitul are o mare rezistență termică și chimică și în același timp conduce foarte bine căldura. Apropo, datorită acelorași proprietăți, grafitul a devenit un material important pentru tehnologia cu jet. Cârmele sunt realizate din grafit, lucrând direct în flacăra aparatului de duză. Este practic imposibil să aprindeți grafitul în aer (chiar și în oxigen pur, nu este ușor să faceți acest lucru), iar pentru a evapora grafitul este nevoie de o temperatură mult mai mare decât cea care se dezvoltă chiar și într-un motor de rachetă. Și în plus, la presiune normală, grafitul, ca și granitul, nu se topește.

Este greu de imaginat producția electrochimică modernă fără grafit. Electrozii de grafit sunt folosiți nu numai de electrometalurgiști, ci și de chimiști. Este suficient să reamintim că în electrolizoarele folosite pentru a produce sodă caustică și clor, anozii sunt din grafit.

Utilizarea carbonului

S-au scris multe cărți despre utilizarea compușilor de carbon în industria chimică. Carbonatul de calciu, calcar, servește ca materie primă în producția de var, ciment, carbură de calciu. Un alt mineral - dolomita - este „strămoșul” unui grup mare de materiale refractare dolomite. Carbonat de sodiu și bicarbonat - carbon de sodiu și sifon de băut. Unul dintre principalii consumatori de sodă a fost și rămâne industria sticlei, care are nevoie de aproximativ o treime din producția mondială de Na 2 CO 3 .

Și în sfârșit, puțin despre carburi. De obicei, când se spune carbură, se referă la carbură de calciu - o sursă de acetilenă și, în consecință, la numeroase produse de sinteză organică. Dar carbura de calciu, deși cea mai faimoasă, nu este în niciun caz singura substanță foarte importantă și necesară a acestui grup. Carbura de bor B 4 C este un material important pentru atomic

tehnologia, carbura de siliciu SiC sau carborundum este cel mai important material abraziv. Carburele multor metale se caracterizează prin rezistență chimică ridicată și duritate excepțională; carborundum, de exemplu, este doar puțin inferior diamantului. Duritatea sa pe scara Mooca este de 9,5-9,75 (diamant - 10). Dar carborundum este mai ieftin decât diamantul. Se obține în cuptoare electrice la o temperatură de aproximativ 2000 ° C dintr-un amestec de cocs și nisip de cuarț.

Potrivit celebrului om de știință sovietic academician I.L. Knunyants, chimia organică poate fi privită ca un fel de punte aruncată de știință de la natura neînsuflețită la forma sa cea mai înaltă - viața. Și în urmă cu doar un secol și jumătate, cei mai buni chimiști ai vremii au crezut și și-au învățat adepții că chimia organică este știința substanțelor formate cu participarea și sub îndrumarea unei „materie” ciudate - forță de viață. Dar curând această putere a fost trimisă la coșul de gunoi al științelor naturale. Sintezele mai multor substanțe organice - uree, acid acetic, grăsimi, substanțe asemănătoare zahărului - au făcut-o pur și simplu inutilă.

A apărut definiția clasică a lui K. Schorlemmer, care nu și-a pierdut sensul nici 100 de ani mai târziu: „Chimia organică este chimia hidrocarburilor și a derivaților lor, adică produse formate atunci când hidrogenul este înlocuit cu alți atomi sau grupe de atomi”.

Deci, organicele nu sunt chimia nici măcar a unui element, ci a unei singure clase de compuși ai acestui element. Dar ce clasa! O clasă împărțită nu numai în grupuri și subgrupe - în științe independente. Au ieșit din substanțe organice, biochimie, chimia polimerilor sintetici, chimia compușilor biologic activi și medicinali desprinși din organice...

Milioane de compuși organici (compuși de carbon!) și aproximativ o sută de mii de compuși ai tuturor celorlalte elemente combinate sunt acum cunoscuți.

Este bine cunoscut faptul că viața este construită pe bază de carbon. Dar de ce exact carbonul - al unsprezecelea element cel mai abundent de pe Pământ - și-a asumat dificila sarcină de a fi baza întregii vieți?

Răspunsul la această întrebare este ambiguu. În primul rând, „în niciunul dintre elemente nu este dezvoltată o asemenea capacitate de complicare într-o asemenea măsură ca în carbon”. În al doilea rând, carbonul este capabil să se combine cu majoritatea elementelor și într-o mare varietate de moduri. În al treilea rând, legătura dintre atomii de carbon, precum și cu atomii de hidrogen, oxigen, azot, sulf, fosfor și alte elemente care alcătuiesc substanțele organice, poate fi distrusă sub influența factorilor naturali. Prin urmare, carbonul circulă constant în natură: de la atmosferă la plante, de la plante la organisme animale, de la vii la moarte,

de la morți la cei vii...

Cele patru valențe ale unui atom de carbon sunt ca patru mâini. Și dacă doi astfel de atomi sunt conectați, atunci există deja șase „brațe”. Sau - patru, dacă doi electroni sunt cheltuiți pentru formarea unei perechi (legătură dublă). Sau - doar două, dacă legătura, ca în acetilenă, este triplă. Dar aceste legături (se numesc nesaturate) sunt ca o bombă în buzunar sau un geniu într-o sticlă. Ei sunt ascunși deocamdată, dar la momentul potrivit se eliberează pentru a-și face plățile într-un joc furtunos, de jocuri de noroc, de interacțiuni și transformări chimice. O mare varietate de structuri se formează în urma acestor „jocuri” dacă carbonul este implicat în ele. Editorii „Enciclopediei pentru copii” au calculat că din 20 de atomi de carbon și 42 de atomi de hidrogen se pot obține 366.319 hidrocarburi diferite, 366.319 substanțe din compoziția C 20 H42. Și dacă nu există șase duzini de participanți la „joc”, ci câteva mii; dacă printre ei sunt reprezentanți nu a două „echipe”, ci, să zicem, a opt!

Acolo unde există carbon, există diversitate. Acolo unde există carbon, sunt dificultăți. Și cele mai diferite modele din arhitectura moleculară. Lanțuri simple, ca în butan CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 sau polietilenă -CH 2 -CH 2 -CH 2 - CH 2 -, și structuri ramificate, cel mai simplu dintre ele este izobutanul.

Carbonul este al șaselea element din sistemul periodic al lui Mendeleev. Greutatea sa atomică este de 12.

Carbonul se află în a doua perioadă a sistemului Mendeleev și în a patra grupă a acestui sistem.

Numărul perioadei ne spune că cei șase electroni ai carbonului sunt în două niveluri de energie.

Iar al patrulea număr de grup spune că carbonul are patru electroni la nivelul energiei externe. Două dintre ele sunt pereche s-electroni, iar ceilalți doi nu sunt perechi R-electroni.

Structura stratului de electroni exterior al atomului de carbon poate fi exprimată prin următoarele scheme:

Fiecare celulă din aceste diagrame înseamnă un orbital de electroni separat, săgeata înseamnă un electron situat în orbital. Două săgeți din interiorul unei celule sunt doi electroni care se află pe aceeași orbită, dar au spini opuși.

Când un atom este excitat (când îi este transmisă energie), unul dintre perechi S-electronii ocupa R-orbital.

Un atom de carbon excitat poate participa la formarea a patru legături covalente. Prin urmare, în marea majoritate a compușilor săi, carbonul prezintă o valență de patru.

Deci, cel mai simplu compus organic metan de hidrocarbură are compoziția CH 4. Structura sa poate fi exprimată prin formule structurale sau electronice:

Formula electronică arată că atomul de carbon din molecula de metan are o înveliș exterioară stabilă de opt electroni, iar atomii de hidrogen au o înveliș stabilă de doi electroni.

Toate cele patru legături covalente ale carbonului din metan (și în alți compuși similari) sunt echivalente și direcționate simetric în spațiu. Atomul de carbon se află, parcă, în centrul tetraedrului (o piramidă patruunghiulară obișnuită), iar cei patru atomi legați de acesta (în cazul metanului, patru atomi de hidrogen) se află la vârfurile tetraedrului.

Unghiurile dintre direcțiile oricărei perechi de legături sunt aceleași și sunt de 109 grade 28 de minute.

Acest lucru se datorează faptului că într-un atom de carbon, atunci când formează legături covalente cu alți patru atomi, de la unul s- și trei p-orbitali ca urmare sp 3-hibridizările se formează patru hibride situate simetric în spațiu sp 3-orbitale extinse spre vârfurile tetraedrului.

Caracteristicile proprietăților carbonului.

Numărul de electroni din nivelul energetic exterior este principalul factor care determină proprietățile chimice ale unui element.

În partea stângă a tabelului periodic sunt elemente cu un nivel electronic extern cu umplere scăzută. Elementele primului grup au un electron la nivelul exterior, elementele celui de-al doilea grup au doi.

Elementele acestor două grupe sunt metale. Se oxidează ușor, adică. își pierd electronii exteriori și se transformă în ioni pozitivi.

Pe partea dreaptă a tabelului periodic, dimpotrivă, sunt nemetale (oxidanți). În comparație cu metalele, au un nucleu cu un număr mare de protoni. Un astfel de nucleu masiv oferă o atracție mult mai puternică pentru norul său de electroni.

Astfel de elemente își pierd electronii cu mare dificultate, dar nu sunt contrarii să adauge electroni suplimentari de la alți atomi, de exemplu. le oxidează și ei înșiși, în același timp, se transformă într-un ion negativ.

Pe măsură ce numărul grupelor din tabelul periodic crește, proprietățile metalice ale elementelor slăbesc, iar capacitatea lor de a oxida alte elemente crește.

Carbonul se află în a patra grupă, adică. chiar la mijloc între metale, care donează cu ușurință electroni, și nemetale, care acceptă cu ușurință acești electroni.

Din acest motiv carbonul nu are o tendință pronunțată de a dona sau de a câștiga electroni.

lanțuri de carbon.

