Tässä kirjassa sana "hiili" esiintyy melko usein: tarinoissa vihreästä lehdestä ja raudasta, muoveista ja kiteistä ja monissa muissa tarinoissa. Hiili - "laakerihiili" - yksi upeimmista kemiallisia alkuaineita. Sen historia on elämän syntymisen ja kehityksen historiaa maan päällä, koska se on osa kaikkea maapallon elämää.

Miltä hiili näyttää?

Tehdään joitain kokeita. Ota sokeri ja lämmitä ilman ilmaa. Se sulaa ensin, muuttuu ruskeaksi ja muuttuu sitten mustaksi ja muuttuu hiileksi vapauttaen vettä. Jos nyt lämmitämme tämän hiilen läsnäollessa, se palaa ilman jäännöstä ja muuttuu . Joten sokeri koostui hiilestä ja vedestä (sokeria muuten kutsutaan hiilihydraatiksi), ja "sokerihiili" on ilmeisesti puhdasta hiiltä, ​​koska hiilidioksidi on hiilen ja hapen yhdistelmä. Hiili on siis mustaa, pehmeää jauhetta.

Otetaan harmaa pehmeä grafiittikivi, jonka tunnet hyvin kynien ansiosta. Jos sitä kuumennetaan hapessa, se palaa myös ilman jäännöstä, vaikkakin hieman hitaammin kuin kivihiili, ja hiilidioksidi jää laitteeseen, jossa se paloi. Joten grafiitti on myös puhdasta hiiltä? Tietysti, mutta ei siinä vielä kaikki.

Jos samassa laitteessa timanttia, läpinäkyvää, kimaltelevaa jalokiviä, kaikista mineraaleista kovinta, kuumennetaan hapessa, se myös palaa ja muuttuu hiilidioksidiksi. Jos lämmität timanttia ilman happea, se muuttuu grafiitiksi, ja erittäin nopeasti korkeat paineet ja lämpötiloissa on mahdollista saada timanttia grafiitista.

Joten hiili, grafiitti ja timantti ovat saman alkuaineen - hiilen - eri olemassaolon muotoja.

Vielä yllättävämpää on hiilen kyky "osallistua" valtavaan määrään erilaisia ​​yhdisteitä (siksi sana "hiili" esiintyy niin usein tässä kirjassa).

Periodisen järjestelmän 104 elementtiä muodostavat yli neljäkymmentä tuhatta tutkittua yhdistettä. Ja yli miljoona yhdistettä tunnetaan jo, jonka perustana on hiili!

Syy tähän monimuotoisuuteen on se, että hiiliatomit voivat liittyä toisiinsa ja muihin atomeihin vahvalla sidoksella, jolloin muodostuu monimutkaisia ​​ketjuja, renkaita ja muita muotoja. Mikään taulukon elementti hiiliä lukuun ottamatta ei pysty tähän.

Hiiliatomeista voidaan rakentaa ääretön määrä hahmoja ja siksi ääretön määrä mahdollisia yhdisteitä. Nämä voivat olla hyvin yksinkertaisia ​​aineita, esimerkiksi metaanikaasua, jossa neljä atomia on sitoutunut yhteen hiiliatomiin ja niin monimutkaisia, että niiden molekyylien rakennetta ei ole vielä selvitetty. Tällaisia ​​aineita ovat mm

On mahdotonta kuvailla lyhyesti, mitä hiili on. Loppujen lopuksi se on elämän perusta. Tämä alkuaine on läsnä kaikissa orgaanisissa yhdisteissä, ja vain se voi muodostaa DNA-molekyylejä miljoonista atomeista. Sen ominaisuuksia on lukuisia, joten siitä kannattaa puhua tarkemmin.

Kaava, merkintä, ominaisuudet

Tämä elementti, joka sijaitsee taulukossa sarjanumeron kuusi alla, on merkitty symbolilla "C". Elektroninen rakennekaava hiili näyttää tältä: 1s 2 2s 2 2p 2 . Sen massa on 12,0107 amu. Tällä aineella on:

• Kaksi paritonta elektronia perustilassa. Näyttää valenssi II.
• Neljä paritonta elektronia viritetyssä tilassa. Näyttää valenssi IV.

