Органичната химия е химията на въглеродния атом. Номер органични съединениядесетки пъти повече от неорганичните, което може да бъде само обяснено характеристики на въглеродния атом :

а) той е вътре средата на скалата на електроотрицателността и втория период, следователно за него е неизгодно да отдава собствените си и да приема чужди електрони и да придобива положителен или отрицателен заряд;

б) специална структура на електронната обвивка - Не електронни двойкии свободни орбитали (има само още един атом с подобна структура - водород, което вероятно е причината въглеродът и водородът да образуват толкова много съединения - въглеводороди).

Електронна структура на въглеродния атом

C – 1s 2 2s 2 2p 2 или 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

В графичен вид:

Въглероден атом във възбудено състояние има следната електронна формула:

*C – 1s 2 2s 1 2p 3 или 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

Под формата на клетки:

Форма на s- и p-орбиталите

Атомна орбитала - областта на пространството, където е най-вероятно да се намери електрон, със съответните квантови числа.

Това е триизмерна електронна "контурна карта", в която вълновата функция определя относителната вероятност за намиране на електрон в тази конкретна точка на орбитата.

Относителните размери на атомните орбитали се увеличават с нарастването на техните енергии ( главно квантово число- n), а тяхната форма и ориентация в пространството се определя от квантовите числа l и m. Електроните в орбиталите се характеризират със спиново квантово число. Всяка орбитала може да съдържа не повече от 2 електрона с противоположни спинове.

Когато образува връзки с други атоми, въглеродният атом трансформира своята електронна обвивка, така че да се образуват най-здравите връзки и следователно се освобождава възможно най-много енергия и системата придобива най-голяма стабилност.

Промяната на електронната обвивка на атом изисква енергия, която след това се компенсира чрез образуването на по-здрави връзки.

Трансформацията на електронната обвивка (хибридизация) може да бъде главно от 3 вида, в зависимост от броя на атомите, с които въглеродният атом образува връзки.

Видове хибридизация:

sp 3 – атомът образува връзки с 4 съседни атома (тетраедрична хибридизация):

Електронна формула на sp 3 – хибриден въглероден атом:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 под формата на клетки

Ъгълът на връзката между хибридните орбитали е ~109°.

Стереохимична формула на въглероден атом:

sp 2 – Хибридизация ( валентно състояние) – атомът образува връзки с 3 съседни атома (тригонална хибридизация):

Електронна формула на sp 2 – хибриден въглероден атом:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 под формата на клетки

Ъгълът на връзката между хибридните орбитали е ~120°.

Стереохимична формула на sp 2 - хибриден въглероден атом:

sp– Хибридизация (валентно състояние) – атомът образува връзки с 2 съседни атома (линейна хибридизация):

Електронна формула на sp – хибриден въглероден атом:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 под формата на клетки

Ъгълът на връзката между хибридните орбитали е ~180°.

Стереохимична формула:

S-орбиталата участва във всички видове хибридизация, т.к има минимална енергия.

Преструктурирането на електронния облак позволява образуването на възможно най-силни връзки и минимално взаимодействие на атомите в получената молекула. При което хибридните орбитали може да не са идентични, но ъглите на свързване може да са различни, например CH2Cl2 и CCl4

2. Ковалентни връзки във въглеродните съединения

Ковалентни връзки, свойства, методи и причини за образуване - училищна програма.

Само да ви напомня:

1. Образование Комуникации между атомите може да се разглежда като резултат от припокриването на техните атомни орбитали и колкото по-ефективно е то (колкото по-голям е интегралът на припокриване), толкова по-силна е връзката.

Според изчислените данни относителната ефективност на припокриване на атомните орбитали S rel се увеличава, както следва:

Следователно използването на хибридни орбитали, като sp 3 въглеродни орбитали, за образуване на връзки с четири водородни атома води до по-здрави връзки.

2. Ковалентните връзки във въглеродните съединения се образуват по два начина:

а)Ако две атомни орбитали се припокриват по главните си оси, получената връзка се нарича - σ връзка.

Геометрия.По този начин, когато се образуват връзки с водородни атоми в метан, четири хибридни sp 3 ~ орбитали на въглеродния атом се припокриват с s-орбиталите на четири водородни атома, образувайки четири идентични силни σ връзки, разположени под ъгъл от 109°28" спрямо всяка друго (стандартен тетраедричен ъгъл) Подобна строго симетрична тетраедрична структура също възниква, например, по време на образуването на CCl 4; ако атомите, образуващи връзки с въглерода, са неравни, например в случая на CH 2 C1 2, пространствената структура ще се различава донякъде от напълно симетричен, въпреки че по същество остава тетраедричен.

σ дължина на връзкатамежду въглеродните атоми зависи от хибридизацията на атомите и намалява по време на прехода от sp 3 - хибридизация към sp. Това се обяснява с факта, че s-орбиталата е по-близо до ядрото, отколкото p-орбиталата, следователно, колкото по-голям е нейният дял в хибридната орбитала, толкова по-къса е тя и следователно толкова по-къса е образуваната връзка

B) Ако две атомни стр -орбиталите, разположени успоредно една на друга, извършват странично припокриване над и под равнината, където са разположени атомите, тогава получената връзка се нарича - π (пи) -комуникация

Странично припокриванеатомните орбитали е по-малко ефективно от припокриването по главната ос, така че π - връзките са по-малко здрави от σ - връзки. Това се проявява по-специално във факта, че енергията на двойна връзка въглерод-въглерод е по-малко от два пъти енергията на единична връзка. По този начин енергията на връзката C-C в етана е 347 kJ/mol, докато енергията на връзката C = C в етена е само 598 kJ/mol, а не ~ 700 kJ/mol.

Степен на странично припокриване на две атомни 2p орбитали , и следователно сила π -връзките са максимални, ако има два въглеродни атома и четири свързани с тях атомите са разположени строго в една равнина, т.е. ако те компланарен , тъй като само в този случай атомните 2p орбитали са точно успоредни една на друга и следователно са способни на максимално припокриване. Всяко отклонение от копланарното състояние поради въртене наоколо σ - връзката, свързваща два въглеродни атома, ще доведе до намаляване на степента на припокриване и съответно до намаляване на силата π -връзка, която по този начин помага да се поддържа плоскостта на молекулата.

Завъртанеоколо двойна връзка въглерод-въглерод не е възможно.

Разпределение π -електрони над и под равнината на молекулата означава съществуването области с отрицателен заряд, готов да взаимодейства с всякакви реагенти с дефицит на електрони.

Атомите на кислорода, азота и др. също имат различни валентни състояния (хибридизация), като техните електронни двойки могат да бъдат както в хибридни, така и в p-орбитали.

КАРБОН, C, химичен елемент от IV група на периодичната таблица, атомно тегло 12.00, сериен номер 6. Доскоро се смяташе, че въглеродът няма изотопи; Едва наскоро беше възможно, като се използват особено чувствителни методи, да се открие съществуването на изотопа C 13. Въглеродът е един от основни елементичрез неговото разпространение, чрез изобилието и разнообразието на неговите съединения, чрез неговото биологично значение (като органоген), чрез широкото техническо използване на самия въглерод и неговите съединения (като суровини и като източник на енергия за промишлени и битови нужди) , и накрая от ролята му в развитието на химическата наука. Въглеродът в свободно състояние проявява ясно изразен феномен на алотропия, известен от повече от век и половина, но все още не напълно проучен, както поради изключителната трудност да се получи въглерод в химически чиста форма, така и защото повечето от константите на алотропните модификации на въглерода варират значително в зависимост от морфологичните характеристики на тяхната структура, определени от метода и условията на производство.