O proprietate excepțională a carbonului, care determină varietatea compușilor organici, este capacitatea atomilor săi de a se conecta între ei prin legături covalente puternice, formând scheme de carbon de lungime practic nelimitată.

Pe lângă carbon, lanțurile de atomi identici formează analogul său din grupa IV - siliciu. Cu toate acestea, astfel de lanțuri conțin nu mai mult de șase atomi de Si. Sunt cunoscute lanțuri lungi de atomi de sulf, dar compușii care le conțin sunt fragili.

Valențele atomilor de carbon care nu sunt implicați în interconexiune sunt utilizate pentru adăugarea altor atomi sau grupări (în hidrocarburi, pentru adăugarea de hidrogen).

Deci hidrocarburi etanice ( C2H6) și propan ( C3H8) conțin lanțuri de doi și, respectiv, trei atomi de carbon. Structura lor este exprimată prin următoarele formule structurale și electronice:

Sunt cunoscuți compuși care conțin sute sau mai mulți atomi de carbon.

Datorită orientării tetraedrice a legăturilor de carbon, atomii săi incluși în lanț sunt localizați nu în linie dreaptă, ci într-un model în zig-zag. Mai mult, datorită posibilității de rotație a atomilor în jurul axei de legătură, lanțul în spațiu poate lua diferite forme (conformații):

O astfel de structură de lanț face posibil ca atomi de carbon terminali sau alți atomi de carbon neadiacenți să se apropie unul de celălalt. Ca urmare a apariției unei legături între acești atomi, lanțurile de carbon pot fi închise în inele (cicluri), de exemplu:

Astfel, diversitatea compușilor organici este determinată și de faptul că, cu același număr de atomi de carbon într-o moleculă, sunt posibili compuși cu un lanț deschis, deschis de atomi de carbon, precum și substanțe ale căror molecule conțin cicluri.

Legături simple și multiple.

Legăturile covalente dintre atomii de carbon formați dintr-o pereche de electroni generalizați se numesc legături simple.

Legătura dintre atomii de carbon poate fi realizată nu de unul, ci de două sau trei perechi de electroni comuni. Apoi se obțin lanțuri cu legături multiple - duble sau triple. Aceste conexiuni pot fi descrise după cum urmează:

Cei mai simpli compuși care conțin legături multiple sunt hidrocarburile etilenă(cu dublă legătură) și acetilenă(cu triplă legătură):

Hidrocarburile cu legături multiple se numesc nesaturate sau nesaturate. Etilena și acetilena sunt primii reprezentanți ai două serii omoloage - hidrocarburi de etilenă și acetilenă.

CARBON
CU (carboneum), un element chimic nemetalic din subgrupa IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) din Tabelul Periodic al Elementelor. Se găsește în natură sub formă de cristale de diamant (Fig. 1), grafit sau fullerenă și alte forme și face parte din substanțe organice (cărbune, ulei, organisme animale și vegetale etc.) și anorganice (calcar, bicarbonat de sodiu etc.). .). Carbonul este larg răspândit, dar conținutul său în scoarța terestră este de doar 0,19% (vezi și DIAMANT; FULLERENES).

Carbonul este utilizat pe scară largă sub formă de substanțe simple. Pe lângă diamantele prețioase, care fac obiectul bijuteriilor, diamantele industriale sunt de mare importanță - pentru fabricarea sculelor de șlefuit și tăiere. Cărbunele și alte forme amorfe de carbon sunt utilizate pentru decolorare, purificare, adsorbție de gaze, în domeniile de tehnologie în care sunt necesari adsorbanți cu suprafață dezvoltată. Carburele, compușii de carbon cu metale, precum și cu bor și siliciu (de exemplu, Al4C3, SiC, B4C) se caracterizează prin duritate ridicată și sunt utilizați la fabricarea sculelor abrazive și tăietoare. Carbonul este prezent în oțeluri și aliaje în stare elementară și sub formă de carburi. Saturarea suprafeței pieselor turnate de oțel cu carbon la temperatură ridicată (cimentare) crește semnificativ duritatea suprafeței și rezistența la uzură.
Vezi și ALIAJE. Există multe forme diferite de grafit în natură; unele sunt obținute artificial; sunt disponibile forme amorfe (ex. cocs și cărbune). Funingine, cărbune de os, negru de lampă, negru de acetilenă se formează atunci când hidrocarburile sunt arse în absența oxigenului. Așa-numitul carbon alb este obținut prin sublimarea grafitului pirolitic sub presiune redusă - acestea sunt cele mai mici cristale transparente de frunze de grafit cu margini ascuțite.
Referință istorică. Grafitul, diamantul și carbonul amorf sunt cunoscute încă din antichitate. Se știe de mult timp că alte materiale pot fi marcate cu grafit, iar chiar numele „grafit”, care provine din cuvântul grecesc care înseamnă „a scrie”, a fost propus de A. Werner în 1789. Cu toate acestea, istoria grafitului este confuz, adesea substanțe cu proprietăți fizice externe similare au fost confundate cu acesta, cum ar fi molibdenitul (sulfura de molibden), considerat la un moment dat grafit. Printre alte denumiri de grafit, sunt cunoscute „plumb negru”, „carbură de fier”, „plumb argintiu”. În 1779, K. Scheele a descoperit că grafitul poate fi oxidat cu aer pentru a forma dioxid de carbon. Pentru prima dată, diamantele și-au găsit utilizare în India, iar în Brazilia, pietrele prețioase au căpătat importanță comercială în 1725; zăcăminte din Africa de Sud au fost descoperite în 1867. În secolul al XX-lea. Principalii producători de diamante sunt Africa de Sud, Zair, Botswana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tanzania și Rusia. Diamantele artificiale, a căror tehnologie a fost creată în 1970, sunt produse în scopuri industriale.
alotropie. Dacă unitățile structurale ale unei substanțe (atomi pentru elemente monoatomice sau molecule pentru elemente și compuși poliatomici) sunt capabile să se combine între ele în mai multe forme cristaline, acest fenomen se numește alotropie. Carbonul are trei modificări alotrope - diamant, grafit și fullerene. În diamant, fiecare atom de carbon are patru vecini aranjați tetraedric, formând o structură cubică (Fig. 1a). O astfel de structură corespunde covalenței maxime a legăturii și toți cei 4 electroni ai fiecărui atom de carbon formează legături C-C de înaltă rezistență, adică. nu există electroni de conducere în structură. Prin urmare, diamantul se distinge prin lipsa de conductivitate, conductivitate termică scăzută, duritate ridicată; este cea mai dură substanță cunoscută (fig. 2). Ruperea legăturii C-C (lungimea legăturii 1,54, de unde raza covalentă 1,54/2 = 0,77) în structura tetraedrică necesită multă energie, astfel încât diamantul, împreună cu o duritate excepțională, se caracterizează printr-un punct de topire ridicat (3550 ° C).

O altă formă alotropică de carbon este grafitul, care este foarte diferit de diamant în proprietăți. Grafitul este o substanță neagră moale, formată din cristale care se exfoliază ușor, caracterizată printr-o bună conductivitate electrică (rezistență electrică 0,0014 Ohm * cm). Prin urmare, grafitul este utilizat în lămpi cu arc și cuptoare (Fig. 3), în care este necesar să se creeze temperaturi ridicate. Grafitul de înaltă puritate este utilizat în reactoarele nucleare ca moderator de neutroni. Punctul său de topire la presiune ridicată este de 3527 ° C. La presiune normală, grafitul se sublimează (se transferă de la o stare solidă la un gaz) la 3780 ° C.

