الكيمياء العضوية هي كيمياء ذرة الكربون. رقم مركبات العضويةعشرات المرات أكثر من تلك غير العضوية، والتي لا يمكن تفسيرها إلا خصائص ذرة الكربون :

أ) هو فيه منتصف مقياس السالبية الكهربية والفترة الثانية فلا ينفعه أن يتخلى عن إلكتروناته ويقبل إلكترونات الآخرين ويكتسب شحنة موجبة أو سالبة ؛

ب) هيكل خاص من قذيفة الإلكترون - لا أزواج الإلكترونوالمدارات الحرة (لا يوجد سوى ذرة واحدة أخرى ذات بنية مماثلة - الهيدروجين، وربما يكون هذا هو السبب وراء تكوين الكربون والهيدروجين للعديد من المركبات - الهيدروكربونات).

التركيب الالكتروني لذرة الكربون

ج - 1s 2 2s 2 2p 2 أو 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

في شكل رسومي:

تحتوي ذرة الكربون في الحالة المثارة على الصيغة الإلكترونية التالية:

*C - 1s 2 2s 1 2p 3 أو 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

على شكل خلايا:

شكل المدارات s و p

المدار الذري - منطقة الفضاء التي من المرجح أن يوجد فيها الإلكترون، مع أرقام الكم المقابلة.

إنها "خريطة كفافية" للإلكترون ثلاثية الأبعاد تحدد فيها الدالة الموجية الاحتمال النسبي للعثور على إلكترون عند تلك النقطة المحددة في المدار.

تزداد الأحجام النسبية للمدارات الذرية مع زيادة طاقتها ( عدد الكم الرئيسي- n)، ويتم تحديد شكلها واتجاهها في الفضاء بواسطة أرقام الكم l وm. تتميز الإلكترونات الموجودة في المدارات بعدد كمي مغزلي. لا يمكن أن يحتوي كل مدار على أكثر من إلكترونين مع دوران معاكس.

عند تكوين روابط مع ذرات أخرى، تقوم ذرة الكربون بتحويل غلافها الإلكتروني بحيث تتشكل أقوى الروابط، وبالتالي يتم إطلاق أكبر قدر ممكن من الطاقة، ويكتسب النظام أكبر قدر من الاستقرار.

يتطلب تغيير الغلاف الإلكتروني للذرة طاقة، والتي يتم تعويضها بعد ذلك بتكوين روابط أقوى.

يمكن أن يكون تحويل الغلاف الإلكتروني (التهجين) بشكل أساسي من ثلاثة أنواع، اعتمادًا على عدد الذرات التي تشكل معها ذرة الكربون روابط.

أنواع التهجين:

sp 3 – تشكل الذرة روابط مع 4 ذرات مجاورة (تهجين رباعي السطوح):

الصيغة الإلكترونية لـ sp3 – ذرة الكربون الهجينة:

* С –1s 2 2(sp 3) 4 على شكل خلايا

زاوية الرابطة بين المدارات الهجينة هي ~ 109 درجة.

الصيغة الكيميائية المجسمة لذرة الكربون:

sp 2 – التهجين ( حالة التكافؤ) – تشكل الذرة روابط مع ثلاث ذرات مجاورة (التهجين الثلاثي):

الصيغة الإلكترونية لـ sp2 – ذرة الكربون الهجينة:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 على شكل خلايا

زاوية الرابطة بين المدارات الهجينة هي ~ 120 درجة.

الصيغة الكيميائية المجسمة لـ sp2 - ذرة الكربون الهجينة:

sp– التهجين (حالة التكافؤ) - تشكل الذرة روابط مع ذرتين مجاورتين (تهجين خطي):

الصيغة الإلكترونية لذرة الكربون sp – الهجين:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 على شكل خلايا

زاوية الرابطة بين المدارات الهجينة هي ~ 180 درجة.

الصيغة الكيميائية المجسمة:

ويشارك المدار s في جميع أنواع التهجين، لأنه لديها الحد الأدنى من الطاقة.

تسمح إعادة هيكلة السحابة الإلكترونية بتكوين أقوى الروابط الممكنة والحد الأدنى من تفاعل الذرات في الجزيء الناتج. حيث قد لا تكون المدارات الهجينة متطابقة، ولكن زوايا الرابطة قد تكون مختلفة، على سبيل المثال CH 2 Cl 2 وCCl 4

2. الروابط التساهمية في مركبات الكربون

الروابط التساهمية خواصها وطرق وأسباب تكوينها – المنهج المدرسي.

دعني أذكرك فقط:

1. الاتصالات التعليمية يمكن اعتبار العلاقة بين الذرات نتيجة لتداخل مداراتها الذرية، وكلما كانت أكثر فعالية (كلما زاد تكامل التداخل)، كلما كانت الرابطة أقوى.

وفقا للبيانات المحسوبة، فإن كفاءة التداخل النسبي للمدارات الذرية S rel تزداد على النحو التالي:

ولذلك، فإن استخدام المدارات الهجينة، مثل مدارات الكربون sp3، لتكوين روابط مع أربع ذرات هيدروجين يؤدي إلى روابط أقوى.

2. تتشكل الروابط التساهمية في مركبات الكربون بطريقتين:

أ)إذا تداخل مداران ذريان على طول محوريهما الرئيسيين، تسمى الرابطة الناتجة - σ السند.

الهندسة.وهكذا، عندما تتشكل روابط مع ذرات الهيدروجين في الميثان، تتداخل أربع مدارات هجينة sp 3 ~ لذرة الكربون مع مدارات s لأربع ذرات هيدروجين، لتشكل أربع روابط σ قوية متطابقة تقع بزاوية 109°28" لكل منهما أخرى (زاوية رباعي السطوح القياسية) ينشأ أيضًا هيكل رباعي السطوح مماثل ومتماثل تمامًا، على سبيل المثال، أثناء تكوين CCl 4؛ إذا كانت الذرات التي تشكل روابط مع الكربون غير متساوية، على سبيل المثال في حالة CH 2 C1 2، فإن البنية المكانية سوف تكون تختلف إلى حد ما عن المتناظرة تمامًا، على الرغم من أنها تظل في الأساس رباعية السطوح.

σ طول الرابطةبين ذرات الكربون يعتمد على تهجين الذرات ويتناقص أثناء الانتقال من sp3 - تهجين إلى sp. ويفسر ذلك أن مدار s أقرب إلى النواة من مدار p، وبالتالي كلما زادت حصته في المدار الهجين كلما كان أقصر، وبالتالي تكون الرابطة المتكونة أقصر

ب) إذا كانت ذريتين ص - تقوم المدارات المتوازية مع بعضها البعض بتداخل جانبي فوق وتحت المستوى الذي توجد فيه الذرات ثم تسمى الرابطة الناتجة - π (باي) -تواصل

التداخل الجانبيالمدارات الذرية أقل كفاءة من التداخل على طول المحور الرئيسي، لذلك π - الاتصالات أقل قوة من σ - روابط. ويتجلى ذلك، على وجه الخصوص، في حقيقة أن طاقة رابطة الكربون المزدوجة أقل من ضعف طاقة الرابطة الواحدة. وبالتالي، فإن طاقة الرابطة CC في الإيثان هي 347 كيلوجول/مول، في حين أن طاقة الرابطة C = C في الإيثين هي 598 كيلوجول/مول فقط، وليس ~ 700 كيلوجول/مول.

درجة التداخل الجانبي لاثنين من المدارات الذرية 2p ، وبالتالي القوة π -تكون الروابط أعظمية إذا كانت هناك ذرتان كربون وأربع ذرات مرتبطة بهما تقع الذرات بدقة في مستوى واحد، أي إذا كانوا متحد المستوى ، لأنه في هذه الحالة فقط تكون المدارات الذرية 2p متوازية تمامًا مع بعضها البعض وبالتالي فهي قادرة على تحقيق أقصى قدر من التداخل. أي انحراف عن الحالة المستوية بسبب الدوران حولها σ -الرابطة التي تربط ذرتي الكربون ستؤدي إلى انخفاض في درجة التداخل وبالتالي إلى انخفاض القوة π -الرابطة، مما يساعد على الحفاظ على استواء الجزيء.

دورانحول رابطة مزدوجة بين الكربون والكربون غير ممكن.

توزيع π - الإلكترونات الموجودة فوق وتحت مستوى الجزيء تعني الوجود مناطق الشحنة السالبة، جاهز للتفاعل مع أي كواشف تعاني من نقص الإلكترون.

ذرات الأكسجين والنيتروجين وما إلى ذلك لها أيضًا حالات تكافؤ مختلفة (تهجين)، ويمكن أن تكون أزواج الإلكترونات الخاصة بها في مدارات هجينة ومدارات p.

كربون، ج، عنصر كيميائي من المجموعة الرابعة من الجدول الدوري، وزنه الذري 12.00، رقم سري 6. حتى وقت قريب، كان يعتبر الكربون ليس له نظائر؛ وفي الآونة الأخيرة فقط أصبح من الممكن، باستخدام طرق حساسة بشكل خاص، اكتشاف وجود نظير C13. الكربون هو أحد العناصر الأساسيةمن خلال انتشاره، من خلال وفرة وتنوع مركباته، من خلال أهميته البيولوجية (كمولد عضوي)، من خلال الاستخدام التقني المكثف للكربون نفسه ومركباته (كمواد خام وكمصدر للطاقة للاحتياجات الصناعية والمنزلية) وأخيرا من خلال دورها في تطوير العلوم الكيميائية. يُظهر الكربون في الحالة الحرة ظاهرة تآصلية واضحة، معروفة منذ أكثر من قرن ونصف، لكنها لم تتم دراستها بشكل كامل بعد، وذلك بسبب الصعوبة البالغة في الحصول على الكربون في شكل نقي كيميائيًا، ولأن معظم ثوابت تختلف التعديلات المتآصلة للكربون بشكل كبير اعتمادًا على السمات المورفولوجية لبنيتها، والتي تحددها طريقة وظروف الإنتاج.

يشكل الكربون شكلين بلوريين - الماس والجرافيت ويعرف أيضًا في الحالة غير المتبلورة على شكل ما يسمى. الفحم غير المتبلور. تم التنازع على هوية الأخير نتيجة لأبحاث حديثة: تم التعرف على الفحم مع الجرافيت، مع الأخذ في الاعتبار أن كليهما أصناف مورفولوجية من نفس الشكل - "الكربون الأسود"، وتم تفسير الفرق في خصائصهما. الهيكل الماديودرجة تشتت المادة. ومع ذلك، في غاية مؤخراتم الحصول على حقائق تؤكد وجود الفحم كشكل متآصل خاص (انظر أدناه).