Въглеродът образува две кристални форми – диамант и графит и е познат и в аморфно състояние под формата на т.нар. аморфни въглища. Идентичността на последния е оспорена в резултат на скорошни изследвания: въглищата са идентифицирани с графит, разглеждайки и двете като морфологични разновидности на една и съща форма - „черен въглерод“, и е обяснена разликата в свойствата им физическа структураи степента на дисперсност на веществото. Въпреки това, в самото напоследъкполучени са факти, потвърждаващи съществуването на въглищата като специална алотропна форма (виж по-долу).

Естествени източници и запаси от въглерод. По отношение на разпространението в природата въглеродът се нарежда на 10-то място сред елементите, съставлявайки 0,013% от атмосферата, 0,0025% от хидросферата и около 0,35% от общата маса на земната кора. По-голямата част от въглерода е под формата на кислородни съединения: атмосферният въздух съдържа ~800 милиарда тона въглерод под формата на CO 2 диоксид; във водата на океаните и моретата - до 50 000 милиарда тона въглерод под формата на CO 2, йони на въглеродна киселина и бикарбонати; в скалите - неразтворими карбонати (калций, магнезий и други метали), а делът само на CaCO 3 възлиза на ~ 160·10 6 милиарда тона въглерод. Тези колосални запаси обаче не представляват никаква енергийна стойност; много по-ценни са горимите въглеродни материали - изкопаеми въглища, торф, след това нефт, въглеводородни газове и други природни битуми. Резервът на тези вещества в земната кора също е доста значителен: общата маса на въглерода в изкопаемите въглища достига ~6000 милиарда тона, в нефта ~10 милиарда тона и т.н. В свободно състояние въглеродът е доста рядък (диамант и част на графитното вещество). Изкопаемите въглища съдържат почти или никакъв свободен въглерод: те се състоят от гл. обр. на високомолекулни (полициклични) и много стабилни съединения на въглерод с други елементи (H, O, N, S) все още са много малко проучени. Въглеродни съединения на живата природа (биосфера глобус), синтезирани в растителни и животински клетки, се отличават с изключително разнообразие от свойства и съставни количества; най-често срещаните вещества в растителния свят - фибри и лигнин - също играят роля като енергийни ресурси. Въглеродът поддържа постоянно разпространение в природата благодарение на непрекъснат цикъл, чийто цикъл се състои от синтеза на сложни органични вещества в растителни и животински клетки и обратното разпадане на тези вещества по време на тяхното окислително разлагане (горене, гниене, дишане), водещо до образуването на CO 2, който отново се използва от растенията за синтез. Общата схема на този цикъл може да бъде представени в следния вид:

Производство на въглерод. Въглеродните съединения от растителен и животински произход са нестабилни при високи температури и при нагряване до поне 150-400°C без достъп на въздух се разлагат, освобождавайки вода и летливи въглеродни съединения и оставяйки твърд нелетлив остатък, богат на въглерод и обикновено наречен въглища. Този пиролитичен процес се нарича овъгляване или суха дестилация и се използва широко в технологиите. Високотемпературната пиролиза на изкопаеми въглища, нефт и торф (при температура 450-1150°C) води до освобождаване на въглерод в графитна форма (кокс, ретортни въглища). Колкото по-висока е температурата на овъгляване на изходните материали, толкова по-близки са получените въглища или кокс до свободния въглерод по състав и до графита по свойства.

Аморфните въглища, образувани при температури под 800°C, не могат. ние го считаме за свободен въглерод, тъй като съдържа значителни количества химически свързани други елементи, гл. обр. водород и кислород. От техническите продукти свойствата са най-близки до аморфните въглища Активен въглени сажди. Най-чистите въглища може да са получен чрез овъгляване на чиста захар или пиперонал, специална обработка на газови сажди и др. Изкуственият графит, получен чрез електротермични средства, е почти чист въглерод по състав. Естественият графит винаги е замърсен с минерални примеси и също така съдържа известно количество свързан водород (Н) и кислород (О); в сравнително чисто състояние може. получени само след редица специални обработки: механично обогатяване, измиване, обработка с окислители и калциниране при висока температурадо пълното отстраняване на летливите вещества. Във въглеродната технология никога не се работи с напълно чист въглерод; Това се отнася не само за естествените въглеродни суровини, но и за продуктите от неговото обогатяване, обновяване и термично разлагане (пиролиза). По-долу е въглеродното съдържание на някои въглеродни материали (в%):

Физични свойства на въглерода. Свободният въглерод е почти напълно нетопим, нелетлив и при обикновени температури неразтворим в нито един от известните разтворители. Разтваря се само в някои разтопени метали, особено при температури, близки до точката на кипене на последните: в желязо (до 5%), сребро (до 6%) | рутений (до 4%), кобалт, никел, злато и платина. При липса на кислород въглеродът е най-устойчивият на топлина материал; течно състояниеза чистия въглерод е неизвестен и превръщането му в пара започва едва при температури над 3000°C. Следователно, определянето на свойствата на въглерода е извършено изключително за твърдо агрегатно състояние. От въглеродните модификации диамантът има най-постоянни физични свойства; свойствата на графита в различните му проби (дори най-чистите) варират значително; Свойствата на аморфните въглища са още по-променливи. Най-важните физични константи на различните модификации на въглерода са сравнени в таблицата.

Диамантът е типичен диелектрик, докато графитът и въглеродът имат метална електрическа проводимост. В абсолютна стойност тяхната проводимост варира в много широк диапазон, но за въглищата тя винаги е по-ниска, отколкото за графитите; в графитите проводимостта на реалните метали се приближава. Топлинният капацитет на всички въглеродни модификации при температури >1000°C клони към постоянна стойност от 0,47. При температури под -180°C, топлинният капацитет на диаманта става изчезващо малък и при -27°C практически става нула.

Химични свойства на въглерода. При нагряване над 1000°C и диамантът, и въглищата постепенно се превръщат в графит, който следователно трябва да се счита за най-стабилната (при високи температури) монотропна форма на въглерода. Трансформацията на аморфните въглища в графит очевидно започва около 800°C и завършва при 1100°C (в тази последна точка въглищата губят своята адсорбционна активност и способността си да се реактивират и тяхната електропроводимост се увеличава рязко, оставайки почти постоянна в бъдеще). Свободният въглерод се характеризира с инертност при обикновени температури и значителна активност при високи температури. Аморфните въглища са химически най-активни, докато диамантът е най-устойчив. Например флуорът реагира с въглища при температура 15°C, с графит само при 500°C, а с диамант при 700°C. При нагряване на въздух порестите въглища започват да се окисляват под 100°C, графитът при около 650°C, а диамантът над 800°C. При температури от 300°C и повече въглищата се свързват със сярата, за да образуват въглероден дисулфид CS 2. При температури над 1800 ° C въглеродът (въглища) започва да взаимодейства с азота, образувайки (в малки количества) цианоген C 2 N 2. Взаимодействието на въглерод с водород започва при 1200 ° C, а в температурния диапазон 1200-1500 ° C се образува само метан CH 4; над 1500°C - смес от метан, етилен (C 2 H 4) и ацетилен (C 2 H 2); при температури от порядъка на 3000°C се получава почти изключително ацетилен. При температурата на електрическата дъга въглеродът влиза в пряка връзка с метали, силиций и бор, образувайки съответните карбиди. Директни или индиректни начини могат. са получени съединения на въглерода с всички известни елементи, с изключение на газовете от нулевата група. Въглеродът е неметален елемент, който проявява някои признаци на амфотерност. Въглеродният атом има диаметър 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) и съдържа във външната сфера 4 валентни електрона, които еднакво лесно се предават или добавят към 8; следователно нормалната валентност на въглерода, както на кислорода, така и на водорода, е четири. В по-голямата част от своите съединения въглеродът е четиривалентен; Известни са само малък брой съединения на двувалентен въглерод (въглероден оксид и неговите ацетали, изонитрили, фулминатна киселина и нейните соли) и тривалентен въглерод (т.нар. „свободен радикал“).