Structura din grafit (Fig. 1b) este un sistem de inele hexagonale condensate cu o lungime a legăturii de 1,42 (mult mai scurtă decât în ​​diamant), dar fiecare atom de carbon are trei (mai degrabă decât patru, ca în diamant) legături covalente cu trei vecini, iar cea de-a patra legătură (3,4) este prea lungă pentru o legătură covalentă și leagă slab straturi paralele stivuite de grafit între ele. Este al patrulea electron de carbon care determină conductivitatea termică și electrică a grafitului - această legătură mai lungă și mai puțin puternică formează o compactitate mai mică a grafitului, ceea ce se reflectă în duritatea sa mai mică în comparație cu diamantul (densitatea grafitului este de 2,26 g / cm3, diamantul). - 3,51 g/cm3). Din același motiv, grafitul este alunecos la atingere și separă cu ușurință fulgii substanței, care este folosită pentru a face lubrifianți și mine de creion. Lustrul plumbului se datorează în principal prezenței grafitului. Fibrele de carbon au o rezistență ridicată și pot fi folosite pentru a face fire de raion sau alte fire cu conținut ridicat de carbon. La presiune și temperatură ridicată, în prezența unui catalizator precum fierul, grafitul poate fi transformat în diamant. Acest proces a fost implementat pentru producția industrială de diamante artificiale. Cristalele de diamant cresc pe suprafața catalizatorului. Echilibrul grafit-diamant există la 15.000 atm și 300 K sau la 4.000 atm și 1.500 K. Diamantele artificiale pot fi obținute și din hidrocarburi. Formele amorfe de carbon care nu formează cristale includ cărbunele obținut prin încălzirea unui copac fără acces la aer, lampă și funingine de gaz formată în timpul arderii la temperatură scăzută a hidrocarburilor cu lipsă de aer și condensate pe o suprafață rece, cărbunele de os este un amestec la fosfat de calciu în procesul de distrugere a țesăturilor osoase, precum și la cărbune (o substanță naturală cu impurități) și cocs, reziduu uscat obținut din cocsificarea combustibililor prin distilarea uscată a cărbunelui sau a reziduurilor de petrol (cărbuni bituminoși), adică. incalzire fara aer. Cocsul este folosit pentru topirea fierului, în metalurgia feroasă și neferoasă. În timpul cocsării se formează și produse gazoase - gaz de cocs (H2, CH4, CO etc.) și produse chimice care sunt materii prime pentru producția de benzină, vopsele, îngrășăminte, medicamente, materiale plastice etc. Schema aparatului principal pentru producerea de cocs - un cuptor de cocs - este prezentată în fig. 3. Diferite tipuri de cărbune și funingine sunt caracterizate de o suprafață dezvoltată și, prin urmare, sunt utilizate ca adsorbanți pentru curățarea gazelor, lichidelor și, de asemenea, ca catalizatori. Pentru a obține diferite forme de carbon, se folosesc metode speciale de tehnologie chimică. Grafitul artificial este obținut prin calcinarea antracitului sau a cocsului de petrol între electrozii de carbon la 2260°C (procesul Acheson) și este utilizat în producția de lubrifianți și electrozi, în special pentru producerea electrolitică a metalelor.
Structura atomului de carbon. Nucleul celui mai stabil izotop de carbon de masă 12 (abundență de 98,9%) are 6 protoni și 6 neutroni (12 nucleoni) dispuși în trei cvartete, fiecare conținând 2 protoni și doi neutroni, similar unui nucleu de heliu. Un alt izotop stabil al carbonului este 13C (aproximativ 1,1%), iar în urme există un izotop instabil 14C în natură, cu un timp de înjumătățire de 5730 de ani, care are radiații b. Toți cei trei izotopi sub formă de CO2 participă la ciclul normal al carbonului al materiei vii. După moartea unui organism viu, consumul de carbon se oprește și este posibilă datarea obiectelor care conțin C prin măsurarea nivelului de radioactivitate 14C. Scăderea radiației 14CO2 b este proporțională cu timpul scurs de la moarte. În 1960, W. Libby a primit Premiul Nobel pentru cercetarea carbonului radioactiv.
Vezi și DATARE RADIOACTIVITATE. În starea fundamentală, 6 electroni de carbon formează configurația electronică 1s22s22px12py12pz0. Patru electroni ai celui de-al doilea nivel sunt valența, care corespunde poziției carbonului în grupa IVA a sistemului periodic (vezi TABELUL PERIODIC AL ELEMENTELOR). Întrucât desprinderea unui electron de un atom în faza gazoasă necesită o energie mare (aproximativ 1070 kJ/mol), carbonul nu formează legături ionice cu alte elemente, deoarece aceasta ar necesita desprinderea unui electron cu formarea unui element pozitiv. ion. Cu o electronegativitate de 2,5, carbonul nu prezintă o afinitate puternică pentru electroni și, prin urmare, nu este un acceptor de electroni activ. Prin urmare, nu este predispus să formeze o particulă cu sarcină negativă. Dar cu o natură parțial ionică a legăturii, există unii compuși de carbon, de exemplu, carburi. În compuși, carbonul prezintă o stare de oxidare de 4. Pentru ca patru electroni să poată participa la formarea legăturilor, este necesar să se depărteze electronii 2s și să sară unul dintre acești electroni la orbitalul 2pz; în acest caz, se formează 4 legături tetraedrice cu un unghi între ele de 109°. În compuși, electronii de valență ai carbonului sunt îndepărtați doar parțial de acesta, astfel încât carbonul formează legături covalente puternice între atomii vecini de tip C-C folosind o pereche de electroni comună. Energia de rupere a unei astfel de legături este de 335 kJ/mol, în timp ce pentru legătura Si-Si este de numai 210 kJ/mol, deci lanțurile lungi -Si-Si- sunt instabile. Natura covalentă a legăturii este păstrată chiar și în compușii de halogeni foarte reactivi cu carbon, CF4 și CCl4. Atomii de carbon sunt capabili să furnizeze mai mult de un electron din fiecare atom de carbon pentru formarea legăturilor; astfel se formează legături duble C=C și triple CºC. Alte elemente formează, de asemenea, legături între atomii lor, dar numai carbonul este capabil să formeze lanțuri lungi. Prin urmare, mii de compuși sunt cunoscuți pentru carbon, numiți hidrocarburi, în care carbonul este legat de hidrogen și alți atomi de carbon, formând catene lungi sau structuri inelare.
Vezi CHIMIE ORGANICA. În acești compuși, este posibilă înlocuirea hidrogenului cu alți atomi, cel mai adesea cu oxigen, azot și halogeni, cu formarea multor compuși organici. Printre acestea sunt de mare importanță fluorocarburile - hidrocarburi în care hidrogenul este înlocuit cu fluor. Astfel de compuși sunt extrem de inerți și sunt utilizați ca plastic și lubrifianți (fluorocarburi, adică hidrocarburi în care toți atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu atomi de fluor) și ca agenți frigorifici la temperatură joasă (freoni, sau freoni, - fluoroclorhidrocarburi). În anii 1980, fizicienii americani au descoperit compuși de carbon foarte interesanți în care atomii de carbon sunt legați în 5 sau 6 gooane, formând o moleculă C60 sub forma unei mingi goale, cu o simetrie perfectă a mingii de fotbal. Întrucât o astfel de construcție stă la baza „domului geodezic” inventat de arhitectul și inginerul american Buckminster Fuller, noua clasă de compuși a fost numită „buckminsterfullerenes” sau „fullerenes” (și, de asemenea, mai pe scurt, „fasiballs” sau „buckyballs”). Fulerenele - a treia modificare a carbonului pur (cu excepția diamantului și grafitului), constând din 60 sau 70 (și chiar mai mulți) atomi - a fost obținută prin acțiunea radiației laser asupra celor mai mici particule de carbon. Fulerenele de o formă mai complexă constau din câteva sute de atomi de carbon. Diametrul moleculei C60 CARBON este de 1 nm. Există suficient spațiu în centrul unei astfel de molecule pentru a găzdui un atom mare de uraniu.
Vezi și FULLERENES.
masa atomică standard.În 1961, Uniunile Internaționale de Chimie Pură și Aplicată (IUPAC) și în fizică au adoptat masa izotopului de carbon 12C ca unitate de masă atomică, eliminând scara de oxigen a maselor atomice care exista înainte. Masa atomică a carbonului în acest sistem este de 12.011, deoarece este media pentru cei trei izotopi naturali de carbon, ținând cont de abundența lor în natură.
Vezi MESA ATOMICA. Proprietățile chimice ale carbonului și ale unora dintre compușii săi. Unele proprietăți fizice și chimice ale carbonului sunt prezentate în articolul ELEMENTE CHIMICE. Reactivitatea carbonului depinde de modificarea, temperatura și dispersia acestuia. La temperaturi scăzute, toate formele de carbon sunt destul de inerte, dar atunci când sunt încălzite, sunt oxidate de oxigenul atmosferic, formând oxizi:

Carbonul fin dispersat în exces de oxigen este capabil să explodeze atunci când este încălzit sau de la o scânteie. Pe lângă oxidarea directă, există metode mai moderne de obținere a oxizilor. Suboxidul de carbon C3O2 se formează prin deshidratarea acidului malonic peste P4O10:

C3O2 are un miros neplăcut, se hidrolizează ușor, reformând acidul malonic.
Monoxidul de carbon(II) CO se formează în timpul oxidării oricărei modificări a carbonului în condiții de deficiență de oxigen. Reacția este exotermă, se eliberează 111,6 kJ/mol. Cocsul la căldură albă reacționează cu apa: C + H2O = CO + H2; amestecul de gaz rezultat se numește „gaz de apă” și este un combustibil gazos. De asemenea, CO se formează în timpul arderii incomplete a produselor petroliere, se găsește în cantități semnificative în gazele de eșapament ale automobilelor și se obține prin disocierea termică a acidului formic:

Starea de oxidare a carbonului în CO este +2 și, deoarece carbonul este mai stabil în starea de oxidare +4, CO este ușor oxidat de oxigen la CO2: CO + O2 (r) CO2, această reacție este extrem de exotermă (283 kJ/ mol). CO este utilizat în industrie în amestecuri cu H2 și alte gaze combustibile ca combustibil sau agent reducător gazos. Când este încălzit la 500 ° C, CO formează C și CO2 într-o măsură vizibilă, dar la 1000 ° C, echilibrul este stabilit la concentrații scăzute de CO2. CO reacționează cu clorul, formând fosgen - COCl2, reacțiile cu alți halogeni decurg similar, în reacția cu sulful se obține sulfura de carbonil COS, cu metalele (M) CO formează carbonili de diferite compoziții M (CO) x, care sunt compuși complecși. . Carbonilul de fier se formează prin interacțiunea hemoglobinei din sânge cu CO, prevenind reacția hemoglobinei cu oxigenul, deoarece carbonilul de fier este un compus mai puternic. Ca urmare, funcția hemoglobinei ca purtător de oxigen către celule este blocată, care apoi mor (și în primul rând, celulele creierului sunt afectate). (De aici un alt nume pentru CO - „monoxid de carbon”). Deja 1% (vol.) CO în aer este periculos pentru o persoană dacă se află într-o astfel de atmosferă mai mult de 10 minute. Unele proprietăți fizice ale CO sunt prezentate în tabel. Dioxidul de carbon sau monoxidul de carbon (IV) CO2 se formează în timpul arderii carbonului elementar în exces de oxigen cu eliberarea de căldură (395 kJ/mol). CO2 (numele trivial este „dioxid de carbon”) se formează și în timpul oxidării complete a CO, a produselor petroliere, a benzinei, a uleiurilor și a altor compuși organici. Când carbonații sunt dizolvați în apă, CO2 este, de asemenea, eliberat ca urmare a hidrolizei:

Această reacție este adesea folosită în practica de laborator pentru a obține CO2. Acest gaz poate fi obținut și prin calcinarea bicarbonaților metalici:

În interacțiunea fază gazoasă a aburului supraîncălzit cu CO:

La arderea hidrocarburilor și a derivaților lor de oxigen, de exemplu:

În mod similar, produsele alimentare sunt oxidate într-un organism viu cu eliberarea de energie termică și de alte tipuri. În acest caz, oxidarea se desfășoară în condiții blânde prin etape intermediare, dar produsele finale sunt aceleași - CO2 și H2O, ca, de exemplu, în timpul descompunerii zaharurilor sub acțiunea enzimelor, în special în timpul fermentației glucozei:

Producția cu tonaj mare de dioxid de carbon și oxizi metalici se realizează în industrie prin descompunerea termică a carbonaților:

CaO este utilizat în cantități mari în tehnologia de producție a cimentului. Stabilitatea termică a carbonaților și consumul de căldură pentru descompunerea lor conform acestei scheme cresc în seria CaCO3 (vezi și PREVENIREA INCENDIILOR ȘI PROTECȚIA LA INCENDII). Structura electronică a oxizilor de carbon. Structura electronică a oricărui monoxid de carbon poate fi descrisă prin trei scheme echiprobabile cu diferite aranjamente de perechi de electroni - trei forme rezonante:

Toți oxizii de carbon au o structură liniară.
Acid carbonic. Când CO2 reacţionează cu apa, se formează acid carbonic H2CO3. Într-o soluție saturată de CO2 (0,034 mol/l), doar o parte din molecule formează H2CO3, iar cea mai mare parte a CO2 este în stare hidratată CO2*H2O.
Carbonați. Carbonații se formează prin interacțiunea oxizilor metalici cu CO2, de exemplu, Na2O + CO2 -> NaHCO3, care se descompun atunci când sunt încălziți pentru a elibera CO2: 2NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O + CO2 Carbonatul de sodiu, sau soda, este produs în cantități mari în industria sifonului, în principal prin metoda Solvay:

Prin altă metodă, soda este obținută din CO2 și NaOH

Ionul carbonat CO32- are o structură plată cu un unghi O-C-O de 120° și o lungime a legăturii CO de 1,31
(vezi și PRODUCȚIE ALCALĂ).
Halogenuri de carbon. Carbonul reacționează direct cu halogenii atunci când este încălzit pentru a forma tetrahalogenuri, dar viteza de reacție și randamentul produsului sunt scăzute. Prin urmare, halogenurile de carbon sunt obținute prin alte metode, de exemplu, CCl4 se obține prin clorurarea disulfurei de carbon: CS2 + 2Cl2 -> temperatura CCl4 + 2S, are loc formarea de fosgen toxic (o substanță otrăvitoare gazoasă). CCl4 în sine este, de asemenea, otrăvitor și, dacă este inhalat în cantități apreciabile, poate provoca intoxicații hepatice. СCl4 se formează și printr-o reacție fotochimică între metanul СH4 și Сl2; în acest caz, este posibilă formarea de produse de clorurare incompletă a metanului - CHCl3, CH2Cl2 și CH3Cl. Reacțiile se desfășoară în mod similar cu alți halogeni.
reacții cu grafit. Grafitul ca o modificare a carbonului, caracterizat prin distanțe mari între straturile de inele hexagonale, intră în reacții neobișnuite, de exemplu, metalele alcaline, halogenii și unele săruri (FeCl3) pătrund între straturi, formând compuși de tip KC8, KC16 ( numiți compuși interstițiali, de incluziune sau clatrat). Agenții oxidanți puternici precum KClO3 în mediu acid (acid sulfuric sau azotic) formează substanțe cu un volum mare al rețelei cristaline (până la 6 între straturi), ceea ce se explică prin introducerea de atomi de oxigen și formarea de compuși, la suprafață. din care grupări carboxil (-COOH) se formează ca urmare a oxidării - compuși precum grafitul oxidat sau acidul melitic (benzenhexacarboxilic) C6(COOH)6. În acești compuși, raportul C:O poate varia de la 6:1 la 6:2,5.
Carburi. Carbonul formează cu metale, bor și siliciu diverși compuși numiți carburi. Cele mai active metale (subgrupe IA-IIIA) formează carburi asemănătoare sărurilor, de exemplu Na2C2, CaC2, Mg4C3, Al4C3. În industrie, carbura de calciu este obținută din cocs și calcar prin următoarele reacții:

Carburele sunt neconductoare, aproape incolore, se hidrolizează cu formarea de hidrocarburi, de exemplu CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 Acetilena C2H2 formată prin reacție servește ca materie primă în producerea multor substanțe organice. Acest proces este interesant deoarece reprezintă trecerea de la materii prime de natură anorganică la sinteza compușilor organici. Carburele care formează acetilenă la hidroliză se numesc acetilide. În siliciul și carburile de bor (SiC și B4C), legătura dintre atomi este covalentă. Metalele de tranziție (elementele subgrupului B) când sunt încălzite cu carbon formează și carburi cu compoziție variabilă în fisurile de pe suprafața metalului; legătura dintre ele este aproape de metal. Unele carburi de acest tip, cum ar fi WC, W2C, TiC și SiC, se caracterizează prin duritate ridicată și proprietăți refractare și o bună conductivitate electrică. De exemplu, NbC, TaC și HfC sunt cele mai refractare substanțe (p.t. = 4000-4200 ° C), carbura de diniobiu Nb2C este un supraconductor la 9,18 K, TiC și W2C sunt aproape ca duritate de diamant, iar duritatea B4C (a analogul structural al diamantului) este 9,5 pe scara Mohs (vezi Fig. 2). Se formează carburi inerte dacă raza metalului de tranziție Derivați de azot ai carbonului. Acest grup include ureea NH2CONH2 - un îngrășământ cu azot folosit sub formă de soluție. Ureea se obține din NH3 și CO2 prin încălzire sub presiune:

Cianogenul (CN)2 este similar în multe proprietăți cu halogenii și este adesea denumit pseudohalogen. Cianura se obtine prin oxidarea usoara a ionului de cianura cu oxigen, peroxid de hidrogen sau ion Cu2+: 2CN- -> (CN)2 + 2e. Ionul de cianură, fiind donor de electroni, formează cu ușurință compuși complecși cu ioni de metale de tranziție. La fel ca CO, ionul de cianură este o otravă, care leagă compuși vitali ai fierului într-un organism viu. Ionii complexi de cianuri au formula generală []-0,5x, unde x este numărul de coordonare al metalului (agent de complexare), egal empiric cu dublul stării de oxidare a ionului metalic. Exemple de astfel de ioni complecși sunt (structura unor ioni este prezentată mai jos) ionul tetraciano-nichelat(II) []2-, hexacianoferrat(III) []3-, dicianoargentat []-:

Carbonili. Monoxidul de carbon poate reacționa direct cu multe metale sau ioni metalici pentru a forma compuși complecși numiți carbonili, de exemplu Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, []3, Mo(CO)6, []2 . Legătura din acești compuși este similară cu legătura din complecșii ciano descriși mai sus. Ni(CO)4 este o substanță volatilă folosită pentru a separa nichelul de alte metale. Deteriorarea structurii fontei și oțelului în structuri este adesea asociată cu formarea carbonililor. Hidrogenul poate face parte din carbonili, formând hidruri de carbonil, cum ar fi H2Fe(CO)4 și HCo(CO)4, care prezintă proprietăți acide și reacționează cu alcalii: H2Fe(CO)4 + NaOH -> NaHFe(CO)4 + H2O Cunoscute, de asemenea, halogenuri de carbonil, de exemplu Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, unde X este orice halogen
(vezi și COMPUȘI ORGANOMETALICI).
Hidrocarburi. Se cunosc un număr mare de compuși ai carbonului cu hidrogen
(vezi CHIMIE ORGANICA).
LITERATURĂ
Sunyaev Z.I. Carbon de petrol. M., 1980 Chimia carbonului hipercoordonat. M., 1990

Enciclopedia Collier. - Societate deschisă. 2000 .

Sinonime:

Vedeți ce este „CARBON” în alte dicționare:

Tabelul nuclizilor Informații generale Nume, simbol Carbon 14, 14C Denumiri alternative radiocarbon, radiocarbon Neutroni 8 Protoni 6 Proprietăți ale nuclizilor Masa atomică ... Wikipedia

Tabelul nuclizilor Informații generale Nume, simbol Carbon 12, 12C Neutroni 6 Protoni 6 Proprietățile nuclizilor Masa atomică 12.0000000 (0) ... Wikipedia

Carbonul (din latină: carbo „cărbune”) este un element chimic cu simbolul C și numărul atomic 6. Sunt disponibili patru electroni pentru a forma legături chimice covalente. Substanta este nemetalica si tetravalenta. Trei izotopi de carbon apar în mod natural, 12C și 13C sunt stabili, iar 14C este un izotop radioactiv în descompunere, cu un timp de înjumătățire de aproximativ 5730 de ani. Carbonul este unul dintre puținele elemente cunoscute încă din antichitate. Carbonul este al 15-lea cel mai abundent element din scoarța terestră și al patrulea cel mai abundent element din univers după hidrogen, heliu și oxigen. Abundența carbonului, diversitatea unică a compușilor săi organici și capacitatea sa neobișnuită de a forma polimeri la temperaturile întâlnite în mod obișnuit pe Pământ permit acestui element să servească drept element comun pentru toate formele de viață cunoscute. Este al doilea element cel mai abundent din corpul uman ca masă (aproximativ 18,5%) după oxigen. Atomii de carbon se pot lega în moduri diferite, fiind numiți în același timp alotropi ai carbonului. Cei mai cunoscuți alotropi sunt grafitul, diamantul și carbonul amorf. Proprietățile fizice ale carbonului variază foarte mult în funcție de forma alotropică. De exemplu, grafitul este opac și negru, în timp ce diamantul este foarte transparent. Grafitul este suficient de moale pentru a forma o dungă pe hârtie (de unde și numele, de la verbul grecesc „γράφειν” care înseamnă „a scrie”), în timp ce diamantul este cel mai dur material cunoscut în natură. Grafitul este un bun conductor electric, în timp ce diamantul are o conductivitate electrică scăzută. În condiții normale, diamantul, nanotuburile de carbon și grafenul au cea mai mare conductivitate termică dintre orice material cunoscut. Toți alotropii de carbon sunt solide în condiții normale, grafitul fiind forma cea mai stabilă termodinamic. Sunt stabili din punct de vedere chimic și necesită temperaturi ridicate pentru a reacționa chiar și cu oxigenul. Cea mai comună stare de oxidare a carbonului în compușii anorganici este +4 și +2 în complexele carboxil de monoxid de carbon și metal de tranziție. Cele mai mari surse de carbon anorganic sunt calcarele, dolomitele și dioxidul de carbon, dar cantități semnificative provin din depozitele organice de cărbune, turbă, ulei și clatrați metan. Carbonul formează un număr enorm de compuși, mai mult decât orice alt element, cu aproape zece milioane de compuși descriși până în prezent, și totuși acest număr este doar o fracțiune din numărul teoretic posibil în condiții standard. Din acest motiv, carbonul este adesea numit „regele elementelor”.