المصادر الطبيعية ومخزونات الكربون. ومن حيث الانتشار في الطبيعة، يحتل الكربون المرتبة العاشرة بين العناصر، إذ يشكل 0.013% من الغلاف الجوي، و0.0025% من الغلاف المائي، وحوالي 0.35% من كتلة القشرة الأرضية الكلية. يوجد معظم الكربون على شكل مركبات الأكسجين: يحتوي الهواء الجوي على حوالي 800 مليار طن من الكربون على شكل ثاني أكسيد الكربون؛ في مياه المحيطات والبحار - ما يصل إلى 50.000 مليار طن من الكربون على شكل ثاني أكسيد الكربون وأيونات حمض الكربونيك والبيكربونات؛ في الصخور - الكربونات غير القابلة للذوبان (الكالسيوم والمغنيسيوم والمعادن الأخرى)، وحصة كربونات الكالسيوم 3 وحدها تمثل ~160·106 مليار طن من الكربون. لكن هذه الاحتياطيات الهائلة لا تمثل أي قيمة للطاقة؛ والأكثر قيمة هي المواد الكربونية القابلة للاحتراق - الفحم الأحفوري، والجفت، ثم النفط والغازات الهيدروكربونية وغيرها من البيتومين الطبيعي. كما أن احتياطي هذه المواد في القشرة الأرضية كبير جدًا أيضًا: تصل الكتلة الإجمالية للكربون في الفحم الأحفوري إلى 6000 مليار طن تقريبًا، وفي النفط إلى 10 مليارات طن، وما إلى ذلك. وفي الحالة الحرة، يكون الكربون نادرًا جدًا (الماس وأجزاء منه) من مادة الجرافيت). يحتوي الفحم الأحفوري على كربون حر تقريبًا أو لا يحتوي عليه مطلقًا: فهو يتكون من الفصل. وصول. لم تتم دراسة المركبات ذات الوزن الجزيئي العالي (متعدد الحلقات) والمركبات المستقرة جدًا من الكربون مع عناصر أخرى (H، O، N، S) إلا بشكل قليل جدًا. مركبات الكربون ذات الطبيعة الحية (المحيط الحيوي الكرة الأرضية) ، يتم تصنيعها في الخلايا النباتية والحيوانية، وتتميز بتنوع كبير في الخصائص وكميات التركيب؛ تلعب المواد الأكثر شيوعًا في عالم النبات - الألياف واللجنين - دورًا أيضًا كموارد للطاقة. يحافظ الكربون على توزيع ثابت في الطبيعة بفضل دورة مستمرة، تتكون دورتها من تخليق المواد العضوية المعقدة في الخلايا النباتية والحيوانية والتفكيك العكسي لهذه المواد أثناء تحللها التأكسدي (الاحتراق، الاضمحلال، التنفس)، مما يؤدي إلى لتكوين ثاني أكسيد الكربون الذي يستخدم مرة أخرى في النباتات للتوليف. المخطط العام لهذه الدورة يمكن أن يكون المقدمة في النموذج التالي:

إنتاج الكربون. المركبات الكربونية ذات الأصل النباتي والحيواني غير مستقرة عند درجات حرارة عالية، وعندما يتم تسخينها إلى ما لا يقل عن 150-400 درجة مئوية دون الوصول إلى الهواء، فإنها تتحلل وتطلق الماء ومركبات الكربون المتطايرة وتترك بقايا صلبة غير متطايرة غنية بالكربون وعادة ما تكون يسمى الفحم. تسمى عملية التحليل الحراري هذه بالتفحيم، أو التقطير الجاف، وتستخدم على نطاق واسع في التكنولوجيا. يؤدي الانحلال الحراري عالي الحرارة للفحم الأحفوري والزيت والجفت (عند درجة حرارة 450-1150 درجة مئوية) إلى إطلاق الكربون في شكل الجرافيت (فحم الكوك والفحم المعوج). كلما ارتفعت درجة حرارة تفحم المواد الأولية، كلما كان الفحم أو فحم الكوك الناتج أقرب إلى تحرير الكربون في التركيب والجرافيت في الخصائص.

أما الفحم غير المتبلور، الذي يتشكل عند درجات حرارة أقل من 800 درجة مئوية، فلا يمكنه ذلك. ونحن نعتبره كربونا حرا، لأنه يحتوي على كميات كبيرة من العناصر الأخرى المرتبطة كيميائيا، Ch. وصول. الهيدروجين والأكسجين. من بين المنتجات التقنية، فإن الخصائص هي الأقرب إلى الفحم غير المتبلور كربون مفعلوالسخام. قد يكون أنقى الفحم يتم الحصول عليه عن طريق تفحم السكر النقي أو البيبرونال، والمعالجة الخاصة لسخام الغاز، وما إلى ذلك. الجرافيت الاصطناعي، الذي يتم الحصول عليه بالوسائل الكهروحرارية، يكاد يكون من الكربون النقي في تكوينه. يكون الجرافيت الطبيعي ملوثًا دائمًا بالشوائب المعدنية ويحتوي أيضًا على كمية معينة من الهيدروجين المرتبط (H) والأكسجين (O)؛ في حالة نقية نسبيا قد يكون ذلك. يتم الحصول عليها فقط بعد عدد من المعالجات الخاصة: التخصيب الميكانيكي، والغسيل، والمعالجة بالعوامل المؤكسدة والتكليس درجة حرارة عاليةحتى تتم إزالة المواد المتطايرة بالكامل. في تكنولوجيا الكربون، لا يتعامل المرء أبدًا مع الكربون النقي تمامًا؛ وهذا لا ينطبق فقط على المواد الخام الكربونية الطبيعية، ولكن أيضًا على منتجات إثرائها وترقيتها وتحللها الحراري (الانحلال الحراري). فيما يلي محتوى الكربون لبعض المواد الكربونية (بالنسبة المئوية):

الخصائص الفيزيائية للكربون. الكربون الحر غير قابل للانصهار تمامًا تقريبًا، وغير متطاير، وفي درجات الحرارة العادية غير قابل للذوبان في أي من المذيبات المعروفة. يذوب فقط في بعض المعادن المنصهرة، خاصة عند درجات حرارة تقترب من نقطة غليان الأخير: في الحديد (حتى 5٪)، الفضة (حتى 6٪) | الروثينيوم (ما يصل إلى 4٪) والكوبالت والنيكل والذهب والبلاتين. وفي غياب الأكسجين، يعتبر الكربون المادة الأكثر مقاومة للحرارة؛ الحالة السائلةلأن الكربون النقي غير معروف، ولا يبدأ تحوله إلى بخار إلا عند درجات حرارة أعلى من 3000 درجة مئوية. لذلك، تم تحديد خصائص الكربون حصريًا لحالة التجميع الصلبة. من بين تعديلات الكربون، يتمتع الماس بالخصائص الفيزيائية الأكثر ثباتًا؛ تختلف خصائص الجرافيت في عيناته المختلفة (حتى أنقىها) بشكل كبير؛ خصائص الفحم غير المتبلور هي أكثر تغيرا. تتم مقارنة أهم الثوابت الفيزيائية لتعديلات الكربون المختلفة في الجدول.

يعتبر الماس مادة عازلة نموذجية، في حين أن الجرافيت والكربون لهما موصلية كهربائية معدنية. من حيث القيمة المطلقة، تختلف موصليتها على نطاق واسع جدًا، ولكن بالنسبة للفحم فهي دائمًا أقل من الجرافيت؛ في الجرافيت، الموصلية الكهربائية للمعادن الحقيقية تقترب. تميل السعة الحرارية لجميع تعديلات الكربون عند درجات حرارة> 1000 درجة مئوية إلى قيمة ثابتة تبلغ 0.47. عند درجات حرارة أقل من -180 درجة مئوية، تصبح السعة الحرارية للماس صغيرة جدًا، وعند -27 درجة مئوية تصبح صفرًا عمليًا.

الخواص الكيميائية للكربون. عند تسخينه فوق 1000 درجة مئوية، يتحول كل من الماس والفحم تدريجيًا إلى الجرافيت، والذي ينبغي اعتباره بالتالي الشكل الأكثر استقرارًا (في درجات الحرارة المرتفعة) للكربون أحادي الاتجاه. يبدو أن تحويل الفحم غير المتبلور إلى الجرافيت يبدأ عند درجة حرارة 800 درجة مئوية تقريبًا وينتهي عند 1100 درجة مئوية (عند هذه النقطة الأخيرة، يفقد الفحم نشاط الامتزاز وقدرته على إعادة التنشيط، وتزداد موصليته الكهربائية بشكل حاد، ويظل ثابتًا تقريبًا في المستقبل). يتميز الكربون الحر بالخمول في درجات الحرارة العادية ونشاط كبير في درجات الحرارة المرتفعة. الفحم غير المتبلور هو الأكثر نشاطا كيميائيا، في حين أن الماس هو الأكثر مقاومة. على سبيل المثال، يتفاعل الفلور مع الفحم عند درجة حرارة 15 درجة مئوية، ومع الجرافيت فقط عند 500 درجة مئوية، ومع الماس عند 700 درجة مئوية. عند تسخينه في الهواء، يبدأ الفحم المسامي في التأكسد عند درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية، والجرافيت عند حوالي 650 درجة مئوية، والماس عند درجة حرارة أعلى من 800 درجة مئوية. عند درجات حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية وما فوق، يتحد الفحم مع الكبريت لتكوين ثاني كبريتيد الكربون CS 2. عند درجات حرارة أعلى من 1800 درجة مئوية، يبدأ الكربون (الفحم) بالتفاعل مع النيتروجين، مكونًا (بكميات صغيرة) السيانوجين C 2 N 2. يبدأ تفاعل الكربون مع الهيدروجين عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية، وفي نطاق درجة الحرارة 1200-1500 درجة مئوية يتكون فقط غاز الميثان CH 4؛ فوق 1500 درجة مئوية - خليط من الميثان والإيثيلين (C2H4) والأسيتيلين (C2H2)؛ عند درجات حرارة تصل إلى 3000 درجة مئوية يتم الحصول على الأسيتيلين بشكل حصري تقريبًا. عند درجة حرارة القوس الكهربائي، يدخل الكربون في اتحاد مباشر مع المعادن والسيليكون والبورون، مكونًا الكربيدات المقابلة. قد تكون هناك طرق مباشرة أو غير مباشرة. تم الحصول على مركبات الكربون مع جميع العناصر المعروفة ما عدا غازات المجموعة الصفرية. الكربون هو عنصر غير معدني يظهر بعض علامات الامفوتريتي. يبلغ قطر ذرة الكربون 1.50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 سم) وتحتوي في المجال الخارجي على 4 إلكترونات تكافؤ، والتي يمكن التخلص منها بسهولة أو إضافتها إلى 8؛ ولذلك، فإن التكافؤ الطبيعي للكربون، الأكسجين والهيدروجين، هو أربعة. في الغالبية العظمى من مركباته، يكون الكربون رباعي التكافؤ؛ لا يُعرف سوى عدد قليل من مركبات الكربون ثنائي التكافؤ (أول أكسيد الكربون وأسيتالاته، والإيزونيتريل، وحمض الفلمينات وأملاحه) والكربون ثلاثي التكافؤ (ما يسمى "الجذور الحرة").