С кислорода въглеродът образува два нормални оксида: кисел въглероден диоксид CO2 и неутрален въглероден оксид CO. Освен това има редица въглеродни субоксидисъдържащи повече от 1 C атом и без техническо значение; От тях най-известният е субоксид със състав C 3 O 2 (газ с точка на кипене +7 ° C и точка на топене -111 ° C). Първият продукт от изгарянето на въглерод и неговите съединения е CO 2, образуван съгласно уравнението:

C+O 2 = CO 2 +97600 кал.

Образуването на CO при непълно изгаряне на горивото е резултат от вторичен процес на редукция; Редуциращият агент в този случай е самият въглерод, който при температури над 450°C реагира с CO 2 съгласно уравнението:

CO 2 +C = 2СО -38800 кал;

тази реакция е обратима; над 950°C превръщането на CO 2 в CO става почти пълно, което се извършва в пещи за генериране на газ. Енергийната редуцираща способност на въглерода при високи температури се използва и при производството на воден газ (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) и в металургичните процеси за получаване на свободен метал от неговия оксид. Алотропните форми на въглерод реагират по различен начин на действието на някои окислители: например смес от KCIO 3 + HNO 3 изобщо не влияе върху диаманта, аморфните въглища се окисляват напълно до CO 2, докато графитът произвежда ароматни съединения - графитни киселини с емпиричната формула (C 2 OH) x нататък мелитова киселина C6(COOH)6. Съединенията на въглерод с водород - въглеводороди - са изключително многобройни; от тях генетично се получават повечето други органични съединения, които освен въглерод най-често включват Н, О, N, S и халогени.

Изключителното разнообразие от органични съединения, от които са известни до 2 милиона, се дължи на някои особености на въглерода като елемент. 1) Въглеродът се характеризира със силна химическа връзка с повечето други елементи, както метални, така и неметални, поради което образува доста стабилни съединения и с двата. Когато се комбинира с други елементи, въглеродът има много малка склонност да образува йони. Повечето органични съединения са от хомеополярен тип и не се дисоциират при нормални условия; Разкъсването на вътрешномолекулните връзки в тях често изисква изразходване на значително количество енергия. Когато се преценява силата на връзките, трябва обаче да се прави разлика; а) абсолютна сила на връзката, измерена термохимично, и б) способността на връзката да се разкъса под въздействието на различни реагенти; тези две характеристики не винаги съвпадат. 2) Въглеродните атоми се свързват един с друг с изключителна лекота (неполярни), образувайки въглеродни вериги, отворени или затворени. Дължината на такива вериги очевидно не подлежи на никакви ограничения; По този начин са известни доста стабилни молекули с отворени вериги от 64 въглеродни атома. Удължаването и сложността на отворените вериги не оказва влияние върху силата на връзката на техните връзки помежду си или с други елементи. Сред затворените вериги най-лесно се образуват 6- и 5-членни пръстени, въпреки че са известни пръстенни вериги, съдържащи от 3 до 18 въглеродни атома. Способността на въглеродните атоми да се свързват добре обяснява специалните свойства на графита и механизма на процесите на овъгляване; то също така изяснява факта, че въглеродът е непознат под формата на двуатомни С2 молекули, което може да се очаква по аналогия с други леки неметални елементи (в парообразна форма въглеродът се състои от едноатомни молекули). 3) Поради неполярния характер на връзките, много въглеродни съединения имат химическа инертност не само външно (бавна реакция), но и вътрешно (трудност на вътрешномолекулните пренареждания). Наличието на големи „пасивни съпротивления“ значително усложнява спонтанната трансформация на нестабилни форми в стабилни, често намалявайки скоростта на такава трансформация до нула. Резултатът от това е възможността за внедряване голямо числоизомерни форми, почти еднакво стабилни при обикновени температури.

Алотропия и атомна структура на въглерода. Рентгеновият анализ направи възможно надеждното установяване на атомната структура на диаманта и графита. Същият метод на изследване хвърли светлина върху въпроса за съществуването на трета алотропна модификация на въглерода, което по същество е въпрос за аморфността или кристалността на въглищата: ако въглищата са аморфно образувание, то не може. не се идентифицира нито с графит, нито с диамант, но трябва да се разглежда като специална форма на въглерода, като индивидуално просто вещество. В диаманта въглеродните атоми са подредени по такъв начин, че всеки атом се намира в центъра на тетраедър, чиито върхове са 4 съседни атома; всеки от последните на свой ред е център на друг подобен тетраедър; разстоянията между съседни атоми са 1,54 Ᾰ (ръбът на елементарен куб от кристалната решетка е 3,55 Ᾰ). Тази структура е най-компактната; съответства на високата твърдост, плътност и химическа инертност на диаманта (равномерно разпределение на валентните сили). Взаимната връзка на въглеродните атоми в диамантената решетка е същата като в молекулите на повечето органични съединения от мастната серия (тетраедричен модел на въглерода). В графитните кристали въглеродните атоми са подредени в плътни слоеве, разположени на разстояние 3,35-3,41 Ᾰ един от друг; посоката на тези слоеве съвпада с равнините на разцепване и равнините на плъзгане при механични деформации. В равнината на всеки слой атомите образуват решетка с шестоъгълни клетки (компании); страната на такъв шестоъгълник е 1,42-1,45 Ᾰ. В съседни слоеве шестоъгълниците не лежат един под друг: тяхното вертикално съвпадение се повтаря само след 2 слоя в третия. Трите връзки на всеки въглероден атом лежат в една и съща равнина, образувайки ъгли от 120°; Четвъртата връзка е насочена последователно в една или друга посока от равнината към атомите на съседните слоеве. Разстоянията между атомите в един слой са строго постоянни, но разстоянието между отделните слоеве може да бъде променен външни влияния: така, когато се пресова под налягане до 5000 atm, той намалява до 2,9 Ᾰ, а когато графитът набъбва в концентриран HNO 3, той се увеличава до 8 Ᾰ. В равнината на един слой въглеродните атоми са свързани хомеополярно (както във въглеводородните вериги), но връзките между атомите на съседните слоеве са по-скоро метални по природа; това е видно от факта, че електрическата проводимост на графитните кристали в посока, перпендикулярна на слоевете, е ~100 пъти по-висока от проводимостта в посока на слоя. Че. графитът има свойствата на метал в една посока и свойствата на неметал в другата. Подредбата на въглеродните атоми във всеки слой на графитната решетка е точно същата като в молекулите на сложните ядрени ароматни съединения. Тази конфигурация добре обяснява рязката анизотропия на графита, изключително развитото разцепване, антифрикционните свойства и образуването на ароматни съединения по време на неговото окисляване. Аморфната модификация на черния въглерод очевидно съществува като независима форма(О. Ръф). За него най-вероятна е пенообразна клетъчна структура, лишена от всякаква закономерност; стените на такива клетки са образувани от слоеве активни атомивъглерод дебелина около 3 атома. На практика активното вещество на въглищата обикновено се намира под обвивка от близко разположени неактивни въглеродни атоми, ориентирани графично, и е проникнато от включвания на много малки графитни кристалити. Вероятно няма конкретна точка на трансформация на въглища → графит: между двете модификации има непрекъснат преход, по време на който произволно претъпканата маса от С-атоми на аморфни въглища се трансформира в правилна кристална решетка на графит. Поради тяхното произволно подреждане, въглеродните атоми в аморфните въглища проявяват максимален остатъчен афинитет, който (според идеите на Langmuir за идентичността на адсорбционните сили с валентните сили) съответства на високата адсорбционна и каталитична активност, толкова характерна за въглищата. Въглеродните атоми, ориентирани в кристалната решетка, изразходват целия си афинитет (в диаманта) за взаимно сцепление, или повечетонего (в графит); Това съответства на намаляване на химичната активност и адсорбционната активност. В диаманта адсорбцията е възможна само на повърхността на единичен кристал, докато в графита остатъчната валентност може да се появи и на двете повърхности на всяка плоска решетка (в „пукнатините“ между слоевете атоми), което се потвърждава от факта, че графитът може да набъбне в течности (HNO 3) и механизмът на неговото окисляване в графитова киселина.