Caracteristici

Alotropii carbonului includ grafitul, una dintre cele mai moi substanțe cunoscute, și diamantul, cea mai dura substanță naturală. Carbonul se leagă ușor de alți atomi mici, inclusiv de alți atomi de carbon și este capabil să formeze numeroase legături covalente stabile cu atomi multivalenți adecvați. Se știe că carbonul formează aproape zece milioane de compuși diferiți, marea majoritate a tuturor compușilor chimici. Carbonul are, de asemenea, cel mai înalt punct de sublimare dintre orice element. La presiunea atmosferică, nu are punct de topire deoarece punctul său triplu este de 10,8 ± 0,2 MPa și 4600 ± 300 K (~4330 °C sau 7820 °F), deci se sublimează la aproximativ 3900 K. Grafitul este mult mai reactiv decât diamantul sub presiune. condiții standard, în ciuda faptului că este mai stabil din punct de vedere termodinamic, deoarece sistemul său pi delocalizat este mult mai vulnerabil la atac. De exemplu, grafitul poate fi oxidat cu acid azotic concentrat fierbinte în condiții standard la acid melitic C6(CO2H)6, care reține unitățile hexagonale ale grafitului atunci când structura mai mare este distrusă. Carbonul este sublimat într-un arc de carbon, care este de aproximativ 5800 K (5.530 ° C, 9.980 ° F). Astfel, indiferent de forma sa alotropică, carbonul rămâne solid la temperaturi mai mari decât cele mai înalte puncte de topire precum wolfram sau reniul. Deși carbonul este termodinamic predispus la oxidare, este mai rezistent la oxidare decât elemente precum fierul și cuprul, care sunt agenți reducători mai slabi la temperatura camerei. Carbonul este al șaselea element cu configurația electronică de stare fundamentală 1s22s22p2, dintre care cei patru electroni exteriori sunt electroni de valență. Primele sale patru energii de ionizare sunt 1086,5, 2352,6, 4620,5 și 6222,7 kJ/mol, mult mai mari decât elementele mai grele din grupa 14. Electronegativitatea carbonului este de 2,5, care este semnificativ mai mare decât elementele mai grele din grupa 14 (1,8-1,9). dar este aproape de majoritatea nemetalelor învecinate, precum și de unele metale de tranziție din al doilea și al treilea rând. Razele covalente ale carbonului sunt de obicei luate ca 77,2 pm (C-C), 66,7 pm (C=C) și 60,3 pm (C≡C), deși acestea pot varia în funcție de numărul de coordonare și cu ce este asociat. În general, raza covalentă scade pe măsură ce numărul de coordonare scade și ordinea legăturilor crește. Compușii carbonului formează baza tuturor formelor de viață cunoscute de pe Pământ, iar ciclul carbon-azot furnizează o parte din energia eliberată de Soare și de alte stele. Deși carbonul formează o varietate extraordinară de compuși, majoritatea formelor de carbon sunt comparativ nereactive în condiții normale. La temperaturi și presiuni standard, carbonul va rezista tuturor, cu excepția celor mai puternici oxidanți. Nu reacționează cu acidul sulfuric, acidul clorhidric, clorul sau alcalii. La temperaturi ridicate, carbonul reacționează cu oxigenul pentru a forma oxizi de carbon și elimină oxigenul din oxizii metalici, lăsând metalul elementar. Această reacție exotermă este utilizată în industria siderurgică pentru a topi fierul și a controla conținutul de carbon al oțelului:

Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

cu sulf pentru a forma disulfură de carbon și cu abur în reacția cărbune-gaz:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Carbonul se combină cu unele metale la temperaturi ridicate pentru a forma carburi metalice, cum ar fi cementitul din carbură de fier din oțel și carbura de wolfram, utilizat pe scară largă ca abraziv și pentru fabricarea vârfurilor dure pentru sculele de tăiere. Sistemul alotropilor de carbon acoperă o serie de extreme:

Unele tipuri de grafit sunt folosite pentru izolarea termică (cum ar fi barierele împotriva incendiilor și scuturile termice), dar alte forme sunt bune conductoare termice. Diamantul este cel mai cunoscut conductor termic natural. Grafitul este opac. Diamantul este foarte transparent. Grafitul se cristalizează în sistemul hexagonal. Diamantul se cristalizează în sistemul cubic. Carbonul amorf este complet izotrop. Nanotuburile de carbon sunt printre cele mai cunoscute materiale anizotrope.

Alotropii carbonului

Carbonul atomic este o specie cu viață foarte scurtă și, prin urmare, carbonul este stabilizat în diferite structuri poliatomice cu diverse configurații moleculare numite alotropi. Cei trei alotropi relativ bine cunoscuți ai carbonului sunt carbonul amorf, grafitul și diamantul. Considerate anterior exotice, fulerenele sunt acum sintetizate și utilizate în mod obișnuit în cercetare; acestea includ buckyballs, nanotuburi de carbon, nanodots de carbon și nanofibre. Au fost descoperite, de asemenea, câțiva alți alotropi exotici, cum ar fi lonsaletita, carbonul sticlos, nanofaum de carbon și carbonul acetilenic liniar (carabină). Din 2009, grafenul este considerat cel mai puternic material testat vreodată. Procesul de separare a acestuia de grafit va necesita o dezvoltare tehnologică suplimentară înainte de a deveni economic pentru procesele industriale. Dacă are succes, grafenul ar putea fi folosit pentru a construi ascensoare spațiale. De asemenea, poate fi folosit pentru a stoca hidrogen în siguranță pentru a fi utilizat în vehicule pe bază de hidrogen în vehicule. Forma amorfă este un set de atomi de carbon într-o stare necristalină, neregulată, sticloasă și neconținută într-o macrostructură cristalină. Este prezent sub formă de pulbere și este componenta principală a unor substanțe precum cărbunele, funinginea de lampă (funingine) și cărbunele activ. La presiuni normale, carbonul are forma de grafit, în care fiecare atom este legat trigonal de alți trei atomi într-un plan compus din inele hexagonale topite, ca în hidrocarburile aromatice. Rețeaua rezultată este bidimensională, iar foile plate rezultate sunt pliate și conectate liber prin forțe slabe van der Waals. Acest lucru conferă grafitului moliciunea și proprietățile de despicare (foile alunecă ușor una peste alta). Datorită delocalizării unuia dintre electronii exteriori ai fiecărui atom pentru a forma un nor π, grafitul conduce electricitatea, dar numai în planul fiecărei foi legate covalent. Acest lucru are ca rezultat o conductivitate electrică mai mică pentru carbon decât pentru majoritatea metalelor. Delocalizarea explică, de asemenea, stabilitatea energetică a grafitului peste diamant la temperatura camerei. La presiuni foarte mari, carbonul formează un alotrop mai compact, diamantul, care are o densitate aproape de două ori mai mare decât grafitul. Aici, fiecare atom este conectat tetraedric cu alți patru, formând o rețea tridimensională de inele de atomi șifonate cu șase membri. Diamantul are aceeași structură cubică ca siliciul și germaniul și, datorită rezistenței legăturilor sale carbon-carbon, este cea mai dură substanță naturală măsurată prin rezistența la zgârieturi. Contrar credinței populare că „diamantele sunt pentru totdeauna”, ele sunt instabile termodinamic în condiții normale și se transformă în grafit. Datorită barierei de activare a energiei ridicate, trecerea la forma de grafit este atât de lentă la temperatura normală încât nu este vizibilă. În anumite condiții, carbonul cristalizează ca lonsaleit, o rețea cristalină hexagonală cu toți atomii legați covalent și proprietăți similare cu cele ale diamantului. Fulerenele sunt o formațiune cristalină sintetică cu o structură asemănătoare grafitului, dar în loc de hexagoane, fulerenele sunt compuse din pentagoane (sau chiar heptagoane) de atomi de carbon. Atomii lipsă (sau suplimentari) deformează foile în sfere, elipse sau cilindri. Proprietățile fulerenelor (împărțite în buckyballs, buckytubes și nanobads) nu au fost încă pe deplin analizate și reprezintă o zonă intensă de cercetare a nanomaterialelor. Numele „fulerene” și „buckyball” sunt asociate cu numele lui Richard Buckminster Fuller, care a popularizat cupolele geodezice care seamănă cu structura fulerenelor. Buckyballs sunt molecule destul de mari formate în întregime din legături de carbon trigonal, formând sferoizi (cel mai faimos și cel mai simplu este baksinisterfellerene C60 cu forma unei mingi de fotbal). Nanotuburile de carbon sunt similare structural cu buckyballs, cu excepția faptului că fiecare atom este legat trigonal într-o foaie curbă care formează un cilindru gol. Nanobad-urile au fost introduse pentru prima dată în 2007 și sunt materiale hibride (buckyballs sunt legate covalent de peretele exterior al unui nanotub) care combină proprietățile ambelor într-o singură structură. Dintre ceilalți alotropi descoperiți, nanofuma de carbon este un alotrop feromagnetic descoperit în 1997. Constă dintr-un ansamblu grupat de atomi de carbon cu densitate scăzută înșirați împreună într-o rețea tridimensională liberă în care atomii sunt legați trigonal în inele cu șase și șapte membri. Este printre cele mai ușoare solide cu o densitate de aproximativ 2 kg/m3. În mod similar, carbonul sticlos conține o proporție mare de porozitate închisă, dar spre deosebire de grafitul obișnuit, straturile de grafit nu sunt stivuite ca paginile unei cărți, ci sunt aranjate mai aleatoriu. Carbonul acetilenic liniar are structura chimică - (C:::C) n-. Carbonul din această modificare este liniar cu hibridizarea orbitală sp și este un polimer cu legături simple și triple alternative. Această carabină prezintă un interes semnificativ pentru nanotehnologie, deoarece modulul său Young este de patruzeci de ori mai mare decât cel al celui mai dur material, diamantul. În 2015, o echipă de la Universitatea din Carolina de Nord a anunțat dezvoltarea unui alt alotrop, pe care l-a numit Q-carbon, creat de un impuls laser de înaltă energie și de durată redusă pe praful de carbon amorf. Se spune că Q-carbonul prezintă feromagnetism, fluorescență și are o duritate superioară diamantelor.