مع الأكسجين، يشكل الكربون أكسيدين عاديين: ثاني أكسيد الكربون الحمضي CO 2 وأول أكسيد الكربون المحايد CO. وبالإضافة إلى ذلك، هناك عدد أكسيدات الكربونتحتوي على أكثر من ذرة C واحدة وليس لها أي أهمية فنية؛ وأشهرها هو الأكسيد الفرعي ذو التركيبة C 3 O 2 (غاز ذو نقطة غليان +7 درجة مئوية ونقطة انصهار -111 درجة مئوية). الناتج الأول لاحتراق الكربون ومركباته هو ثاني أكسيد الكربون، ويتكون حسب المعادلة:

C+O2 = CO2 +97600 كالوري.

إن تكوين ثاني أكسيد الكربون أثناء الاحتراق غير الكامل للوقود هو نتيجة لعملية اختزال ثانوية؛ وعامل الاختزال في هذه الحالة هو الكربون نفسه، والذي عند درجات حرارة أعلى من 450 درجة مئوية يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون وفقا للمعادلة:

CO 2 +C = 2СО -38800 كال؛

رد الفعل هذا قابل للعكس. ففوق 950 درجة مئوية، يصبح تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون مكتملًا تقريبًا، ويتم ذلك في أفران توليد الغاز. تُستخدم أيضًا قدرة الكربون النشطة على الاختزال عند درجات الحرارة المرتفعة في إنتاج غاز الماء (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) وفي العمليات المعدنية للحصول على المعدن الحر من أكسيده. تتفاعل أشكال الكربون المتآصلة بشكل مختلف مع عمل بعض العوامل المؤكسدة: على سبيل المثال، ليس لخليط KCIO 3 + HNO 3 أي تأثير على الماس على الإطلاق، ويتأكسد الفحم غير المتبلور تمامًا إلى ثاني أكسيد الكربون، بينما ينتج الجرافيت مركبات عطرية - أحماض الجرافيت. بالصيغة التجريبية (C2OH)x فصاعداً حمض الميلتيكج6 (كوه)6 . مركبات الكربون مع الهيدروجين - الهيدروكربونات - كثيرة للغاية؛ منها، يتم إنتاج معظم المركبات العضوية الأخرى وراثيا، والتي، بالإضافة إلى الكربون، غالبا ما تشمل H، O، N، S والهالوجينات.

إن التنوع الاستثنائي للمركبات العضوية، والتي يُعرف منها ما يصل إلى 2 مليون، يرجع إلى خصائص معينة للكربون كعنصر. 1) يتميز الكربون برابطة كيميائية قوية مع معظم العناصر الأخرى سواء المعدنية أو غير المعدنية، مما يشكل مركبات مستقرة إلى حد ما مع كليهما. عندما يتحد مع عناصر أخرى، يكون للكربون ميل قليل جدًا لتكوين الأيونات. معظم المركبات العضوية هي من النوع المثلي القطب ولا تنفصل في الظروف العادية؛ غالبًا ما يتطلب كسر الروابط الجزيئية فيها إنفاق كمية كبيرة من الطاقة. ومع ذلك، عند الحكم على قوة الروابط، ينبغي التمييز؛ أ) قوة الرابطة المطلقة، مقاسة كيميائيًا حراريًا، و ب) قدرة الرابطة على الانكسار تحت تأثير الكواشف المختلفة؛ هاتين الخاصيتين لا تتطابقان دائمًا. 2) تترابط ذرات الكربون مع بعضها البعض بسهولة استثنائية (غير قطبية) لتشكل سلاسل كربونية مفتوحة أو مغلقة. ويبدو أن طول هذه السلاسل لا يخضع لأية قيود؛ وبالتالي، فإن الجزيئات المستقرة تمامًا ذات السلاسل المفتوحة المكونة من 64 ذرة كربون معروفة. ولا يؤثر تطويل السلاسل المفتوحة وتعقيدها على قوة اتصال روابطها مع بعضها البعض أو مع العناصر الأخرى. من بين السلاسل المغلقة، تتشكل الحلقات المكونة من 6 و 5 أعضاء بسهولة أكبر، على الرغم من أن السلاسل الحلقية التي تحتوي على من 3 إلى 18 ذرة كربون معروفة. إن قدرة ذرات الكربون على الترابط بشكل جيد تفسر الخصائص الخاصة للجرافيت وآلية عمليات التفحم؛ كما أنه يوضح حقيقة أن الكربون غير معروف في شكل جزيئات ثنائية الذرة C 2، والتي يمكن توقعها عن طريق القياس مع العناصر غير المعدنية الخفيفة الأخرى (في شكل بخار، يتكون الكربون من جزيئات أحادية الذرة). 3) نظرًا للطبيعة غير القطبية للروابط، فإن العديد من مركبات الكربون لها خمول كيميائي ليس فقط خارجيًا (بطء التفاعل)، ولكن أيضًا داخليًا (صعوبة إعادة الترتيب داخل الجزيئات). إن وجود "مقاومات سلبية" كبيرة يؤدي إلى تعقيد كبير للتحول التلقائي للأشكال غير المستقرة إلى أشكال مستقرة، وغالبًا ما يقلل معدل هذا التحول إلى الصفر. والنتيجة هي إمكانية التنفيذ عدد كبيرأشكال متصاوغة، مستقرة تقريبًا في درجات الحرارة العادية.

الخواص والتركيب الذري للكربون. جعل تحليل الأشعة السينية من الممكن تحديد التركيب الذري للماس والجرافيت بشكل موثوق. تلقي نفس طريقة البحث الضوء على مسألة وجود تعديل تآصل ثالث للكربون، وهو في الأساس سؤال حول عدم شكل الفحم أو تبلوره: إذا كان الفحم تكوينًا غير متبلور، فلا يمكن ذلك. لا يمكن التعرف عليه بالجرافيت ولا بالماس، ولكن يجب اعتباره شكلاً خاصًا من الكربون، كمادة فردية بسيطة. في الماس، يتم ترتيب ذرات الكربون بحيث تقع كل ذرة في مركز رباعي الأسطح، الذي تتكون رؤوسه من 4 ذرات متجاورة؛ كل واحد من الأخير بدوره هو مركز رباعي وجوه آخر مماثل؛ تبلغ المسافات بين الذرات المجاورة 1.54 Ᾰ (حافة المكعب الأولي للشبكة البلورية 3.55 Ᾰ). هذا الهيكل هو الأكثر إحكاما. وهو يتوافق مع الصلابة العالية والكثافة والخمول الكيميائي للماس (التوزيع الموحد لقوى التكافؤ). إن الارتباط المتبادل بين ذرات الكربون في الشبكة الماسية هو نفسه كما هو الحال في جزيئات معظم المركبات العضوية من السلسلة الدهنية (نموذج رباعي السطوح للكربون). في بلورات الجرافيت، يتم ترتيب ذرات الكربون في طبقات كثيفة، متباعدة 3.35-3.41 Ᾰ عن بعضها البعض؛ يتزامن اتجاه هذه الطبقات مع مستويات الانقسام والطائرات المنزلقة أثناء التشوهات الميكانيكية. في مستوى كل طبقة، تشكل الذرات شبكة ذات خلايا سداسية (شركات)؛ جانب هذا السداسي هو 1.42-1.45 درجة. في الطبقات المجاورة، لا تقع السداسيات واحدة تحت الأخرى: تتكرر مصادفتها الرأسية فقط بعد طبقتين في الطبقة الثالثة. الروابط الثلاثة لكل ذرة كربون تقع في نفس المستوى، وتشكل زوايا قدرها 120 درجة؛ يتم توجيه الرابطة الرابعة بالتناوب في اتجاه أو آخر من المستوى إلى ذرات الطبقات المجاورة. تكون المسافات بين الذرات في الطبقة ثابتة تمامًا، ولكن يمكن أن تكون المسافة بين الطبقات الفردية ثابتة تغير تأثيرات خارجية: وبالتالي، عند الضغط عليه تحت ضغط يصل إلى 5000 ضغط جوي، ينخفض ​​إلى 2.9 Ᾰ، وعندما ينتفخ الجرافيت في HNO 3 المركز، فإنه يزيد إلى 8 Ᾰ. في مستوى إحدى الطبقات، ترتبط ذرات الكربون بشكل متماثل القطب (كما هو الحال في السلاسل الهيدروكربونية)، لكن الروابط بين ذرات الطبقات المجاورة تكون معدنية بطبيعتها؛ يتضح هذا من حقيقة أن الموصلية الكهربائية لبلورات الجرافيت في الاتجاه العمودي على الطبقات أعلى بحوالي 100 مرة من الموصلية في اتجاه الطبقة. الذي - التي. يمتلك الجرافيت خصائص المعدن في اتجاه واحد وخصائص اللافلز في الاتجاه الآخر. ترتيب ذرات الكربون في كل طبقة من شبكة الجرافيت هو نفسه تمامًا كما هو الحال في جزيئات المركبات العطرية النووية المعقدة. يشرح هذا التكوين جيدًا التباين الحاد للجرافيت والانقسام المتطور بشكل استثنائي وخصائص مقاومة الاحتكاك وتكوين المركبات العطرية أثناء أكسدتها. يبدو أن التعديل غير المتبلور للكربون الأسود موجود شكل مستقل(يا راف). بالنسبة له، على الأرجح هو بنية خلوية تشبه الرغوة، خالية من أي انتظام؛ وتتكون جدران هذه الخلايا من طبقات من الذرات النشطةكربون سمكها حوالي 3 ذرات. من الناحية العملية، عادة ما تقع المادة الفعالة للفحم تحت غلاف من ذرات الكربون غير النشطة المتقاربة، وموجهة رسوميًا، ويتم اختراقها عن طريق شوائب من بلورات الجرافيت الصغيرة جدًا. ربما لا توجد نقطة محددة لتحويل الفحم → الجرافيت: بين كلا التعديلين هناك انتقال مستمر، يتم خلاله تحويل الكتلة المزدحمة بشكل عشوائي من ذرات الفحم غير المتبلور إلى شبكة بلورية عادية من الجرافيت. نظرًا لترتيبها العشوائي، فإن ذرات الكربون في الفحم غير المتبلور تظهر الحد الأقصى من الألفة المتبقية، والتي (وفقًا لأفكار لانجميور حول هوية قوى الامتزاز مع قوى التكافؤ) تتوافق مع الامتزاز العالي والنشاط التحفيزي المميز جدًا للفحم. ذرات الكربون المتمركزة في الشبكة البلورية تقضي كل تقاربها (في الماس) على الالتصاق المتبادل، أو معظمله (في الجرافيت)؛ وهذا يتوافق مع انخفاض النشاط الكيميائي ونشاط الامتزاز. في الماس، يكون الامتزاز ممكنًا فقط على سطح بلورة واحدة، بينما في الجرافيت، يمكن أن يظهر التكافؤ المتبقي على كلا سطحي كل شبكة مسطحة (في "الشقوق" بين طبقات الذرات)، وهو ما تؤكده حقيقة أن الجرافيت يمكن أن تنتفخ في السوائل (HNO3) وآلية أكسدته إلى حمض الجرافيتي.