Техническо значение на въглерода. Що се отнася до b. или м. свободен въглерод, получен по време на процесите на овъгляване и коксуване, тогава използването му в технологията се основава както на неговите химични (инертност, редуцираща способност), така и на неговите физични свойства (топлоустойчивост, електропроводимост, адсорбционна способност). Така коксът и дървените въглища, в допълнение към частичното им директно използване като безпламъчно гориво, се използват за производство на газообразно гориво (генераторни газове); в металургията на черни и цветни метали - за редукция на метални оксиди (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); в химическата технология - като редуциращ агент при производството на сулфиди (Na, Ca, Ba) от сулфати, безводни хлоридни соли (Mg, Al), от метални оксиди, в производството на разтворимо стъкло и фосфор - като суровина за производството на калциев карбид, карборунд и други карбиди, въглероден дисулфид и др.; в строителството - като топлоизолационен материал. Ретортните въглища и коксът служат като материали за електроди на електрически пещи, електролитни вани и галванични клетки, за производство на дъгови въглища, реостати, комутационни четки, топилни тигли и др., А също и като дюза в химическо оборудване от тип кула. В допълнение към горните приложения, въгленът се използва за производство на концентриран въглероден окис, цианидни соли, за циментиране на стомана, широко се използва като адсорбент, като катализатор за някои синтетични реакции и накрая се включва в черен барут и други експлозиви и пиротехнически състави.

Аналитично определяне на въглерод. Въглеродът се определя качествено чрез овъгляване на проба от вещество без достъп до въздух (което не е подходящо за всички вещества) или, което е много по-надеждно, чрез пълното му окисляване, например чрез калциниране в смес с меден оксид и образуването на CO 2 се доказва чрез обикновени реакции. За количествено определяне на въглерода проба от веществото се изгаря в кислородна атмосфера; полученият CO 2 се улавя от алкален разтвор и се определя по тегло или обем, като се използват конвенционални методи за количествен анализ. Този метод е подходящ за определяне на въглерод не само в органични съединения и технически въглища, но и в метали.

В тази статия ще разгледаме елемент, който е част от периодичната таблица D.I. Менделеев, а именно въглерод. В съвременната номенклатура се обозначава със символа С, включен е в четиринадесета група и е „участник” във втория период, има шести пореден номер и а.у.м. = 12,0107.

Атомни орбитали и тяхната хибридизация

Нека започнем да разглеждаме въглерода с неговите орбитали и тяхната хибридизация - основните му характеристики, благодарение на които той все още учудва учените по света. Каква е тяхната структура?

Хибридизацията на въглеродния атом е подредена по такъв начин, че валентните електрони заемат позиции в три орбитали, а именно: една е в 2s орбитала и две са в 2p орбитали. Последните две от трите орбитали образуват ъгъл от 90 градуса една спрямо друга, а 2s орбиталата има сферична симетрия. Тази форма на подреждане на разглежданите орбитали обаче не ни позволява да разберем защо въглеродът, когато влиза в органични съединения, образува ъгли от 120, 180 и 109,5 градуса. Формулата за електронната структура на въглеродния атом се изразява в следната форма: (He) 2s 2 2p 2.

Разрешението на възникналото противоречие беше направено чрез въвеждане в обращение на концепцията за хибридизация на атомните орбитали. За да се разбере триъгълната, вариантна природа на C, беше необходимо да се създадат три форми на представяне на неговата хибридизация. Основният принос за появата и развитието на тази концепция е на Линус Полинг.

Физични свойства

Структурата на въглеродния атом определя наличието на редица определени физически характеристики. Атомите на този елемент образуват просто вещество - въглерод, което има модификации. Вариациите в промените в неговата структура могат да дадат на полученото вещество различни качествени характеристики. Причината за наличието на голям брой въглеродни модификации е способността му да установява и образува различни видове връзки от химическо естество.

Структурата на въглеродния атом може да варира, което му позволява да има определен брой изотопни форми. Въглеродът, открит в природата, се образува от два изотопа в стабилно състояние - 12 C и 13 C - и изотоп с радиоактивни свойства - 14 C. Последният изотоп е концентриран в горни слоевеземната кора и в атмосферата. Поради влиянието на космическото лъчение, а именно неговите неутрони, върху ядрото на азотните атоми се образува радиоактивният изотоп 14 C. След средата на 50-те години на ХХ век той започва да попада в заобикаляща средакато продукт, създаден от човека, образуван по време на работата на атомни електроцентрали, и поради използването на водородна бомба. Именно върху процеса на разпадане на 14 C се основава радиовъглеродната техника за датиране, намерила широко приложение в археологията и геологията.

Модификация на въглерода в алотропна форма

В природата има много вещества, които съдържат въглерод. Човек използва структурата на въглеродния атом за свои собствени цели, когато създава различни вещества, сред които:

1. Кристални въглероди (диаманти, въглеродни нанотръби, влакна и жици, фулерени и др.).
2. Аморфни въглероди (активен въглен и въглен, различни видовекокс, сажди, сажди, нанопяна и антрацит).
3. Клъстерни форми на въглерод (дивъглероди, наноконуси и астралени съединения).

Структурни особености на структурата на атома

Електронната структура на въглероден атом може да има различни геометрии, които зависят от нивото на хибридизация на орбиталите, които притежава. Има 3 основни типа геометрия:

1. Тетраедричен - създаден поради изместването на четири електрона, един от които е s-електрони, а три принадлежат към p-електрони. С атомът заема централна позиция в тетраедъра и е свързан чрез четири еквивалентни сигма връзки с други атоми, заемащи върха на този тетраедър. Тази геометрична подредба на въглерод може да произведе алотропи като диамант и лонсдейлит.
2. Тригонална - дължи появата си на изместването на три орбитали, от които една е s- и две са p-. Тук има три сигма връзки, които са в еквивалентна позиция една спрямо друга; лежат в обща равнина и поддържат ъгъл от 120 градуса един спрямо друг. Свободната p-орбитала е разположена перпендикулярно на равнината на сигма връзката. Графитът има подобна структурна геометрия.
3. Диагонал - появява се поради смесването на s- и p-електрони (sp хибридизация). Електронните облаци се простират по общата посока и приемат формата на асиметричен дъмбел. Свободните електрони създават π връзки. Тази геометрична структура на въглерода води до появата на карбин, специална форма на модификация.