Prevalența

Carbonul este al patrulea element chimic cel mai abundent din univers după hidrogen, heliu și oxigen. Carbonul este abundent în Soare, stele, comete și atmosferele majorității planetelor. Unii meteoriți conțin diamante microscopice care s-au format când sistemul solar era încă un disc protoplanetar. Diamantele microscopice se pot forma, de asemenea, sub presiune intensă și temperatură ridicată la locurile de impact de meteoriți. În 2014, NASA a anunțat o bază de date actualizată pentru urmărirea hidrocarburilor aromatice policiclice (PAH) din univers. Mai mult de 20% din carbonul din univers poate fi asociat cu HAP, compuși complecși de carbon și hidrogen fără oxigen. Acești compuși apar în ipoteza HAP mondială, unde probabil joacă un rol în abiogeneză și formarea vieții. Se pare că HAP s-au format „la câteva miliarde de ani” după Big Bang, sunt larg răspândite în univers și sunt asociate cu noi stele și exoplanete. Se estimează că învelișul dur al pământului conține 730 ppm de carbon în total, cu 2000 ppm în miez și 120 ppm în mantaua și crusta combinate. Deoarece masa pământului este de 5,9 x 72 x 1024 kg, aceasta ar însemna 4360 de milioane de gigatone de carbon. Aceasta este mult mai mult decât cantitatea de carbon din oceane sau atmosferă (mai jos). Combinat cu oxigenul din dioxid de carbon, carbonul se găsește în atmosfera Pământului (aproximativ 810 gigatone de carbon) și dizolvat în toate corpurile de apă (aproximativ 36.000 gigatone de carbon). Există aproximativ 1900 de gigatone de carbon în biosferă. Hidrocarburile (cum ar fi cărbunele, petrolul și gazul natural) conțin și carbon. „Rezervele” de cărbune (mai degrabă decât „resurse”) sunt de aproximativ 900 de gigatone cu poate 18.000 Gt de resurse. Rezervele de petrol sunt de aproximativ 150 de gigatone. Sursele dovedite de gaze naturale sunt de aproximativ 175.1012 metri cubi (conținând aproximativ 105 gigatone de carbon), totuși studiile estimează încă 900.1012 metri cubi de zăcăminte „neconvenționale”, cum ar fi gazele de șist, care reprezintă aproximativ 540 de gigatone de carbon. Carbonul a fost găsit și în hidrații de metan din regiunile polare și sub mări. Conform diferitelor estimări, cantitatea acestui carbon este de 500, 2500 Gt sau 3000 Gt. În trecut, cantitatea de hidrocarburi era mai mare. Potrivit unei surse, între 1751 și 2008, aproximativ 347 de gigatone de carbon au fost eliberate în atmosferă sub formă de dioxid de carbon în atmosferă din arderea combustibililor fosili. O altă sursă adaugă cantitatea adăugată în atmosferă între 1750 și 879 Gt, iar totalul în atmosferă, mare și uscat (cum ar fi mlaștinile de turbă) este de aproape 2000 Gt. Carbonul este o componentă (12% din masă) a unor mase foarte mari de roci carbonatice (calcar, dolomit, marmură etc.). Cărbunele conține o cantitate foarte mare de carbon (antracitul conține 92-98% carbon) și este cea mai mare sursă comercială de carbon mineral, reprezentând 4.000 de gigatone sau 80% din combustibilii fosili. În ceea ce privește alotropii individuali de carbon, grafitul se găsește în cantități mari în Statele Unite (în principal New York și Texas), Rusia, Mexic, Groenlanda și India. Diamantele naturale se găsesc în kimberlitul de rocă conținut în „gâturile” sau „țevile” vulcanice antice. Cele mai multe zăcăminte de diamante se găsesc în Africa, în special în Africa de Sud, Namibia, Botswana, Republica Congo și Sierra Leone. Zăcăminte de diamante au fost găsite și în Arkansas, Canada, Arctica Rusă, Brazilia și Australia de Nord și de Vest. Acum, diamantele sunt recuperate și de pe fundul oceanului de la Capul Bunei Speranțe. Diamantele apar în mod natural, dar aproximativ 30% din toate diamantele industriale utilizate în SUA sunt acum produse. Carbon-14 se formează în troposfera superioară și stratosferă la altitudini de 9-15 km într-o reacție care este depusă de razele cosmice. Sunt produși neutroni termici care se ciocnesc cu nucleele de azot-14 pentru a forma carbon-14 și un proton. Astfel, 1,2 × 1010% din dioxidul de carbon atmosferic conține carbon-14. Asteroizii bogati in carbon sunt relativ dominanti in partile exterioare ale centurii de asteroizi din sistemul nostru solar. Acești asteroizi nu au fost încă explorați direct de oamenii de știință. Asteroizii ar putea fi folosiți în ipoteticele extrageri de cărbune în spațiu, ceea ce ar putea fi posibil în viitor, dar este în prezent imposibil din punct de vedere tehnologic.

Izotopi ai carbonului

Izotopii de carbon sunt nuclee atomice care conțin șase protoni plus un număr de neutroni (de la 2 la 16). Carbonul are doi izotopi stabili naturali. Izotopul carbon-12 (12C) formează 98,93% din carbonul de pe Pământ, iar carbonul-13 (13C) formează restul de 1,07%. Concentrația de 12C crește și mai mult în materialele biologice deoarece reacțiile biochimice discriminează 13C. În 1961, Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată (IUPAC) a adoptat carbonul-12 izotopic ca bază pentru greutățile atomice. Identificarea carbonului în experimente cu rezonanță magnetică nucleară (RMN) se realizează cu izotopul 13C. Carbon-14 (14C) este un radioizotop natural creat în atmosfera superioară (stratosfera inferioară și troposfera superioară) prin interacțiunea azotului cu razele cosmice. Se găsește pe Pământ în urme de până la 1 parte per trilion (0,0000000001%), în principal în atmosferă și în sedimentele de suprafață, în special în turbă și alte materiale organice. Acest izotop se descompune în timpul emisiei β de 0,158 MeV. Datorită timpului de înjumătățire relativ scurt de 5730 de ani, 14C este practic absent din rocile antice. În atmosferă și în organismele vii, cantitatea de 14C este aproape constantă, dar scade în organism după moarte. Acest principiu este folosit în datarea cu radiocarbon, inventată în 1949, care a fost utilizată pe scară largă pentru a îmbătrâni materialele carbonice cu o vechime de până la 40.000 de ani. Există 15 izotopi cunoscuți ai carbonului și cea mai scurtă durată de viață dintre aceștia este 8C, care se descompune prin emisia de protoni și dezintegrarea alfa și are un timp de înjumătățire de 1,98739 × 10-21 s. Exotic 19C prezintă un halou nuclear, ceea ce înseamnă că raza sa este semnificativ mai mare decât s-ar aștepta dacă nucleul ar fi o sferă de densitate constantă.

Educație în stele

Formarea unui nucleu atomic de carbon necesită o triplă ciocnire aproape simultană a particulelor alfa (nuclee de heliu) în interiorul nucleului unei stele gigant sau supergigant, care este cunoscut sub numele de procesul triplu alfa, deoarece produsele reacțiilor de fuziune nucleară ulterioare ale heliului cu hidrogenul sau un alt nucleu de heliu produc litiu-5 și, respectiv, beriliu -8, ambele fiind foarte instabile și se descompun aproape instantaneu înapoi în nuclee mai mici. Acest lucru se întâmplă la temperaturi de peste 100 de megacalvini și concentrații de heliu, care sunt inacceptabile în condițiile expansiunii și răcirii rapide a universului timpuriu și, prin urmare, nu au fost create cantități semnificative de carbon în timpul Big Bang-ului. Conform teoriei moderne a cosmologiei fizice, carbonul se formează în interiorul stelelor într-o ramură orizontală prin ciocnirea și transformarea a trei nuclee de heliu. Când aceste stele mor într-o supernova, carbonul este împrăștiat în spațiu sub formă de praf. Acest praf devine materialul constitutiv pentru formarea sistemelor stelare de a doua sau a treia generație cu planete acumulate. Sistemul solar este un astfel de sistem stelar cu o abundență de carbon, permițând vieții așa cum o știm noi să existe. Ciclul CNO este un mecanism suplimentar de fuziune care conduce stelele în care carbonul acționează ca un catalizator. Tranzițiile de rotație ale diferitelor forme izotopice de monoxid de carbon (de exemplu, 12CO, 13CO și 18CO) sunt detectate în intervalul de lungimi de undă submilimetrice și sunt utilizate în studiul stelelor nou formate în norii moleculari.

ciclul carbonului

În condiții terestre, conversia unui element în altul este un fenomen foarte rar. Prin urmare, cantitatea de carbon de pe Pământ este efectiv constantă. Astfel, în procesele care folosesc carbon, acesta trebuie să fie obținut de undeva și aruncat în altă parte. Căile carbonului în mediu formează ciclul carbonului. De exemplu, plantele fotosintetice extrag dioxidul de carbon din atmosferă (sau apa de mare) și îl transformă în biomasă, ca în ciclul Calvin, procesul de fixare a carbonului. O parte din această biomasă este consumată de animale, în timp ce o parte din carbon este expirată de animale sub formă de dioxid de carbon. Ciclul carbonului este mult mai complex decât acest ciclu scurt; de exemplu, ceva dioxid de carbon este dizolvat în oceane; dacă bacteriile nu o absorb, materia vegetală sau animală moartă poate deveni ulei sau cărbune, care eliberează carbon atunci când este ars.