الأهمية الفنية للكربون. أما ب. أو م من الكربون الحر الذي يتم الحصول عليه أثناء عمليات التفحم وفحم الكوك، فإن استخدامه في التكنولوجيا يعتمد على كل من المادة الكيميائية (الخمول، وقابلية الاختزال) وخصائصه الفيزيائية (مقاومة الحرارة، والتوصيل الكهربائي، والقدرة على الامتزاز). وهكذا، يتم استخدام فحم الكوك والفحم، بالإضافة إلى استخدامهما المباشر الجزئي كوقود عديم اللهب، لإنتاج الوقود الغازي (غازات المولدات)؛ في تعدين المعادن الحديدية وغير الحديدية - لتقليل أكاسيد المعادن (Fe، Cu، Zn، Ni، Cr، Mn، W، Mo، Sn، As، Sb، Bi)؛ في التكنولوجيا الكيميائية - كعامل اختزال في إنتاج الكبريتيدات (Na، Ca، Ba) من الكبريتات وأملاح الكلوريد اللامائية (Mg، Al)، من أكاسيد المعادن، في إنتاج الزجاج القابل للذوبان والفوسفور - كمادة خام إنتاج كربيد الكالسيوم، والكربوروندوم، وكربيدات أخرى، ثاني كبريتيد الكربون، وما إلى ذلك؛ في صناعة البناء والتشييد - كمادة عازلة للحرارة. يعمل الفحم المعوج وفحم الكوك كمواد للأقطاب الكهربائية للأفران الكهربائية والحمامات الإلكتروليتية والخلايا الجلفانية، لتصنيع الفحم القوسي، والمقاومات المتغيرة، وفرش العاكس، وبوتقات الصهر، وما إلى ذلك، وأيضًا كفوهة في المعدات الكيميائية من النوع البرجي. بالإضافة إلى التطبيقات المذكورة أعلاه، يتم استخدام الفحم لإنتاج أول أكسيد الكربون المركز، وأملاح السيانيد، لتدعيم الفولاذ، ويستخدم على نطاق واسع كمادة ماصة، كمحفز لبعض التفاعلات الاصطناعية، وأخيرا يتم تضمينه في المسحوق الأسود والمتفجرات الأخرى. والتركيبات النارية.

التحديد التحليلي للكربون. يتم تحديد الكربون نوعيًا عن طريق تفحم عينة من المادة دون الوصول إلى الهواء (وهو أمر غير مناسب لجميع المواد) أو، وهو أمر أكثر موثوقية، عن طريق أكسدته الشاملة، على سبيل المثال، عن طريق التكليس في خليط مع أكسيد النحاس، و تم إثبات تكوين ثاني أكسيد الكربون من خلال التفاعلات العادية. ولتحديد كمية الكربون، يتم حرق عينة من المادة في جو من الأكسجين؛ يتم التقاط ثاني أكسيد الكربون الناتج بواسطة محلول قلوي ويتم تحديده بالوزن أو الحجم باستخدام الطرق التقليدية للتحليل الكمي. هذه الطريقة مناسبة لتحديد الكربون ليس فقط في المركبات العضوية والفحم التقني، ولكن أيضًا في المعادن.

في هذه المقالة سوف نلقي نظرة على العنصر الذي يعد جزءًا من الجدول الدوري D.I. مندليف، أي الكربون. في التسميات الحديثة، يتم تحديده بالرمز C، وهو مدرج في المجموعة الرابعة عشرة وهو "مشارك" في الفترة الثانية، وله الرقم التسلسلي السادس، وa.u.m. = 12.0107.

المدارات الذرية وتهجينها

لنبدأ بالنظر إلى الكربون بمداراته وتهجينها - سماته الرئيسية، والتي بفضلها لا يزال يذهل العلماء في جميع أنحاء العالم. ما هو هيكلهم؟

يتم ترتيب تهجين ذرة الكربون بطريقة تجعل إلكترونات التكافؤ تحتل مواقع في ثلاثة مدارات، وهي: واحد في المدار 2s، واثنان في المدارات 2p. يشكل المداران الأخيران من المدارات الثلاثة زاوية قدرها 90 درجة بالنسبة لبعضهما البعض، والمدار 2s له تناظر كروي. ومع ذلك، فإن هذا الشكل من ترتيب المدارات قيد النظر لا يسمح لنا أن نفهم لماذا يشكل الكربون زوايا 120 و 180 و 109.5 درجة عند دخوله إلى المركبات العضوية. تعبر صيغة التركيب الإلكتروني لذرة الكربون عن نفسها بالشكل التالي: (He) 2s 2 2p 2.

تم حل التناقض الذي نشأ عن طريق طرح مفهوم تهجين المدارات الذرية للتداول. لفهم الطبيعة المثلثية والمتغيرة لـ C، كان من الضروري إنشاء ثلاثة أشكال من التمثيل حول تهجينها. المساهمة الرئيسية في ظهور هذا المفهوم وتطويره قدمها لينوس بولينج.

الخصائص الفيزيائية

يحدد هيكل ذرة الكربون وجود عدد من السمات الفيزيائية المحددة. تشكل ذرات هذا العنصر مادة بسيطة - الكربون، الذي لديه تعديلات. الاختلافات في التغييرات في هيكلها يمكن أن تعطي المادة الناتجة خصائص نوعية مختلفة. والسبب في وجود عدد كبير من تعديلات الكربون هو قدرته على إنشاء وتكوين أنواع مختلفة من الروابط ذات الطبيعة الكيميائية.

يمكن أن يختلف هيكل ذرة الكربون، مما يسمح لها بالحصول على عدد معين من الأشكال النظائرية. يتكون الكربون الموجود في الطبيعة باستخدام نظيرين في حالة مستقرة - 12 درجة مئوية و13 درجة مئوية - ونظير ذو خصائص مشعة - 14 درجة مئوية. ويتركز النظير الأخير في الطبقات العلياالقشرة الأرضية وفي الغلاف الجوي. وبسبب تأثير الإشعاع الكوني، أي نيوتروناته، على نواة ذرات النيتروجين، يتكون النظير المشع 14C، وبعد منتصف الخمسينيات من القرن العشرين، بدأ يندرج في بيئةكمنتج من صنع الإنسان تكوّن أثناء تشغيل محطات الطاقة النووية، وبسبب استخدام القنبلة الهيدروجينية. تعتمد تقنية التأريخ بالكربون المشع على عملية الاضمحلال البالغة 14 درجة مئوية، والتي وجدت تطبيقها على نطاق واسع في علم الآثار والجيولوجيا.

تعديل الكربون في شكل متآصل

هناك العديد من المواد في الطبيعة التي تحتوي على الكربون. يستخدم الإنسان بنية ذرة الكربون لأغراضه الخاصة عند الخلق مواد مختلفة، من بينها:

1. الكربونات البلورية (الماس، وأنابيب الكربون النانوية، والألياف والأسلاك، والفوليرين، وما إلى ذلك).
2. الكربونات غير المتبلورة (الكربون المنشط والفحم النباتي، أنواع مختلفةفحم الكوك، وأسود الكربون، والسخام، والرغوة النانوية، والأنثراسايت).
3. الأشكال العنقودية للكربون (الديكربونات، والمخاريط النانوية، ومركبات النجم).

السمات الهيكلية للتركيب الذري

يمكن أن يكون للهيكل الإلكتروني لذرة الكربون أشكال هندسية مختلفة، والتي تعتمد على مستوى تهجين المدارات التي تمتلكها. هناك 3 أنواع رئيسية من الهندسة:

1. رباعي السطوح - تم إنشاؤه بسبب إزاحة أربعة إلكترونات، أحدها إلكترونات s، وثلاثة تنتمي إلى إلكترونات p. تحتل ذرة C موقعًا مركزيًا في رباعي الأسطح وترتبط بأربعة روابط سيجما مكافئة مع ذرات أخرى تحتل قمة هذا الرباعي. هذا الترتيب الهندسي للكربون يمكن أن ينتج متآصلات مثل الماس واللونسداليت.
2. مثلثي - يرجع مظهره إلى إزاحة ثلاثة مدارات، واحدة منها s واثنان p-. توجد هنا ثلاث روابط سيجما، وهي في وضع متساوٍ مع بعضها البعض؛ تقع في مستوى مشترك وتحافظ على زاوية قدرها 120 درجة بالنسبة لبعضها البعض. يقع المدار p الحر بشكل عمودي على مستوى رابطة سيجما. يمتلك الجرافيت هندسة هيكلية مماثلة.
3. قطري - يظهر بسبب خلط إلكترونات s و p (تهجين sp). تمتد السحب الإلكترونية على طول الاتجاه العام وتأخذ شكل الدمبل غير المتماثل. الإلكترونات الحرة تخلق روابط π. يؤدي هذا الهيكل الهندسي للكربون إلى ظهور الكارباين، وهو شكل خاص من التعديل.