Въглеродни атоми в природата

Структурата и свойствата на въглеродния атом отдавна са обмислени от човека и се използват за получаване на голям брой различни вещества. Атомите на този елемент, поради уникалната си способност да образуват различни химични връзки и наличието на орбитална хибридизация, създават много различни алотропни модификации с участието само на един елемент, от атоми от един и същи вид - въглерод.

В природата въглеродът се намира в земната кора; приема формата на диаманти, графити, различни горими природни ресурси, например нефт, антрацит, кафяви въглища, шисти, торф и др. Той е част от газовете, използвани от хората в енергийната индустрия. Въглеродът в неговия диоксид изпълва хидросферата и атмосферата на Земята, достигайки до 0,046% във въздуха и до шестдесет пъти повече във водата.

В човешкото тяло C се съдържа в количество приблизително равно на 21% и се екскретира главно чрез урината и издишания въздух. Същият елемент участва в биологичния цикъл, абсорбира се от растенията и се изразходва по време на процесите на фотосинтеза.

Въглеродните атоми, поради способността си да установяват различни ковалентни връзки и да изграждат вериги и дори цикли от тях, могат да създадат огромен брой органични вещества. В допълнение, този елемент е част от слънчевата атмосфера, като е в комбинация с водород и азот.

Свойства от химическо естество

Сега нека разгледаме структурата и свойствата на въглеродния атом от химическа гледна точка.

Важно е да се знае, че въглеродът проявява инертни свойства при нормални температури, но може да ни покаже редуциращи свойства под въздействието на високи температури. Основните степени на окисление са: + - 4, понякога +2, а също и +3.

Участва в реакции с голям брой елементи. Може да реагира с вода, водород, халогени, алкални метали, киселини, флуор, сяра и др.

Структурата на въглеродния атом поражда невероятно огромен брой вещества, обособени в отделен клас. Такива съединения се наричат ​​органични и се основават на С. Това е възможно поради свойството на атомите на този елемент да образуват полимерни вериги. Сред най-известните и обширни групи са протеини (протеини), мазнини, въглехидрати и въглеводородни съединения.

Методи на работа

Поради уникалната структура на въглеродния атом и съпътстващите го свойства, елементът се използва широко от хората, например при създаването на моливи, топене на метални тигли - тук се използва графит. Диамантите се използват като абразиви, бижута, свредла и др.

Фармакологията и медицината също се занимават с използването на въглерод в различни съединения. Този елемент е част от стоманата, служи като основа за всяко органично вещество, участва в процеса на фотосинтеза и т.н.

Токсичност на елемента

Структурата на атома на въглеродния елемент включва присъствието опасно влияниекъм живата материя. Въглеродът навлиза в света около нас в резултат на изгарянето на въглища в топлоелектрически централи, влиза в състава на газовете, произвеждани от автомобили, в случая на въглищен концентрат и др.

Процентното съдържание на въглерод в аерозолите е високо, което води до увеличаване на процента на заболелите хора. Най-често се засягат горните дихателни пътища и белите дробове. Някои заболявания могат да бъдат класифицирани като професионални, например прахов бронхит и заболявания от групата на пневмокониозите.

14 C е токсичен и силата на неговото въздействие се определя от взаимодействието на радиацията с β-частиците. Този атом е включен в състава на биологични молекули, включително тези, открити в дезокси- и рибонуклеиновите киселини. Допустимото количество от 14 C във въздуха на работна зона се счита за 1,3 Bq/l. Максималното количество въглерод, постъпващо в тялото по време на дишане, съответства на 3,2*10 8 Bq/година.

Съдържанието на статията

ВЪГЛЕРОД, C (carboneum), неметален химичен елемент от група IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) от периодичната таблица на елементите. В природата се среща под формата на диамантени кристали (фиг. 1), графит или фулерен и други форми и е част от органичните (въглища, нефт, животински и растителни организми и др.) и неорганични вещества(варовик, сода за хляби т.н.).

Въглеродът е широко разпространен, но съдържанието му в земната кора е само 0,19%.

Въглеродът се използва широко под формата на прости вещества. В допълнение към скъпоценните диаманти, които са предмет на бижута, голямо значениеимат индустриални диаманти - за производство на шлифовъчни и режещи инструменти.

Въглен и други аморфни форми на въглерод се използват за обезцветяване, пречистване, адсорбция на газ и в области на технологията, където се изискват адсорбенти с развита повърхност. Карбидите, съединенията на въглерод с метали, както и с бор и силиций (например Al 4 C 3, SiC, B 4 C) се характеризират с висока твърдост и се използват за производството на абразивни и режещи инструменти. Въглеродът е част от стоманите и сплавите в елементарно състояние и под формата на карбиди. Насищането на повърхността на стоманените отливки с въглерод при високи температури (циментиране) значително повишава повърхностната твърдост и устойчивост на износване. Вижте същоСПЛАВИ.

В природата има много различни форми на графит; някои са получени изкуствено; Има аморфни форми (например кокс и въглен). При изгаряне на въглеводороди в отсъствието на кислород се образуват сажди, костен овъглен, лампова черна и ацетиленова черна. Т.нар бял въглеродполучен чрез сублимация на пиролитичен графит при понижено налягане - това са малки прозрачни кристали от графитни листа със заострени ръбове.

Историческа справка.

Графит, диамант и аморфен въглерод са известни от древността. Отдавна е известно, че графитът може да се използва за маркиране на други материали, а самото име „графит“, което идва от гръцката дума, означаваща „да пиша“, е предложено от А. Вернер през 1789 г. Въпреки това, историята на графита е сложен; вещества с подобни външни физични свойства често се бъркат с него, като молибденит (молибденов сулфид), по едно време смятан за графит. Други имена за графит включват "черно олово", "железен карбид" и "сребърно олово". През 1779 г. К. Шееле установи, че графитът може да се окисли с въздух, за да се образува въглероден двуокис.

Диамантите за първи път намират употреба в Индия, а в Бразилия скъпоценните камъни стават търговски важни през 1725 г.; находища в Южна Африка са открити през 1867 г. През 20в. Основните производители на диаманти са Южна Африка, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сиера Леоне, Танзания и Русия. Изкуствените диаманти, чиято технология е създадена през 1970 г., се произвеждат за промишлени цели.

Алотропия.

Ако структурните единици на дадено вещество (атоми за едноатомни елементи или молекули за многоатомни елементи и съединения) могат да се комбинират помежду си в повече от една кристална форма, това явление се нарича алотропия. Въглеродът има три алотропни модификации: диамант, графит и фулерен. В диаманта всеки въглероден атом има 4 тетраедрално подредени съседи, образуващи кубична структура (фиг. 1, А). Тази структура съответства на максималната ковалентност на връзката и всичките 4 електрона на всеки въглероден атом образуват високоякостни C–C връзки, т.е. В структурата няма електрони на проводимост. Следователно диамантът се характеризира с липса на проводимост, ниска топлопроводимост и висока твърдост; това е най-твърдото известно вещество (фиг. 2). Разкъсването на C–C връзката (дължина на връзката 1,54 Å, следователно ковалентен радиус 1,54/2 = 0,77 Å) в тетраедрична структура изисква големи количества енергия, така че диамантът, заедно с изключителна твърдост, се характеризира с висока точка на топене (3550 ° ° С).