Compuși de carbon

Carbonul poate forma lanțuri foarte lungi de legături interconectate carbon-carbon, o proprietate numită formare de lanț. Legăturile carbon-carbon sunt stabile. Prin katanare (formarea de lanțuri), carbonul formează un număr nenumărat de compuși. Evaluarea compușilor unici arată că mai mulți dintre ei conțin carbon. O afirmație similară poate fi făcută pentru hidrogen, deoarece majoritatea compușilor organici conțin și hidrogen. Cea mai simplă formă a unei molecule organice este hidrocarbura, o familie mare de molecule organice care sunt formate din atomi de hidrogen legați de un lanț de atomi de carbon. Lungimea lanțului, lanțurile laterale și grupurile funcționale afectează proprietățile moleculelor organice. Carbonul se găsește în orice formă de viață organică cunoscută și stă la baza chimiei organice. Atunci când este combinat cu hidrogenul, carbonul formează diferite hidrocarburi care sunt importante pentru industrie ca agenți frigorifici, lubrifianți, solvenți, ca materii prime chimice pentru producția de materiale plastice și produse petroliere și ca combustibili fosili. Atunci când este combinat cu oxigenul și hidrogenul, carbonul poate forma multe grupuri de compuși biologici importanți, inclusiv zaharuri, lignani, chitine, alcooli, grăsimi și esteri aromatici, carotenoizi și terpene. Cu azot, carbonul formează alcaloizi, iar cu adaosul de sulf formează și antibiotice, aminoacizi și produse din cauciuc. Odată cu adăugarea de fosfor la aceste alte elemente, formează ADN și ARN, purtătorii codului chimic al vieții, și adenozin trifosfat (ATP), cea mai importantă moleculă de transport de energie din toate celulele vii.

compuși anorganici

De obicei, compușii care conțin carbon care sunt asociați cu minerale sau care nu conțin hidrogen sau fluor sunt tratați separat de compușii organici clasici; această definiție nu este strictă. Printre aceștia se numără oxizi simpli de carbon. Cel mai cunoscut oxid este dioxidul de carbon (CO2). Cândva un constituent major al paleoatmosferei, această materie este astăzi un constituent minor al atmosferei Pământului. Când este dizolvată în apă, această substanță formează acid carbonic (H2CO3), dar, ca majoritatea compușilor cu mai mulți oxigeni cu o singură legătură pe un carbon, este instabilă. Cu toate acestea, prin acest intermediar se formează ionii carbonat stabilizați rezonanți. Unele minerale importante sunt carbonații, în special calciții. Disulfura de carbon (CS2) este similară. Un alt oxid comun este monoxidul de carbon (CO). Se formează în timpul arderii incomplete și este un gaz incolor, inodor. Fiecare moleculă conține o legătură triplă și este destul de polară, ceea ce are ca rezultat legarea ei constantă de moleculele de hemoglobină, înlocuind oxigenul, care are o afinitate de legare mai mică. Cianura (CN-) are o structură similară, dar se comportă ca un ion halogenură (pseudohalogen). De exemplu, poate forma o moleculă de nitrură de cianogen (CN) 2 similară cu halogenurile de diatomee. Alți oxizi neobișnuiți sunt suboxidul de carbon (C3O2), monoxidul de carbon instabil (C2O), trioxidul de carbon (CO3), ciclopentan peptona (C5O5), ciclohexanhexona (C6O6) și anhidrida melitică (C12O9). Cu metale reactive precum wolfram, carbonul formează fie carburi (C4-) fie acetiluri (C2-2) pentru a forma aliaje cu puncte de topire ridicate. Acești anioni sunt, de asemenea, asociați cu metanul și acetilena, ambele fiind acizi foarte slabi. La o electronegativitate de 2,5, carbonul preferă să formeze legături covalente. Mai multe carburi sunt rețele covalente, cum ar fi carborundum (SiC), care seamănă cu diamantul. Cu toate acestea, chiar și cele mai polare și cele mai asemănătoare sării nu sunt compuși complet ionici.

Compuși organometalici

Compușii organometalici, prin definiție, conțin cel puțin o legătură carbon-metal. Există o gamă largă de astfel de compuși; clasele majore includ compuşi simpli alchil-metali (de exemplu tetraetil elid), compuşi η2-alchenă (de exemplu, sare Zeise) şi compuşi η3-alilici (de exemplu dimer de clorură de alilpaladiu); metaloceni care conţin liganzi de ciclopentadienil (de exemplu ferocen); și complecși carbenici ai metalelor de tranziție. Există mulți carbonili metalici (de exemplu, nichel tetracarbonil); unii lucrători cred că ligandul de monoxid de carbon este un compus pur anorganic, nu organometalic. În timp ce se crede că carbonul formează exclusiv patru legături, s-a raportat un compus interesant care conține un atom de carbon octaedric hexacoordonat. Cationul acestui compus este 2+. Acest fenomen se explică prin aurofilitatea liganzilor de aur. În 2016, s-a confirmat că hexametilbenzenul conține un atom de carbon cu șase legături, mai degrabă decât cele patru obișnuite.

Istorie și etimologie

Denumirea engleză carbon (carbon) provine din latinescul carbo, care înseamnă „cărbune” și „cărbune”, de unde și cuvântul francez charbon, care înseamnă „cărbune”. Denumirile germane, olandeze și daneze pentru carbon sunt Kohlenstoff, koolstof și, respectiv, kulstof, toate însemnând literal o substanță de cărbune. Carbonul a fost descoperit în vremuri preistorice și a fost cunoscut sub forme de funingine și cărbune în primele civilizații umane. Diamantele erau cunoscute probabil încă din 2500 î.Hr. în China, iar carbonul sub formă de cărbune era produs în epoca romană prin aceeași chimie ca și astăzi, prin încălzirea lemnului într-o piramidă acoperită cu lut pentru a exclude aerul. În 1722, René Antoine Ferhot de Réamour a demonstrat că fierul este transformat în oțel prin absorbția unei substanțe cunoscute acum sub numele de carbon. În 1772, Antoine Lavoisier a arătat că diamantele sunt o formă de carbon; când a ars mostre de cărbune și diamant și a constatat că niciunul nu producea apă și că ambele substanțe eliberează o cantitate egală de dioxid de carbon pe gram. În 1779, Carl Wilhelm Scheele a arătat că grafitul, considerat a fi o formă de plumb, era în schimb identic cu cărbunele, dar cu o cantitate mică de fier și că producea „acid din aer” (care este dioxid de carbon) atunci când este oxidat cu acid azotic. . În 1786, oamenii de știință francezi Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge și C. A. Vandermonde au confirmat că grafitul este în esență carbon, oxidându-l în oxigen în aproape același mod în care Lavoisier a făcut cu diamantul. A rămas din nou puțin fier, care, potrivit oamenilor de știință francezi, era necesar pentru structura grafitului. În publicația lor, ei au propus denumirea de carbone (latina pentru carbonum) pentru un element din grafit care a fost eliberat ca gaz atunci când grafitul a fost ars. Antoine Lavoisier a enumerat apoi carbonul ca element în manualul său din 1789. Un nou alotrop de carbon, fullerena, care a fost descoperit în 1985, include forme nanostructurate, cum ar fi buckyballs și nanotuburi. Descoperitorii lor - Robert Curl, Harold Kroto și Richard Smalley - au primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1996. Interesul reînnoit care rezultă pentru noi forme duce la descoperirea unor alotropi exotici suplimentari, inclusiv carbonul sticlos, și la realizarea că „carbonul amorf” nu este strict amorf.

Productie

Grafit

Depozitele de grafit natural viabile comercial apar în multe părți ale lumii, dar cele mai importante surse din punct de vedere economic sunt în China, India, Brazilia și Coreea de Nord. Depozitele de grafit sunt de origine metamorfică, găsite în asociere cu cuarț, mica și feldspați în șisturi, gneisuri și gresii și calcare metamorfozate sub formă de lentile sau vene, uneori groase de câțiva metri sau mai mult. Stocurile de grafit de la Borrowdale, Cumberland, Anglia erau la început de dimensiuni și puritate suficiente încât până în secolul al XIX-lea creioanele erau făcute pur și simplu prin tăierea blocurilor de grafit natural în benzi înainte de a lipi fâșiile în lemn. Astăzi, depozitele mai mici de grafit sunt obținute prin zdrobirea rocii-mamă și prin plutirea grafitului mai ușor pe apă. Există trei tipuri de grafit natural - amorf, fulgi sau cristalin. Grafitul amorf este de cea mai slabă calitate și este cel mai comun. Spre deosebire de știință, în industrie „amorf” se referă la o dimensiune foarte mică a cristalului, mai degrabă decât la o lipsă completă a structurii cristaline. Cuvântul „amorf” este folosit pentru a se referi la produse cu o cantitate mică de grafit și este cel mai ieftin grafit. Depozite mari de grafit amorf se găsesc în China, Europa, Mexic și SUA. Grafitul planar este mai puțin comun și de calitate superioară decât amorful; arată ca niște plăci separate care se cristalizează în roci metamorfice. Prețul grafitului granular poate fi de patru ori mai mare decât prețul amorfului. Grafitul în fulgi de bună calitate poate fi procesat în grafit expandabil pentru multe aplicații, cum ar fi retardanții de flacără. Depozitele primare de grafit se găsesc în Austria, Brazilia, Canada, China, Germania și Madagascar. Grafitul lichid sau bulgăre este cel mai rar, mai valoros și de cea mai bună calitate tip de grafit natural. Se găsește în vene de-a lungul contactelor intruzive în bulgări tari și este extras comercial numai în Sri Lanka. Potrivit USGS, producția globală de grafit natural în 2010 a fost de 1,1 milioane de tone, China producând 800.000 de tone, India 130.000 de tone, Brazilia 76.000 de tone, Coreea de Nord 30.000 de tone și Canada, 25.000 de tone. Statelor Unite, dar 118.000 de tone de grafit sintetic au fost extrase în 2009 la un cost estimat de 998 de milioane de dolari.