ذرات الكربون في الطبيعة

لقد أخذ الإنسان في الاعتبار منذ فترة طويلة بنية وخصائص ذرة الكربون وتستخدم للحصول على عدد كبير من المواد المختلفة. ذرات هذا العنصر، بسبب قدرتها الفريدة على تكوين روابط كيميائية مختلفة ووجود التهجين المداري، تخلق العديد من التعديلات المتآصلة المختلفة بمشاركة عنصر واحد فقط، من ذرات من نفس النوع - الكربون.

يوجد الكربون في الطبيعة في القشرة الأرضية؛ يأخذ شكل الماس، والجرافيت، والموارد الطبيعية المختلفة القابلة للاحتراق، على سبيل المثال، النفط، والأنثراسيت، والفحم البني، والصخر الزيتي، والجفت، وما إلى ذلك. وهو جزء من الغازات التي يستخدمها الإنسان في صناعة الطاقة. يملأ الكربون في ثاني أكسيده الغلاف المائي والغلاف الجوي للأرض، ويصل إلى 0.046٪ في الهواء، وما يصل إلى ستين مرة أكثر في الماء.

يحتوي جسم الإنسان على C بنسبة تعادل 21٪ تقريبًا، ويتم إخراجه بشكل رئيسي عن طريق البول وهواء الزفير. ويشارك نفس العنصر في الدورة البيولوجية، حيث تمتصه النباتات وتستهلكه أثناء عمليات التمثيل الضوئي.

يمكن لذرات الكربون، بسبب قدرتها على إنشاء روابط تساهمية مختلفة وبناء سلاسل وحتى دورات منها، أن تخلق عددًا كبيرًا من المواد العضوية. بالإضافة إلى ذلك، يعد هذا العنصر جزءًا من الغلاف الجوي الشمسي، حيث يكون متحدًا مع الهيدروجين والنيتروجين.

خصائص الطبيعة الكيميائية

الآن دعونا نلقي نظرة على بنية وخصائص ذرة الكربون من وجهة نظر كيميائية.

ومن المهم أن نعرف أن الكربون يظهر خصائص خاملة في درجات الحرارة العادية، ولكن يمكن أن يظهر لنا خصائص مختزلة تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة. حالات الأكسدة الرئيسية هي: + - 4، وأحيانًا +2، وأيضًا +3.

يشارك في ردود الفعل مع عدد كبير من العناصر. قد يتفاعل مع الماء والهيدروجين والهالوجينات والمعادن القلوية والأحماض والفلور والكبريت وما إلى ذلك.

يؤدي هيكل ذرة الكربون إلى ظهور عدد كبير بشكل لا يصدق من المواد المنفصلة إلى فئة منفصلة. تسمى هذه المركبات عضوية وتعتمد على C. وهذا ممكن بسبب خاصية ذرات هذا العنصر لتشكيل سلاسل بوليمر. ومن أشهر المجموعات وأوسعها البروتينات (البروتينات) والدهون والكربوهيدرات والمركبات الهيدروكربونية.

طرق التشغيل

نظرًا للبنية الفريدة لذرة الكربون والخصائص المصاحبة لها، يستخدم البشر العنصر على نطاق واسع، على سبيل المثال، في صنع أقلام الرصاص وصهر البوتقات المعدنية - يستخدم الجرافيت هنا. يُستخدم الماس كمواد كاشطة، ومجوهرات، ولقم الثقب، وما إلى ذلك.

يتعامل علم الصيدلة والطب أيضًا مع استخدام الكربون في مجموعة متنوعة من المركبات. هذا العنصر هو جزء من الفولاذ، وهو بمثابة الأساس لكل مادة عضوية، ويشارك في عملية التمثيل الضوئي، وما إلى ذلك.

سمية العنصر

يتضمن هيكل ذرة عنصر الكربون وجوده تأثير خطيرإلى المادة الحية. يدخل الكربون إلى العالم من حولنا نتيجة احتراق الفحم في محطات الطاقة الحرارية، وهو جزء من الغازات التي تنتجها السيارات، في حالة تركيز الفحم، وما إلى ذلك.

نسبة الكربون في الهباء الجوي مرتفعة، مما يؤدي إلى زيادة في نسبة الأشخاص الذين يصابون بالمرض. غالبًا ما يتأثر الجهاز التنفسي العلوي والرئتان. يمكن تصنيف بعض الأمراض على أنها أمراض مهنية، على سبيل المثال التهاب الشعب الهوائية الغباري وأمراض مجموعة تغبّر الرئة.

14 درجة مئوية مادة سامة، ويتم تحديد قوة تأثيرها من خلال التفاعل الإشعاعي مع جسيمات بيتا. تدخل هذه الذرة في تركيب الجزيئات البيولوجية، بما في ذلك تلك الموجودة في الأحماض النووية والريبونية. تعتبر الكمية المقبولة من 14 درجة مئوية في هواء منطقة العمل 1.3 بيكريل/لتر. الحد الأقصى لكمية الكربون التي تدخل الجسم أثناء التنفس تساوي 3.2*10 8 بيكريل/سنة.

محتوى المقال

كربون، C (الكربونيوم)، عنصر كيميائي غير معدني من المجموعة IVA (C، Si، Ge، Sn، Pb) من الجدول الدوري للعناصر. ويوجد في الطبيعة على شكل بلورات الماس (الشكل 1) أو الجرافيت أو الفوليرين وأشكال أخرى وهو جزء من المواد العضوية (الفحم والنفط والكائنات الحيوانية والنباتية وغيرها) و المواد غير العضوية(حجر الكلس، صودا الخبزوإلخ.).

ينتشر الكربون على نطاق واسع، لكن محتواه في القشرة الأرضية لا يتجاوز 0.19%.

يستخدم الكربون على نطاق واسع في شكل مواد بسيطة. بالإضافة إلى الألماس الثمين الذي يدخل في صناعة المجوهرات، أهمية عظيمةلديك الماس الصناعي - لتصنيع أدوات الطحن والقطع.

يتم استخدام الفحم والأشكال غير المتبلورة الأخرى من الكربون لإزالة اللون، والتنقية، وامتزاز الغاز، وفي مجالات التكنولوجيا التي تتطلب مواد ماصة ذات سطح متطور. الكربيدات، مركبات الكربون مع المعادن، وكذلك مع البورون والسيليكون (على سبيل المثال، Al 4 C 3، SiC، B 4 C) تتميز بالصلابة العالية وتستخدم لتصنيع أدوات الكشط والقطع. الكربون هو جزء من الفولاذ والسبائك في الحالة الأولية وعلى شكل كربيدات. إن تشبع سطح المسبوكات الفولاذية بالكربون عند درجات حرارة عالية (الأسمنت) يزيد بشكل كبير من صلابة السطح ومقاومة التآكل. أنظر أيضاسبائك.

هناك العديد من أشكال الجرافيت المختلفة في الطبيعة؛ يتم الحصول على بعضها بشكل مصطنع. هناك أشكال غير متبلورة (على سبيل المثال، فحم الكوك والفحم). يتشكل السخام وفحم العظام وأسود المصباح وأسود الأسيتيلين عند حرق الهيدروكربونات في غياب الأكسجين. ما يسمى الكربون الأبيضيتم الحصول عليها عن طريق تسامي الجرافيت الحراري تحت ضغط منخفض - وهي عبارة عن بلورات صغيرة شفافة من أوراق الجرافيت ذات حواف مدببة.

مرجع تاريخي.

يُعرف الجرافيت والماس والكربون غير المتبلور منذ العصور القديمة. من المعروف منذ فترة طويلة أنه يمكن استخدام الجرافيت لتمييز مواد أخرى، وقد اقترح أ. فيرنر اسم "الجرافيت" نفسه، والذي يأتي من الكلمة اليونانية التي تعني "الكتابة"، في عام 1789. ومع ذلك، فإن تاريخ الجرافيت معقدة؛ غالبًا ما يتم الخلط بين المواد ذات الخصائص الفيزيائية الخارجية المشابهة لها، مثل الموليبدينيت (كبريتيد الموليبدينوم)، الذي كان يُعتبر في وقت ما من الجرافيت. تشمل الأسماء الأخرى للجرافيت "الرصاص الأسود" و"كربيد الحديد" و"الرصاص الفضي". في عام 1779، أثبت K. Scheele أنه يمكن أكسدة الجرافيت بالهواء لتكوينه ثاني أكسيد الكربون.

تم استخدام الماس لأول مرة في الهند، وفي البرازيل أصبحت الأحجار الكريمة ذات أهمية تجارية في عام 1725؛ تم اكتشاف الرواسب في جنوب إفريقيا عام 1867. في القرن العشرين. المنتجون الرئيسيون للماس هم جنوب أفريقيا وزائير وبوتسوانا وناميبيا وأنجولا وسيراليون وتنزانيا وروسيا. يتم إنتاج الماس من صنع الإنسان، الذي تم إنشاء التكنولوجيا في عام 1970، للأغراض الصناعية.

التآصل.

إذا كانت الوحدات الهيكلية لمادة ما (ذرات العناصر أحادية الذرة أو جزيئات العناصر والمركبات متعددة الذرات) قادرة على الاتحاد مع بعضها البعض في أكثر من شكل بلوري واحد، فإن هذه الظاهرة تسمى التآصل. يحتوي الكربون على ثلاثة تعديلات متآصلة: الماس والجرافيت والفوليرين. في الماس، تحتوي كل ذرة كربون على 4 جيران مرتبة بشكل رباعي السطوح، وتشكل بنية مكعبة (الشكل 1، أ). يتوافق هذا الهيكل مع الحد الأقصى للتساهمية للرابطة، وجميع الإلكترونات الأربعة لكل ذرة كربون تشكل روابط C-C عالية القوة، أي. لا توجد إلكترونات التوصيل في الهيكل. ولذلك يتميز الماس بافتقاره إلى الموصلية الحرارية، وانخفاض التوصيل الحراري، والصلابة العالية؛ وهي أصعب مادة معروفة (الشكل 2). يتطلب كسر الرابطة C-C (طول الرابطة 1.54 Å، وبالتالي نصف القطر التساهمي 1.54/2 = 0.77 Å) في هيكل رباعي السطوح كميات كبيرة من الطاقة، لذلك يتميز الماس، إلى جانب الصلابة الاستثنائية، بنقطة انصهار عالية (3550 درجة). ج).