Друга алотропна форма на въглерода е графитът, който има много различни свойства от диаманта. Графитът е меко черно вещество, съставено от лесно ексфолиращи се кристали, характеризиращи се с добра електропроводимост ( електрическо съпротивление 0,0014 Ohm cm). Поради това графитът се използва в дъгови лампи и пещи (фиг. 3), в които е необходимо да се създадат високи температури. Графитът с висока чистота се използва в ядрените реактори като модератор на неутрони. Неговата точка на топене при високо кръвно наляганеравна на 3527° C. При нормално налягане графитът сублимира (преминава от твърдо в газообразно състояние) при 3780° C.

Структура на графит (фиг. 1, b) е система от слети шестоъгълни пръстени с дължина на връзката 1,42 Å (много по-къса, отколкото в диаманта), но всеки въглероден атом има три (а не четири, както в диаманта) ковалентни връзки с три съседни и четвъртата връзка ( 3,4 Å) е твърде дълъг за ковалентна връзка и слабо свързва паралелни графитни слоеве един с друг. Това е четвъртият електрон на въглерода, който определя термичната и електрическата проводимост на графита - тази по-дълга и по-малко силна връзка формира по-малката компактност на графита, което се отразява в по-ниската му твърдост в сравнение с диаманта (плътност на графита 2,26 g/cm3, диамант - 3,51 g / cm3). По същата причина графитът е хлъзгав на допир и лесно отделя люспи от веществото, поради което се използва за направата на лубрикант и глифи за моливи. Оловният блясък на оловото се дължи главно на наличието на графит.

Въглеродните влакна имат висока якост и могат да се използват за производство на коприна или други прежди с високо съдържание на въглерод.

При високо наляганеи температура в присъствието на катализатор като желязо, графитът може да се трансформира в диамант. Този процес се прилага за промишлено производство на изкуствени диаманти. На повърхността на катализатора растат диамантени кристали. Равновесието графит-диамант съществува при 15 000 atm и 300 K или при 4000 atm и 1500 K. Изкуствените диаманти могат да бъдат получени и от въглеводороди.

Аморфните форми на въглерода, които не образуват кристали, включват въглен, получен чрез нагряване на дървесина без достъп до въздух, лампа и газови сажди, образувани по време на нискотемпературно изгаряне на въглеводороди с липса на въздух и кондензирани върху студена повърхност, костен овъглен – добавка към калциевия фосфат по време на процеса на разрушаване костна тъкан, както и въглища (естествено вещество с примеси) и кокс, сух остатък, получен от коксуване на горива чрез суха дестилация на въглища или петролни остатъци (битуминозни въглища), т.е. отопление без достъп на въздух. Коксът се използва за топене на чугун и в черната и цветна металургия. При коксуването се образуват и газообразни продукти - коксов газ (H 2, CH 4, CO и др.) и химически продукти, които са суровини за производството на бензин, бои, торове, лекарства, пластмаси и др. Схема на основното устройство за производство на кокс - коксова пещ - е показана на фиг. 3.

Различните видове въглища и сажди имат развита повърхност и затова се използват като адсорбенти за пречистване на газове и течности, а също и като катализатори. За получаване на различни форми на въглерод те използват специални методихимическа технология. Изкуственият графит се произвежда чрез калциниране на антрацит или петролен кокс между въглеродни електроди при 2260 ° C (процес на Acheson) и се използва в производството на смазочни материали и електроди, по-специално за електролитно производство на метали.

Структура на въглеродния атом.

Ядрото на най-стабилния въглероден изотоп, маса 12 (98,9% изобилие), има 6 протона и 6 неутрона (12 нуклона), подредени в три квартета, всеки от които съдържа 2 протона и два неутрона, подобно на ядрото на хелия. Друг стабилен изотоп на въглерода е 13 C (около 1,1%), а в следи от количества в природата съществува нестабилен изотоп 14 C с период на полуразпад 5730 години, който има b- радиация. И трите изотопа участват в нормалния въглероден цикъл на живата материя под формата на CO 2 . След смъртта на живия организъм, консумацията на въглерод спира и C-съдържащите обекти могат да бъдат датирани чрез измерване на нивото на 14 C радиоактивност. b-14 CO 2 радиацията е пропорционална на времето, изминало от смъртта. През 1960 г. У. Либи получава Нобелова награда за изследването си с радиоактивен въглерод.

В основно състояние 6 електрона въглерод образуват електронна конфигурация 1 с 2 2с 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0 . Четири електрона от второ ниво са валентни, което съответства на позицията на въглерода в група IVA на периодичната таблица ( см. ПЕРИОДИЧНА СИСТЕМА ОТ ЕЛЕМЕНТИ). Тъй като е необходима голяма енергия за отстраняване на електрон от атом в газовата фаза (приблизително 1070 kJ/mol), въглеродът не образува йонни връзки с други елементи, тъй като това би изисквало отстраняването на електрон, за да се образува положителен йон. Имайки електроотрицателност от 2,5, въглеродът не проявява силен електронен афинитет и съответно не е активен акцептор на електрони. Следователно, той не е склонен да образува частици с отрицателен заряд. Но някои въглеродни съединения съществуват с частично йонен характер на връзката, например карбиди. В съединенията въглеродът проявява степен на окисление 4. За да могат четири електрона да участват в образуването на връзки, е необходимо сдвояване 2 с-електрони и скок на един от тези електрони с 2 p z-орбитален; в този случай се образуват 4 тетраедрични връзки с ъгъл между тях 109°. В съединенията валентните електрони на въглерода са само частично изтеглени от него, така че въглеродът образува силни ковалентни връзки между съседни C–C атоми, използвайки обща електронна двойка. Енергията на разкъсване на такава връзка е 335 kJ/mol, докато за връзката Si–Si е само 210 kJ/mol, така че дългите –Si–Si– вериги са нестабилни. Ковалентният характер на връзката се запазва дори в съединения на силно реактивни халогени с въглерод, CF 4 и CCl 4. Въглеродните атоми са способни да дарят повече от един електрон от всеки въглероден атом, за да образуват връзка; Така се образуват двойни C=C и тройни CєC връзки. Други елементи също образуват връзки между своите атоми, но само въглеродът може да образува дълги вериги. Следователно за въглерода са известни хиляди съединения, наречени въглеводороди, в които въглеродът е свързан с водород и други въглеродни атоми, за да образува дълги вериги или пръстенни структури. См. ОРГАНИЧНА ХИМИЯ.

В тези съединения е възможно водородът да се замени с други атоми, най-често с кислород, азот и халогени, за да се образуват различни органични съединения. Важни сред тях са флуоровъглеводородите - въглеводороди, в които водородът е заменен с флуор. Такива съединения са изключително инертни и се използват като пластмаси и смазочни материали (флуоровъглеводороди, т.е. въглеводороди, в които всички водородни атоми са заменени с флуорни атоми) и като нискотемпературни хладилни агенти (хлорфлуорвъглеводороди или фреони).