Diamant

Aprovizionarea cu diamante este controlată de un număr limitat de întreprinderi și este, de asemenea, foarte concentrată într-un număr mic de locații din întreaga lume. Doar o proporție foarte mică de minereu de diamant este alcătuită din diamante reale. Minereul este zdrobit, timp în care trebuie avută grijă pentru a preveni distrugerea diamantelor mari în acest proces, iar apoi particulele sunt sortate după densitate. Astăzi, diamantele sunt extrase în fracțiunea bogată în diamante folosind fluorescența cu raze X, după care etapele finale de sortare sunt efectuate manual. Înainte de răspândirea utilizării razelor X, separarea a fost efectuată folosind benzi lubrifiante; se știe că diamantele au fost găsite doar în depozitele aluvionare din sudul Indiei. Se știe că diamantele sunt mai probabil să se lipească de masă decât alte minerale din minereu. India a fost lider în producția de diamante de la descoperirea lor în jurul secolului al IX-lea î.Hr. până la mijlocul secolului al XVIII-lea d.Hr., dar potențialul comercial al acestor surse a fost epuizat până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, moment în care India a fost inundată de Brazilia, unde au fost găsite primele diamante, în 1725. Producția de diamante a zăcămintelor primare (kimberlite și lamproite) a început abia în anii 1870, după descoperirea zăcămintelor de diamante în Africa de Sud. Producția de diamante a crescut de-a lungul timpului, cu doar 4,5 miliarde de carate acumulate de la acea dată. Aproximativ 20% din această cantitate a fost extrasă numai în ultimii 5 ani, iar în ultimii zece ani au început producția 9 noi zăcăminte, iar alte 4 așteaptă să fie descoperite în curând. Cele mai multe dintre aceste zăcăminte sunt situate în Canada, Zimbabwe, Angola și unul în Rusia. În Statele Unite, au fost descoperite diamante în Arkansas, Colorado și Montana. În 2004, o descoperire uimitoare a unui diamant microscopic în Statele Unite a dus la lansarea, în ianuarie 2008, a unei probe în masă de țevi de kimberlit într-o parte îndepărtată a Montanei. Astăzi, majoritatea zăcămintelor de diamante viabile comercial se află în Rusia, Botswana, Australia și Republica Democrată Congo. În 2005, Rusia a produs aproape o cincime din aprovizionarea mondială cu diamante, potrivit British Geological Survey. În Australia, cea mai bogată țeavă diamantată a atins niveluri de vârf de producție de 42 de tone metrice (41 de tone, 46 de tone scurte) pe an în anii 1990. Există, de asemenea, zăcăminte comerciale, care sunt exploatate activ în Teritoriile de Nord-Vest ale Canadei, Siberia (în principal în Yakutia, de exemplu, în conducta Mir și în conducta Udachnaya), în Brazilia, precum și în Australia de Nord și de Vest.

Aplicații

Carbonul este esențial pentru toate sistemele vii cunoscute. Fără el, viața așa cum o știm nu poate exista. Principalele utilizări economice ale carbonului, altele decât alimentele și lemnul, sunt hidrocarburile, în principal combustibilii fosili, gazul metan și țițeiul. Țițeiul este procesat de rafinării pentru a produce benzină, kerosen și alte produse. Celuloza este un polimer natural care conține carbon produs de plante sub formă de lemn, bumbac, in și cânepă. Celuloza este folosită în principal pentru a menține structura plantelor. Polimerii de carbon de origine animală valoroși din punct de vedere comercial includ lâna, cașmirul și mătasea. Materialele plastice sunt fabricate din polimeri sintetici de carbon, adesea cu atomi de oxigen și azot încorporați la intervale regulate în coloana vertebrală a polimerului. Materia primă pentru multe dintre aceste materiale sintetice provine din țiței. Utilizarea carbonului și a compușilor săi este extrem de diversă. Carbonul poate forma aliaje cu fierul, dintre care cel mai comun este oțelul carbon. Grafitul se combină cu argile pentru a forma „plumbul” folosit în creioanele folosite pentru scris și desen. De asemenea, este folosit ca lubrifiant și pigment ca material de turnare în fabricarea sticlei, în electrozi pentru baterii uscate și galvanizare și electroformare, în perii pentru motoare electrice și ca moderator de neutroni în reactoare nucleare. Cărbunele este folosit ca material pentru realizarea de artă, ca grătar pentru grătar, pentru topirea fierului și pentru multe alte utilizări. Lemnul, cărbunele și petrolul sunt folosite drept combustibil pentru producerea de energie și pentru încălzire. Diamantele de înaltă calitate sunt folosite în fabricarea de bijuterii, în timp ce diamantele industriale sunt folosite pentru găurirea, tăierea și lustruirea uneltelor de prelucrare a metalelor și a pietrei. Materialele plastice sunt fabricate din hidrocarburi fosile, iar fibra de carbon, obținută din piroliza fibrelor sintetice de poliester, este folosită pentru a consolida materialele plastice în materiale compozite avansate, ușoare. Fibra de carbon este realizată prin pirolizarea filamentelor extrudate și întinse de poliacrilonitril (PAN) și alte materiale organice. Structura cristalină și proprietățile mecanice ale fibrei depind de tipul de material inițial și de prelucrarea ulterioară. Fibrele de carbon fabricate din PAN au o structură asemănătoare cu filamente înguste de grafit, dar tratamentul termic poate reordona structura într-o foaie continuă. Ca urmare, fibrele au o rezistență specifică la tracțiune mai mare decât oțelul. Negrul de fum este folosit ca pigment negru în cernelurile de imprimare, vopselele în ulei și acuarelele artiștilor, hârtia carbon, ornamentele pentru automobile, cernelurile și imprimantele laser. Negrul de fum este, de asemenea, folosit ca umplutură în produsele din cauciuc, cum ar fi anvelopele și în compușii din plastic. Cărbunele activat este folosit ca absorbant și adsorbant în mediile de filtrare în aplicații atât de diverse, cum ar fi măștile de gaz, tratarea apei și hotele de gătit și în medicină pentru a absorbi toxinele, otrăvurile sau gazele din sistemul digestiv. Carbonul este utilizat în reducerea chimică la temperaturi ridicate. Cocs este folosit pentru a reduce minereul de fier în fier (topire). Solidificarea oțelului se realizează prin încălzirea componentelor din oțel finite în pulbere de carbon. Siliciul, tungstenul, borul și carburile de titan sunt printre cele mai dure materiale și sunt folosite ca abrazivi de tăiere și șlefuire. Compușii de carbon alcătuiesc majoritatea materialelor utilizate în îmbrăcăminte, cum ar fi textile naturale și sintetice și piele, și aproape toate suprafețele interioare în alte medii decât sticlă, piatră și metal.

diamante

Industria diamantelor este împărțită în două categorii, una este diamante de înaltă calitate (gemuri) și cealaltă este diamante de calitate industrială. Deși există o mulțime de tranzacții cu ambele tipuri de diamante, cele două piețe funcționează destul de diferit. Spre deosebire de metalele prețioase precum aurul sau platina, diamantele cu pietre prețioase nu sunt comercializate ca marfă: există un markup substanțial la vânzarea diamantelor, iar piața de revânzare a diamantelor nu este foarte activă. Diamantele industriale sunt apreciate în principal pentru duritatea lor și conductivitatea termică, în timp ce calitățile gemologice de claritate și culoare sunt în mare parte irelevante. Aproximativ 80% din diamantele extrase (echivalent cu aproximativ 100 de milioane de carate sau 20 de tone pe an) sunt inutilizabile și sunt folosite în industrie (deșeuri de diamante). Diamantele sintetice, inventate în anii 1950, și-au găsit aplicații industriale aproape imediat; 3 miliarde de carate (600 de tone) de diamante sintetice sunt produse anual. Utilizarea industrială dominantă a diamantului este tăierea, găurirea, șlefuirea și lustruirea. Majoritatea acestor aplicații nu necesită diamante mari; de fapt, majoritatea diamantelor de calitate prețioasă, cu excepția diamantelor de dimensiuni mici, pot fi folosite în industrie. Diamantele sunt introduse în vârfuri de foraj sau pânze de ferăstrău sau măcinate într-o pulbere pentru a fi utilizate la șlefuire și lustruire. Aplicațiile specializate includ utilizarea în laboratoare ca depozitare pentru experimente de înaltă presiune, rulmenți de înaltă performanță și utilizarea limitată în ferestre specializate. Datorită progreselor în producția de diamante sintetice, noi aplicații devin fezabile. S-a acordat multă atenție posibilei utilizări a diamantului ca semiconductor potrivit pentru microcipuri și datorită conductivității sale termice excepționale ca radiator în electronice.