شكل آخر من أشكال الكربون المتآصل هو الجرافيت، الذي له خصائص مختلفة تمامًا عن الماس. الجرافيت مادة سوداء ناعمة مصنوعة من بلورات سهلة التقشر، تتميز بالتوصيل الكهربائي الجيد ( المقاومة الكهربائية 0.0014 أوم سم). ولذلك، يتم استخدام الجرافيت في مصابيح القوس والأفران (الشكل 3)، حيث من الضروري خلق درجات حرارة عالية. يستخدم الجرافيت عالي النقاء في المفاعلات النووية كمهدئ للنيوترونات. نقطة انصهاره عند ضغط دم مرتفعتساوي 3527 درجة مئوية. عند الضغط العادي، يتسامى الجرافيت (الانتقال من الحالة الصلبة إلى الغاز) عند 3780 درجة مئوية.

هيكل الجرافيت (الشكل 1، ب) هو نظام من حلقات سداسية مندمجة بطول رابطة يبلغ 1.42 أنجستروم (أقصر بكثير من الماس)، ولكن كل ذرة كربون لها ثلاث روابط تساهمية (بدلاً من أربعة، كما هو الحال في الماس) مع ثلاثة جيران، والرابطة الرابعة (3.4). Å) طويلة جدًا بالنسبة للرابطة التساهمية وتربط طبقات الجرافيت المتوازية ببعضها البعض بشكل ضعيف. إنه الإلكترون الرابع للكربون الذي يحدد التوصيل الحراري والكهربائي للجرافيت - تشكل هذه الرابطة الأطول والأقل قوة الجرافيت الأقل انضغاطًا، وهو ما ينعكس في صلابته الأقل مقارنة بالماس (كثافة الجرافيت 2.26 جم / سم 3، الماس) - 3.51 جم/سم3). وللسبب نفسه، يكون الجرافيت زلقًا عند اللمس ويفصل بسهولة رقائق المادة، ولهذا السبب يتم استخدامه في صناعة مواد التشحيم وقلم الرصاص. يرجع لمعان الرصاص الذي يشبه الرصاص بشكل أساسي إلى وجود الجرافيت.

تتمتع ألياف الكربون بقوة عالية ويمكن استخدامها لصنع خيوط الرايون أو غيرها من الخيوط عالية الكربون.

في ضغط مرتفعودرجة الحرارة في وجود عامل محفز مثل الحديد، يمكن أن يتحول الجرافيت إلى الماس. يتم تنفيذ هذه العملية للإنتاج الصناعي للماس الاصطناعي. تنمو بلورات الماس على سطح المحفز. يوجد توازن الجرافيت والماس عند 15000 ضغط جوي و300 كلفن أو 4000 ضغط جوي و1500 كلفن. ويمكن أيضًا الحصول على الماس الاصطناعي من الهيدروكربونات.

تشمل الأشكال غير المتبلورة من الكربون التي لا تشكل بلورات الفحم، الذي يتم الحصول عليه عن طريق تسخين الخشب دون الوصول إلى الهواء، وسخام المصباح والغاز، الذي يتشكل أثناء احتراق الهيدروكربونات في درجة حرارة منخفضة مع نقص الهواء ويتكثف على سطح بارد, شار العظام – خليط من فوسفات الكالسيوم أثناء عملية التدمير أنسجة العظام، وكذلك الفحم (مادة طبيعية بها شوائب) وفحم الكوك، وهي بقايا جافة يتم الحصول عليها عن طريق فحم الكوك عن طريق التقطير الجاف للفحم أو بقايا النفط (الفحم البيتوميني)، أي. التدفئة دون الوصول إلى الهواء. يستخدم فحم الكوك لصهر الحديد الزهر وفي صناعة المعادن الحديدية وغير الحديدية. أثناء فحم الكوك، تتشكل أيضًا منتجات غازية - غاز فرن فحم الكوك (H 2، CH 4، CO، إلخ) والمنتجات الكيماوية، وهي مواد خام لإنتاج البنزين والدهانات والأسمدة، الأدوية، البلاستيك، الخ. يظهر في الشكل رسم تخطيطي للجهاز الرئيسي لإنتاج فحم الكوك - فرن فحم الكوك. 3.

أنواع مختلفة من الفحم والسخام لها سطح متطور، وبالتالي يتم استخدامها كمواد ماصة لتنقية الغاز والسوائل، وكذلك كمحفزات. للحصول على أشكال مختلفة من الكربون يستخدمونها طرق خاصةالتكنولوجيا الكيميائية. يتم إنتاج الجرافيت الاصطناعي عن طريق تكليس الجمرة الخبيثة أو فحم الكوك بين أقطاب الكربون عند درجة حرارة 2260 درجة مئوية (عملية أتشيسون) ويستخدم في إنتاج مواد التشحيم والأقطاب الكهربائية، وخاصة لإنتاج المعادن كهربائيا.

هيكل ذرة الكربون.

تحتوي نواة نظير الكربون الأكثر استقرارًا، الكتلة 12 (وفرة 98.9%)، على 6 بروتونات و6 نيوترونات (12 نيوكليون)، مرتبة في ثلاث رباعيات، تحتوي كل منها على بروتونين ونيوترونين، على غرار نواة الهيليوم. نظير مستقر آخر للكربون هو 13 درجة مئوية (حوالي 1.1%)، وبكميات ضئيلة يوجد في الطبيعة نظير غير مستقر 14 درجة مئوية مع عمر نصف يبلغ 5730 عامًا، والذي ب- الإشعاع. تشارك النظائر الثلاثة جميعها في دورة الكربون الطبيعية للمادة الحية على شكل ثاني أكسيد الكربون. بعد وفاة الكائن الحي، يتوقف استهلاك الكربون ويمكن تأريخ الأجسام المحتوية على C عن طريق قياس مستوى النشاط الإشعاعي 14 درجة مئوية. ب-14 يتناسب إشعاع ثاني أكسيد الكربون مع الوقت المنقضي منذ الوفاة. في عام 1960، حصل دبليو ليبي على جائزة نوبل لأبحاثه حول الكربون المشع.

في الحالة الأرضية، تشكل 6 إلكترونات من الكربون التكوين الإلكتروني 1 س 2 2س 2 2ص س 1 2السنة التحضيرية 1 2ص ض 0 . أربعة إلكترونات من المستوى الثاني هي التكافؤ، والذي يتوافق مع موضع الكربون في المجموعة IVA من الجدول الدوري ( سم. النظام الدوري للعناصر). نظرًا لأن طاقة كبيرة مطلوبة لإزالة إلكترون من الذرة في الطور الغازي (حوالي 1070 كيلوجول/مول)، فإن الكربون لا يشكل روابط أيونية مع عناصر أخرى، لأن هذا يتطلب إزالة إلكترون لتكوين أيون موجب. نظرًا لأن الكربون له سالبية كهربية تبلغ 2.5، فإنه لا يُظهر تقاربًا إلكترونيًا قويًا، وبالتالي فهو ليس متقبلًا نشطًا للإلكترون. ولذلك، فإنه ليس عرضة لتشكيل الجسيمات مع شحنة سالبة. لكن بعض مركبات الكربون توجد ذات طبيعة أيونية جزئية للرابطة، على سبيل المثال الكربيدات. في المركبات، يظهر الكربون حالة أكسدة تبلغ 4. لكي تشارك أربعة إلكترونات في تكوين الروابط، من الضروري الاقتران 2 س- الإلكترونات وقفز أحد هذه الإلكترونات بمقدار 2 ص ض-مداري؛ في هذه الحالة، يتم تشكيل 4 روابط رباعية السطوح بزاوية 109 درجة بينهما. في المركبات، يتم سحب إلكترونات التكافؤ الخاصة بالكربون جزئيًا فقط، لذلك يشكل الكربون روابط تساهمية قوية بين ذرات C-C المجاورة باستخدام زوج إلكترون مشترك. تبلغ طاقة كسر هذه الرابطة 335 كيلو جول/مول، في حين تبلغ طاقة كسر رابطة Si-Si 210 كيلو جول/مول فقط، لذا فإن سلاسل Si-Si الطويلة غير مستقرة. يتم الحفاظ على الطبيعة التساهمية للرابطة حتى في مركبات الهالوجينات شديدة التفاعل مع الكربون، CF 4 وCCl 4. ذرات الكربون قادرة على التبرع بأكثر من إلكترون واحد من كل ذرة كربون لتكوين رابطة؛ هذه هي الطريقة التي يتم بها تشكيل روابط C=C المزدوجة والثلاثية CєC. تشكل العناصر الأخرى أيضًا روابط بين ذراتها، لكن الكربون وحده هو القادر على التشكل سلاسل طويلة. لذلك، بالنسبة للكربون، تُعرف آلاف المركبات، التي تسمى الهيدروكربونات، حيث يرتبط الكربون بالهيدروجين وذرات الكربون الأخرى لتكوين سلاسل طويلة أو هياكل حلقية. سم. الكيمياء العضوية.

في هذه المركبات، من الممكن استبدال الهيدروجين بذرات أخرى، في أغلب الأحيان بالأكسجين والنيتروجين والهالوجينات لتشكيل مجموعة متنوعة من المركبات العضوية. من بينها مركبات الفلوروكربون مهمة - الهيدروكربونات التي يتم فيها استبدال الهيدروجين بالفلور. هذه المركبات خاملة للغاية، وتستخدم كمادة بلاستيكية ومواد تشحيم (الفلوروكربونات، أي الهيدروكربونات التي يتم فيها استبدال جميع ذرات الهيدروجين بذرات الفلور) وكمبردات منخفضة الحرارة (مركبات الكربون الكلورية فلورية، أو الفريون).