През 80-те години американските физици откриха много интересни връзкивъглерод, в който въглеродните атоми са свързани в 5- или 6-ъгълници, образувайки молекула C 60 във формата на куха топка, имаща перфектната симетрия на футболна топка. Тъй като този дизайн е в основата на „геодезичния купол“, изобретен от американския архитект и инженер Бъкминстър Фулър, нов классъединения се наричат ​​"бакминстерфулерени" или "фулерени" (а също и по-накратко - "фазиболс" или "бъкиболс"). Фулерените - третата модификация на чистия въглерод (с изключение на диамант и графит), състояща се от 60 или 70 (или дори повече) атома - са получени чрез въздействието на лазерно лъчение върху най-малките частици въглерод. Фулерените с по-сложни форми се състоят от няколкостотин въглеродни атома. Диаметърът на молекулата С е 60 ~ 1 nm. В центъра на такава молекула има достатъчно място, за да побере голям атом на уран.

Стандартна атомна маса.

През 1961 г. Международният съюз по чиста и приложна химия (IUPAC) и физика приема масата на въглеродния изотоп 12 C като единица за атомна маса, премахвайки съществуващата преди това кислородна скала на атомните маси. Атомна масавъглеродът в тази система е 12,011, тъй като е средното за трите естествени изотопа на въглерода, като се вземе предвид тяхното изобилие в природата. См. АТОМНА МАСА.

Химични свойства на въглерода и някои от неговите съединения.

Някои физически и Химични свойствавъглерод са дадени в статията ХИМИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ. Реактивността на въглерода зависи от неговата модификация, температура и дисперсия. При ниски температуривсички форми на въглерод са доста инертни, но при нагряване се окисляват от атмосферния кислород, образувайки оксиди:

Фино диспергиран въглерод в излишък на кислород може да експлодира при нагряване или от искра. В допълнение към директното окисляване има и други съвременни методиполучаване на оксиди.

Въглероден субоксид

C 3 O 2 се образува чрез дехидратация на малонова киселина върху P 4 O 10:

C 3 O 2 има лоша миризма, лесно се хидролизира, като отново образува малонова киселина.

Въглероден(II) оксид CO се образува по време на окисляването на всяка модификация на въглерода при условия на липса на кислород. Реакцията е екзотермична, отделят се 111,6 kJ/mol. Коксът реагира с вода при температура на бяло нагряване: C + H 2 O = CO + H 2 ; възникващи газова смеснаречен "воден газ" и е газообразно гориво. CO се образува и при непълно изгаряне на петролни продукти, намира се в забележими количества в автомобилните изгорели газове, получава се при термична дисоциация на мравчена киселина:

Степента на окисление на въглерода в CO е +2 и тъй като въглеродът е по-стабилен в степен на окисление +4, CO лесно се окислява от кислород до CO 2: CO + O 2 → CO 2, тази реакция е силно екзотермична (283 kJ /mol). CO се използва в промишлеността в смес с H2 и други запалими газове като гориво или газообразен редуциращ агент. При нагряване до 500° C CO образува C и CO 2 в забележима степен, но при 1000° C се установява равновесие при ниски концентрации на CO 2. CO реагира с хлор, образувайки фосген - COCl 2, реакциите с други халогени протичат по подобен начин, при реакция със серен карбонил сулфид се получава COS, с метали (M) CO образува карбонили с различни състави M (CO) х, които са сложни съединения. Железният карбонил се образува, когато кръвният хемоглобин реагира с CO, предотвратявайки реакцията на хемоглобина с кислорода, тъй като железният карбонил е по-силно съединение. В резултат на това се блокира функцията на хемоглобина като преносител на кислород към клетките, които след това умират (като основно се засягат мозъчните клетки). (Оттук и друго име за CO – „въглероден окис“). Вече 1% (об.) CO във въздуха е опасно за хората, ако са в такава атмосфера за повече от 10 минути. Някои физични свойства на CO са дадени в таблицата.

Въглероден диоксид или въглероден оксид (IV) CO 2 се образува при изгарянето на елементарен въглерод в излишък на кислород с отделяне на топлина (395 kJ/mol). CO 2 (тривиалното име е "въглероден диоксид") също се образува по време на пълното окисление на CO, петролни продукти, бензин, масла и други органични съединения. Когато карбонатите се разтварят във вода, CO 2 също се освобождава в резултат на хидролиза:

Тази реакция често се използва в лабораторната практика за получаване на CO 2 . Този газ може да се получи и чрез калциниране на метални бикарбонати:

по време на газофазово взаимодействие на прегрята пара с CO:

при изгаряне на въглеводороди и техните кислородни производни, например:

Те се окисляват по подобен начин хранителни продуктив жив организъм с освобождаване на топлинна и други видове енергия. В този случай окислението протича при меки условия през междинни етапи, но крайни продуктисъщото - CO 2 и H 2 O, както например по време на разлагането на захари под действието на ензими, по-специално по време на ферментацията на глюкозата:

Мащабното производство на въглероден диоксид и метални оксиди се извършва в промишлеността чрез термично разлагане на карбонати:

CaO се използва в големи количества в технологията за производство на цимент. Термичната стабилност на карбонатите и консумацията на топлина за тяхното разлагане по тази схема се увеличават в серията CaCO 3 ( Вижте същоПРОТИВОПОЖАРНА ПРЕДОТВРАТЯВАНЕ И ПРОТИВОПОЖАРНА ЗАЩИТА).

Електронна структура на въглеродните оксиди.

Електронната структура на всеки въглероден окис може да се опише с три еднакво вероятни схеми с различно подреждане на електронни двойки - три резонансни форми:

Всички въглеродни оксиди имат линейна структура.

Карбонова киселина.

Когато CO 2 реагира с вода, се образува въглена киселина H 2 CO 3. В наситен разтвор на CO 2 (0,034 mol/l) само някои от молекулите образуват H 2 CO 3, а по-голямата част от CO 2 е в хидратирано състояние CO 2 CHH 2 O.

Карбонати.

Карбонатите се образуват при взаимодействието на метални оксиди с CO 2, например Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

С изключение на карбонатите на алкални метали, останалите са практически неразтворими във вода, а калциевият карбонат е частично разтворим във въглена киселина или разтвор на CO 2 във вода под налягане:

Тези процеси протичат в подпочвените води, протичащи през варовиковия слой. В условия ниско наляганеи изпарение от подпочвените води, съдържащи Ca(HCO 3) 2, CaCO 3 се отлага. Ето как в пещерите растат сталактити и сталагмити. Цветът на тези интересни геоложки образувания се обяснява с наличието на примеси във водите от йони на желязо, мед, манган и хром. Въглеродният диоксид реагира с метални хидроксиди и техните разтвори, за да образува бикарбонати, например:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

CCl 4 тетрахлоридът е незапалимо вещество, използва се като разтворител в процесите на химическо чистене, но не се препоръчва използването му като пламъкогасител, тъй като при високи температури се образува токсичен фосген (газообразно токсично вещество). Самият CCl 4 също е отровен и, ако се вдиша в забележими количества, може да причини отравяне на черния дроб. CCl 4 също се образува от фотохимичната реакция между метан CH 4 и Cl 2; в този случай е възможно образуването на продукти от непълно хлориране на метан - CHCl3, CH2Cl2 и CH3Cl. Реакциите протичат по подобен начин с други халогени.

Реакции на графит.

Графитът като модификация на въглерода, характеризиращ се с големи разстояния между слоевете от шестоъгълни пръстени, влиза в необичайни реакции, например алкални метали, халогени и някои соли (FeCl 3) проникват между слоевете, образувайки съединения като KC 8, KC 16 (наречени интерстициални, инклюзивни или клатрати). Силни окислители като KClO 3 в кисела среда (сярна или азотна киселина) образуват вещества с голям обем на кристалната решетка (до 6 Å между слоевете), което се обяснява с въвеждането на кислородни атоми и образуването на съединения на чиято повърхност в резултат на окисление се образуват карбоксилни групи (–COOH) ) – съединения като окислен графит или мелитова (бензен хексакарбоксилна) киселина C 6 (COOH) 6. В тези съединения съотношението С:О може да варира от 6:1 до 6:2,5.

Карбиди.

Въглеродът образува различни съединения, наречени карбиди с метали, бор и силиций. Най-активните метали (IA-IIIA подгрупи) образуват солеподобни карбиди, например Na 2 C 2, CaC 2, Mg 4 C 3, Al 4 C 3. В промишлеността калциевият карбид се получава от кокс и варовик чрез следните реакции:

Карбидите са неелектропроводими, почти безцветни, хидролизират до образуване на въглеводороди, напр.

CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2

Ацетиленът C 2 H 2, образуван при реакцията, служи като изходен материал при производството на много органични вещества. Този процес е интересен, защото представлява преход от суровини от неорганичен характер към синтез на органични съединения. Карбидите, които образуват ацетилен при хидролиза, се наричат ​​ацетилениди. В силициевите и борните карбиди (SiC и B 4 C) връзката между атомите е ковалентна. Преходните метали (елементи от В-подгрупи) при нагряване с въглерод също образуват карбиди с променлив състав в пукнатини на металната повърхност; връзката в тях е близка до металната. Някои карбиди от този тип, например WC, W 2 C, TiC и SiC, се отличават с висока твърдост и огнеупорност и имат добра електропроводимост. Например NbC, TaC и HfC са най-огнеупорните вещества (т.т. = 4000–4200° C), диниобиевият карбид Nb 2 C е свръхпроводник при 9,18 K, TiC и W 2 C са близки по твърдост до диаманта, а твърдостта B 4 С (структурен аналог на диаманта) е 9,5 по скалата на Моос ( см. ориз. 2). Инертни карбиди се образуват, ако радиусът на преходния метал

Азотни производни на въглерода.

Тази група включва урея NH 2 CONH 2 - азотен тор, използван под формата на разтвор. Уреята се получава от NH3 и CO2 чрез нагряване под налягане:

Цианогенът (CN) 2 има много свойства, подобни на халогените и често се нарича псевдохалоген. Цианидът се получава чрез леко окисление на цианиден йон с кислород, водороден пероксид или Cu 2+ йон: 2CN – ® (CN) 2 + 2e.

Цианидният йон, като донор на електрони, лесно образува комплексни съединения с йони на преходни метали. Подобно на CO, цианидният йон е отрова, свързваща жизненоважни железни съединения в живия организъм. Цианидните комплексни йони имат обща формула –0,5 х, Където х– координационно число на метала (комплексообразовател), емпирично равно на удвоената степен на окисление на металния йон. Примери за такива комплексни йони са (структурата на някои йони е дадена по-долу) тетрацианоникелат(II) йон 2–, хексацианоферат(III) 3–, дицианоаргентат –:

Карбонили.

Въглеродният окис е способен да реагира директно с много метали или метални йони, образувайки сложни съединения, наречени карбонили, например Ni(CO) 4, Fe(CO) 5, Fe 2 (CO) 9, 3, Mo(CO) 6, 2 . Свързването в тези съединения е подобно на свързването в циано комплексите, описани по-горе. Ni(CO) 4 е летливо вещество, използвано за отделяне на никел от други метали. Влошаването на структурата на чугуна и стоманата в конструкциите често се свързва с образуването на карбонили. Водородът може да бъде част от карбонили, образувайки карбонилни хидриди, като H 2 Fe (CO) 4 и HCo (CO) 4, проявяващи киселинни свойстваи реагира с алкали:

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

Карбонил халогенидите също са известни, например Fe (CO) X 2, Fe (CO) 2 X 2, Co (CO) I 2, Pt (CO) Cl 2, където X е всеки халоген.

Въглеводороди.

Известни са огромен брой въглерод-водородни съединения

Въглеродът е може би основният и най-удивителен химичен елемент на Земята, защото с негова помощ се образува колосално количество различни съединения, както неорганични, така и органични. Въглеродът е основата на всички живи същества; можем да кажем, че въглеродът, заедно с водата и кислорода, е основата на живота на нашата планета! Въглеродът има различни форми, които не са сходни нито по своите физикохимични свойства, нито по външен вид. Но всичко е въглерод!

История на откриването на въглерода

Въглеродът е познат на човечеството от древни времена. Графитът и въглищата са били използвани от древните гърци, а диамантите са намерили приложение в Индия. Вярно е, че подобни на вид съединения често се бъркат с графит. Въпреки това, графитът е имал широко приложение в древни времена, особено за писане. Дори името му идва от гръцката дума “grapho” - “пиша”. Сега графитът се използва в моливите. Диамантите започват да се търгуват за първи път в Бразилия през първата половина на 18 век, оттогава са открити много находища, а през 1970 г. е разработена технологията за изкуствено производство на диаманти. Такива изкуствени диаманти се използват в индустрията, а естествените от своя страна се използват в бижутерията.

Въглерод в природата

Най-значителното количество въглерод се събира в атмосферата и хидросферата под формата на въглероден диоксид. Атмосферата съдържа около 0,046% въглерод, а още повече се разтваря в Световния океан.

Освен това, както видяхме по-горе, въглеродът е основата на живите организми. Например 70 кг човешко тяло съдържа около 13 кг въглерод! Това е само в един човек! Въглеродът също се намира във всички растения и животни. Така че помислете...

Въглероден цикъл в природата

Алотропни модификации на въглерода

Въглеродът е уникален химичен елемент, който образува така наречените алотропни модификации, или по-просто казано, различни форми. Тези модификации са разделени на кристални, аморфни и под формата на клъстери.

Кристалните модификации имат правилна кристална решетка. Тази група включва: диамант, фулерит, графит, лонсдейлит, въглеродни влакна и тръби. По-голямата част от кристалните модификации на въглерода са на първо място в класацията „Най-твърдите материали в света“.

Алотропни форми на въглерода: а) лонсдейлит; б) диамант;
в) графит; г) аморфен въглерод; д) C60 (фулерен); д) графен;
ж) едностенна нанотръба

Аморфните форми се образуват от въглерод с малки примеси на други химически елементи. Основните представители на тази група: въглища (каменни, дървени, активирани), сажди, антрацит.

Най-сложните и високотехнологични съединения са въглеродните съединения под формата на клъстери. Клъстерите са специална структура, в която въглеродните атоми са подредени по такъв начин, че образуват куха форма, която е пълна отвътре с атоми на други елементи, например вода. В тази група няма много представители, тя включва въглеродни наноконуси, астралени и дикарбон.

Графит - "тъмната страна" на диаманта

Приложение на карбон

Въглеродът и неговите съединения са от голямо значение за човешкия живот. Основните видове гориво на Земята - природният газ и нефтът - се образуват от въглерод. Въглеродните съединения се използват широко в химическата и металургичната промишленост, строителството, машиностроенето и медицината. Алотропни модификации под формата на диаманти се използват в бижутерията, фулерит и лонсдейлит в ракетната наука. От въглеродни съединения се правят различни смазочни материали за механизми, техническо оборудване и много други. В момента промишлеността не може без въглерод, той се използва навсякъде!