في الثمانينات، اكتشف الفيزيائيون الأمريكيون جدا اتصالات مثيرة للاهتمامالكربون، حيث ترتبط ذرات الكربون في 5 أو 6 gons، لتشكل جزيء C 60 على شكل كرة مجوفة ذات تناسق مثالي لكرة القدم. وبما أن هذا التصميم هو أساس “القبة الجيوديسية” التي ابتكرها المهندس المعماري والمهندس الأمريكي بكمنستر فولر، صف جديدكانت المركبات تسمى "باكمينسترفوليرين" أو "فوليرين" (وأيضًا بشكل أكثر اختصارًا - "كرات الطور" أو "كرات بوكي"). الفوليرين - التعديل الثالث للكربون النقي (باستثناء الماس والجرافيت)، والذي يتكون من 60 أو 70 (أو حتى أكثر) ذرة - تم الحصول عليه من خلال عمل إشعاع الليزر على أصغر جزيئات الكربون. تتكون الفوليرينات ذات الأشكال الأكثر تعقيدًا من عدة مئات من ذرات الكربون. قطر جزيء C هو 60 ~ 1 نانومتر. يوجد في وسط هذا الجزيء مساحة كافية لاستيعاب ذرة يورانيوم كبيرة.

الكتلة الذرية القياسية

في عام 1961، اعتمد الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) والفيزياء كتلة نظير الكربون 12 C كوحدة للكتلة الذرية، مما أدى إلى إلغاء مقياس الأكسجين الموجود سابقًا للكتل الذرية. الكتلة الذريةويبلغ عدد الكربون في هذا النظام 12.011، حيث أنه متوسط ​​النظائر الطبيعية الثلاثة للكربون، مع مراعاة وفرتها في الطبيعة. سم. الكتلة الذرية.

الخواص الكيميائية للكربون وبعض مركباته.

بعض الجسدية و الخواص الكيميائيةيتم ذكر الكربون في مقالة العناصر الكيميائية. تعتمد تفاعلية الكربون على تعديله ودرجة حرارته وتشتته. في درجات الحرارة المنخفضةجميع أشكال الكربون خاملة تمامًا، ولكن عند تسخينها تتأكسد بواسطة الأكسجين الجوي، وتشكل أكاسيد:

يمكن أن ينفجر الكربون المشتت جيدًا في الأكسجين الزائد عند تسخينه أو من شرارة. بالإضافة إلى الأكسدة المباشرة، هناك المزيد الأساليب الحديثةالحصول على أكاسيد.

ثاني أكسيد الكربون

يتكون C 3 O 2 من تجفيف حمض المالونيك فوق P 4 O 10:

C 3 O 2 لديه رائحة كريهةيتحلل بسهولة ويشكل حمض المالونيك مرة أخرى.

أول أكسيد الكربون (II).يتشكل ثاني أكسيد الكربون أثناء أكسدة أي تعديل للكربون في ظل ظروف نقص الأكسجين. يكون التفاعل طاردًا للحرارة، ويتم تحرير 111.6 كيلوجول/مول. يتفاعل فحم الكوك مع الماء عند درجة حرارة الحرارة البيضاء: C + H 2 O = CO + H 2 ; المستجدة خليط الغازيسمى "غاز الماء" وهو وقود غازي. يتشكل ثاني أكسيد الكربون أيضًا أثناء الاحتراق غير الكامل للمنتجات البترولية، ويوجد بكميات ملحوظة في عوادم السيارات، ويتم الحصول عليه أثناء التفكك الحراري لحمض الفورميك:

حالة أكسدة الكربون في ثاني أكسيد الكربون هي +2، وبما أن الكربون أكثر استقرارًا في حالة الأكسدة +4، يتأكسد ثاني أكسيد الكربون بسهولة بواسطة الأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون: CO + O 2 → CO 2، وهذا التفاعل طارد للحرارة بدرجة كبيرة (283 كيلوجول) /مول). ويستخدم ثاني أكسيد الكربون في الصناعة في خليط مع الهيدروجين والغازات القابلة للاشتعال كوقود أو كعامل اختزال غازي. عند تسخينه إلى 500 درجة مئوية، يشكل ثاني أكسيد الكربون C وCO 2 إلى حد ملحوظ، ولكن عند 1000 درجة مئوية، يتم إنشاء التوازن عند تركيزات منخفضة من ثاني أكسيد الكربون. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الكلور، مكونًا الفوسجين - COCl 2، وتتم التفاعلات مع الهالوجينات الأخرى بشكل مشابه، بالتفاعل مع كبريتيد كربونيل الكبريت يتم الحصول على COS، مع المعادن (M) CO يشكل كربونات ذات تركيبات مختلفة M(CO) س، وهي مركبات معقدة. يتكون كربونيل الحديد عندما يتفاعل هيموجلوبين الدم مع ثاني أكسيد الكربون، مما يمنع تفاعل الهيموجلوبين مع الأكسجين، لأن كربونيل الحديد مركب أقوى. ونتيجة لذلك، يتم حظر وظيفة الهيموجلوبين كحامل للأكسجين إلى الخلايا، والتي تموت بعد ذلك (وتتأثر خلايا الدماغ في المقام الأول). (ومن هنا اسم آخر لثاني أكسيد الكربون - "أول أكسيد الكربون"). بالفعل 1٪ (حجم) ثاني أكسيد الكربون في الهواء يشكل خطورة على البشر إذا كانوا في مثل هذا الجو لأكثر من 10 دقائق. يوضح الجدول بعض الخواص الفيزيائية لثاني أكسيد الكربون.

ثاني أكسيد الكربون، أو أول أكسيد الكربون (IV)يتكون ثاني أكسيد الكربون من احتراق عنصر الكربون مع الأكسجين الزائد مع انطلاق حرارة (395 كيلوجول/مول). يتشكل ثاني أكسيد الكربون (الاسم التافه هو "ثاني أكسيد الكربون") أيضًا أثناء الأكسدة الكاملة لثاني أكسيد الكربون والمنتجات البترولية والبنزين والزيوت والمركبات العضوية الأخرى. عندما تذوب الكربونات في الماء، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون أيضًا نتيجة للتحلل المائي:

يُستخدم هذا التفاعل غالبًا في الممارسة المعملية لإنتاج ثاني أكسيد الكربون. ويمكن أيضًا الحصول على هذا الغاز عن طريق تكليس بيكربونات المعدن:

أثناء تفاعل الطور الغازي للبخار المسخن مع ثاني أكسيد الكربون:

عند حرق الهيدروكربونات ومشتقاتها من الأكسجين، على سبيل المثال:

أنها تتأكسد بالمثل منتجات الطعامفي الكائن الحي مع إطلاق الطاقة الحرارية وأنواع الطاقة الأخرى. في هذه الحالة، تحدث الأكسدة في ظل ظروف خفيفة من خلال مراحل متوسطة، ولكن المنتجات النهائيةنفس الشيء - CO 2 و H 2 O، كما هو الحال، على سبيل المثال، أثناء تحلل السكريات تحت تأثير الإنزيمات، ولا سيما أثناء تخمير الجلوكوز:

يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد المعادن على نطاق واسع في الصناعة عن طريق التحلل الحراري للكربونات:

يستخدم CaO بكميات كبيرة في تكنولوجيا إنتاج الأسمنت. يزداد الثبات الحراري للكربونات والاستهلاك الحراري لتحللها وفق هذا المخطط في السلسلة CaCO 3 ( أنظر أيضاالوقاية من الحرائق والحماية من الحرائق).

الهيكل الإلكتروني لأكاسيد الكربون.

يمكن وصف البنية الإلكترونية لأي أول أكسيد الكربون من خلال ثلاثة مخططات محتملة متساوية مع ترتيبات مختلفة لأزواج الإلكترونات - ثلاثة أشكال رنانة:

جميع أكاسيد الكربون لها بنية خطية.

حمض الكربونيك.

عندما يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء، يتكون حمض الكربونيك H2CO3. في محلول مشبع من ثاني أكسيد الكربون (0.034 مول/لتر)، تكون بعض الجزيئات فقط H2CO3، ومعظم ثاني أكسيد الكربون يكون في الحالة المائية CO2CHH2O.

كربونات.

وتتكون الكربونات من تفاعل أكاسيد المعادن مع ثاني أكسيد الكربون، على سبيل المثال Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

وباستثناء كربونات الفلزات القلوية، فإن الباقي غير قابل للذوبان عمليا في الماء، وكربونات الكالسيوم قابلة للذوبان جزئيا في حمض الكربونيك أو محلول ثاني أكسيد الكربون في الماء تحت الضغط:

تحدث هذه العمليات في المياه الجوفية التي تتدفق عبر طبقة الحجر الجيري. في الظروف ضغط منخفضويترسب التبخر من المياه الجوفية التي تحتوي على Ca(HCO 3) 2، CaCO 3. هكذا تنمو الهوابط والصواعد في الكهوف. ويفسر لون هذه التكوينات الجيولوجية المثيرة للاهتمام بوجود شوائب في المياه من أيونات الحديد والنحاس والمنجنيز والكروم. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع هيدروكسيدات المعادن ومحاليلها لتكوين البيكربونات، على سبيل المثال:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

رباعي كلوريد CCl 4 هو مادة غير قابلة للاشتعال، وتستخدم كمذيب في عمليات التنظيف الجاف، ولكن لا ينصح باستخدامه كمانع للهب، لأنه عند درجات الحرارة المرتفعة يتكون الفوسجين السام (مادة غازية سامة). إن CCl 4 نفسه سام أيضًا، وإذا تم استنشاقه بكميات ملحوظة، يمكن أن يسبب تسمم الكبد. يتكون CCl 4 أيضًا من التفاعل الكيميائي الضوئي بين الميثان CH 4 وCl 2؛ في هذه الحالة، من الممكن تكوين منتجات الكلورة غير الكاملة للميثان - CHCl 3، CH 2 Cl 2 وCH 3 Cl -. تحدث التفاعلات بشكل مشابه مع الهالوجينات الأخرى.

ردود فعل الجرافيت.

الجرافيت كتعديل للكربون، يتميز بوجود مسافات كبيرة بين طبقات الحلقات السداسية، ويدخل في تفاعلات غير عادية، فمثلا تتغلغل المعادن القلوية والهالوجينات وبعض الأملاح (FeCl 3) بين الطبقات لتشكل مركبات مثل KC 8، KC 16 (تسمى الخلالي أو التضمين أو الكلاثرات). تشكل العوامل المؤكسدة القوية مثل KClO 3 في بيئة حمضية (حمض الكبريتيك أو النيتريك) مواد ذات حجم كبير من الشبكة البلورية (تصل إلى 6 Å بين الطبقات)، وهو ما يفسر بإدخال ذرات الأكسجين وتكوين المركبات على سطحها، نتيجة للأكسدة، يتم تشكيل مجموعات الكربوكسيل (–COOH) ) - مركبات مثل الجرافيت المؤكسد أو حمض المليتي (البنزين سداسي الكربوكسيل) C 6 (COOH) 6. في هذه المركبات، يمكن أن تختلف نسبة C:O من 6:1 إلى 6:2.5.

كربيدات.

يشكل الكربون مركبات مختلفة تسمى الكربيدات مع المعادن والبورون والسيليكون. المعادن الأكثر نشاطًا (المجموعات الفرعية IA–IIIA) تشكل كربيدات شبيهة بالملح، على سبيل المثال Na 2 C 2، CaC 2، Mg 4 C 3، Al 4 C 3. في الصناعة يتم الحصول على كربيد الكالسيوم من فحم الكوك والحجر الجيري باستخدام التفاعلات التالية:

الكربيدات غير موصلة للكهرباء، عديمة اللون تقريبًا، وتتحلل لتشكل الهيدروكربونات، على سبيل المثال

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

يعمل الأسيتيلين C 2 H 2 الناتج عن التفاعل كمادة أولية في إنتاج العديد من المواد العضوية. هذه العملية مثيرة للاهتمام لأنها تمثل الانتقال من المواد الخام ذات الطبيعة غير العضوية إلى تخليق المركبات العضوية. تسمى الكربيدات التي تشكل الأسيتيلين عند التحلل المائي بأسيتيلينيدات. في كربيدات السيليكون والبورون (SiC وB4C)، تكون الرابطة بين الذرات تساهمية. المعادن الانتقالية (عناصر المجموعة الفرعية B) عند تسخينها بالكربون تشكل أيضًا كربيدات ذات تركيبة متغيرة في الشقوق الموجودة على سطح المعدن؛ الرابطة فيها قريبة من المعدن. تتميز بعض الكربيدات من هذا النوع، على سبيل المثال WC وW2C وTiC وSiC، بالصلابة العالية والحرارية، ولها موصلية كهربائية جيدة. على سبيل المثال، NbC وTaC وHfC هي أكثر المواد مقاومة للحرارة (mp = 4000–4200° C)، وكربيد الدينيوبيوم Nb 2 C موصل فائق عند درجة حرارة 9.18 كلفن، وTiC وW 2 C قريبان في الصلابة من الماس، والصلابة B 4 C (التناظرية الهيكلية للماس) هي 9.5 على مقياس موس ( سم. أرز. 2). تتشكل كربيدات خاملة إذا كان نصف قطر المعدن الانتقالي

مشتقات النيتروجين من الكربون.

تشمل هذه المجموعة اليوريا NH 2 CONH 2 - وهو سماد نيتروجيني يستخدم على شكل محلول. يتم الحصول على اليوريا من NH 3 و CO 2 عن طريق التسخين تحت الضغط:

يحتوي السيانوجين (CN) 2 على العديد من الخصائص المشابهة للهالوجينات، وغالبًا ما يطلق عليه اسم الهالوجين الكاذب. يتم الحصول على السيانيد عن طريق الأكسدة الخفيفة لأيون السيانيد مع الأكسجين أو بيروكسيد الهيدروجين أو أيون النحاس 2+: 2CN – ® (CN) 2 + 2e.

أيون السيانيد، كونه مانحًا للإلكترون، يشكل بسهولة مركبات معقدة مع أيونات فلزات انتقالية. مثل ثاني أكسيد الكربون، يعتبر أيون السيانيد سمًا يربط مركبات الحديد الحيوية في الكائن الحي. أيونات السيانيد المعقدة لها الصيغة العامة -0.5 س، أين X- رقم التنسيق للمعدن (عامل معقد)، يساوي تجريبيا ضعف حالة أكسدة أيون المعدن. ومن أمثلة هذه الأيونات المعقدة (هيكل بعض الأيونات موضح أدناه) أيون تيتراسيانونيكلات (II) 2–، هيكساسيانوفيرات (III) 3–، ديسيان أرجينتات –:

الكربونيل.

أول أكسيد الكربون قادر على التفاعل مباشرة مع العديد من المعادن أو أيونات المعادن، مكونًا مركبات معقدة تسمى الكربونيلات، على سبيل المثال Ni(CO) 4، Fe(CO) 5، Fe 2 (CO) 9، 3، Mo(CO) 6، 2 . الترابط في هذه المركبات يشبه الترابط في مجمعات السيانو الموصوفة أعلاه. Ni(CO)4 مادة متطايرة تستخدم لفصل النيكل عن المعادن الأخرى. غالبًا ما يرتبط تدهور بنية الحديد الزهر والصلب في الهياكل بتكوين الكربونيل. يمكن أن يكون الهيدروجين جزءًا من الكربونيلات، مكونًا هيدريدات الكربونيل، مثل H 2 Fe (CO) 4 وHCo (CO) 4، مما يظهر خصائص الحمضوالتفاعل مع القلويات:

H 2 Fe(CO) 4 + NaOH → NaHFe(CO) 4 + H 2 O

ومن المعروف أيضا هاليدات الكربونيل، على سبيل المثال Fe(CO)X 2، Fe(CO) 2 X 2، Co(CO)I 2، Pt(CO)Cl 2، حيث X هو أي هالوجين.

الهيدروكربونات.

هناك عدد كبير من مركبات الكربون والهيدروجين معروفة

ربما يكون الكربون هو العنصر الكيميائي الرئيسي والأكثر إثارة للدهشة على الأرض، لأنه بمساعدته يتم تشكيل كمية هائلة من المركبات المختلفة، سواء غير العضوية أو العضوية. الكربون هو أساس جميع الكائنات الحية، ويمكننا القول أن الكربون، إلى جانب الماء والأكسجين، هو أساس الحياة على كوكبنا! للكربون أشكال متنوعة لا تتشابه سواء في خواصها الفيزيائية أو الكيميائية مظهر. ولكن كل ذلك من الكربون!

تاريخ اكتشاف الكربون

الكربون معروف للبشرية منذ العصور القديمة. تم استخدام الجرافيت والفحم من قبل اليونانيين القدماء، وتم استخدام الماس في الهند. صحيح أن المركبات المتشابهة في المظهر غالبًا ما يتم الخلط بينها وبين الجرافيت. ومع ذلك، كان الجرافيت يستخدم على نطاق واسع في العصور القديمة، وخاصة في الكتابة. حتى اسمها يأتي من الكلمة اليونانية "grapho" - "أنا أكتب". ويستخدم الجرافيت الآن في أقلام الرصاص. بدأ تداول الماس لأول مرة في البرازيل في النصف الأول من القرن الثامن عشر، ومنذ ذلك الوقت تم اكتشاف العديد من الرواسب، وفي عام 1970 تم تطوير تكنولوجيا إنتاج الماس بشكل صناعي. وتستخدم هذه الماسات الاصطناعية في الصناعة، بينما تستخدم الماسات الطبيعية بدورها في المجوهرات.

الكربون في الطبيعة

يتم جمع أكبر كمية من الكربون في الغلاف الجوي والغلاف المائي على شكل ثاني أكسيد الكربون. يحتوي الغلاف الجوي على حوالي 0.046% من الكربون، وأكثر من ذلك يذوب في المحيطات العالمية.

بالإضافة إلى ذلك، كما رأينا أعلاه، الكربون هو أساس الكائنات الحية. على سبيل المثال، يحتوي جسم الإنسان الذي يبلغ وزنه 70 كجم على حوالي 13 كجم من الكربون! إنها في شخص واحد فقط! والكربون موجود أيضًا في جميع النباتات والحيوانات. لذا فكر...

دورة الكربون في الطبيعة

التعديلات المتآصلة للكربون

الكربون هو عنصر كيميائي فريد يشكل ما يسمى بالتعديلات المتآصلة، أو ببساطة، أشكال متعددة. وتنقسم هذه التعديلات إلى بلورية وغير متبلورة وعلى شكل مجموعات.

التعديلات الكريستالية لها شبكة بلورية عادية. وتشمل هذه المجموعة: الماس، الفوليريت، الجرافيت، اللونسداليت، ألياف الكربون والأنابيب. الغالبية العظمى من التعديلات البلورية للكربون تحتل المرتبة الأولى في تصنيف "أصعب المواد في العالم".

الأشكال المتآصلة للكربون: أ) اللونسدالايت؛ ب) الماس.
ج) الجرافيت. د) الكربون غير المتبلور. ه) C60 (الفوليرين)؛ ه) الجرافين.
ز) الأنابيب النانوية أحادية الجدار

تتشكل الأشكال غير المتبلورة من الكربون مع شوائب صغيرة من مواد أخرى العناصر الكيميائية. الممثلون الرئيسيون لهذه المجموعة: الفحم (الحجر، الخشب، المنشط)، السخام، الجمرة الخبيثة.

أكثر المركبات تعقيدًا وعالية التقنية هي مركبات الكربون على شكل مجموعات. التجمعات عبارة عن هيكل خاص يتم فيه ترتيب ذرات الكربون بحيث تشكل شكلاً مجوفاً، يتم ملؤه من الداخل بذرات عناصر أخرى، على سبيل المثال، الماء. لا يوجد الكثير من الممثلين في هذه المجموعة، فهي تشمل جزيئات الكربون النانوية والنجمية والديكربونات.

الجرافيت - "الجانب المظلم" من الماس

تطبيق الكربون

للكربون ومركباته أهمية كبيرة في حياة الإنسان. أنواع الوقود الرئيسية على الأرض - الغاز الطبيعي والنفط - تتكون من الكربون. تستخدم مركبات الكربون على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية والمعدنية والبناء والهندسة الميكانيكية والطب. تُستخدم التعديلات المتآصلة في شكل الماس في المجوهرات والفوليريت واللونسداليت في علم الصواريخ. يتم تصنيع مواد التشحيم المختلفة للآليات والمعدات التقنية وغير ذلك الكثير من مركبات الكربون. لا تستطيع الصناعة حاليًا الاستغناء عن الكربون، فهو يُستخدم في كل مكان!