On huomattava, että maankuoressa on tietty massa hiiltä. 0,023 % tarkalleen. Se kerääntyy pääasiassa yläosaan, biosfääriin. Suurin osa litosfäärin hiilen massa kerääntyy dolomiitteihin ja kalkkikiviin karbonaattien muodossa.

fyysiset ominaisuudet

Mitä hiili siis on? Tämä on aine, jota on olemassa valtavasti erilaisia ​​allotrooppisia muunnelmia ja niitä fyysiset ominaisuudet lista voi olla pitkä. Ja aineiden monimuotoisuuden määrää hiilen kyky muodostaa erityyppisiä kemiallisia sidoksia.

Entä hiilen ominaisuudet, miten yksinkertainen aine? Ne voidaan tiivistää seuraavasti:

• Normaaleissa olosuhteissa tiheys on 2,25 g/cm³.
• Kiehumispiste on 3506,85 °C.
• Molaarinen lämpökapasiteetti - 8,54 J / (K.mol).
• Kriittinen lämpötila vaihemuutos(kun kaasu ei tiivisty missään paineessa) - 4130 K, 12 MPa.
• Molaarinen tilavuus 5,3 cm³/mol.

Kannattaa myös listata hiilimuokkaukset.

Kiteisistä aineista tunnetuimpia ovat: timantti, karbiini, grafiitti, nanotimantti, fulleriitti, lonsdaleiitti, fullereeni ja hiilikuidut.

Amorfisia muodostumia ovat puumaiset, fossiiliset ja Aktiivihiili, antrasiitti, koksi, lasimainen hiili, hiilimusta, hiilimusta ja nanovaahto.

Mutta mikään edellä mainituista ei ole kyseessä olevan aineen puhdas allotrooppinen muoto. Nämä ovat vain kemiallisia yhdisteitä, joissa on suuria pitoisuuksia hiiltä.

Rakenne

Mielenkiintoista on, että hiiliatomin elektroniradat eivät ole samat. Niillä on erilainen geometria. Kaikki riippuu hybridisaatioasteesta. On olemassa kolme yleisintä geometriaa:

• tetraedrinen. Se muodostuu, kun kolme p- ja yksi s-elektronia sekoittuvat. Tämä hiiliatomin geometria havaitaan lonsdaleitessa ja timantissa. Metaanilla ja muilla hiilivedyillä on samanlainen rakenne.
• Trigonaalinen. Tämä geometria muodostuu kahden p- ja yhden s-elektronin orbitaalin sekoituksesta. Toinen p-alkuaine ei osallistu hybridisaatioon, mutta se on mukana π-sidosten muodostumisessa muiden atomien kanssa. Tämä rakenne on ominaista fenolille, grafiitille ja muille modifikaatioille.
• Digonaalinen. Tämä rakenne muodostuu s- ja p-elektronien sekoittumisesta (yksi kerrallaan). Mielenkiintoista on, että elektronipilvet näyttävät epäsymmetrisiltä käsipainoilta. Ne venytetään tähän suuntaan. Kaksi muuta p-elektronia muodostaa pahamaineisia π-sidoksia. Tämä geometria on tyypillinen karabiinille.

Ei niin kauan sitten, vuonna 2010, Nottinghamin yliopiston tutkijat löysivät yhdisteen, jossa neljä atomia oli kerralla samassa tasossa. Sen nimi on monomeerinen dilitiometaani.

molekyylejä

Niistä kannattaa puhua erikseen. Käsiteltävän aineen atomit voivat yhdistyä, minkä seurauksena muodostuu monimutkaisia ​​hiilimolekyylejä. Tyydytetyistä Na:sta, C2:sta ja H2:sta, joiden välillä on liian vähän vetovoimaa, ne eroavat taipumuksensa kondensoitua kiinteään tilaan. Hiilimolekyylit voivat pysyä kaasumaisessa tilassa vain, jos lämpötila pidetään korkeana. Muuten aine kovettuu välittömästi.

Jonkin aikaa sitten Yhdysvalloissa, Berkeley National Laboratoryssa, syntetisoitiin uusi muoto kiinteää hiiltä. Tämä on C36. Ja sen molekyyli muodostaa 36 hiiliatomia. Aine muodostuu yhdessä C60-fullereenien kanssa. Tämä tapahtuu kahden grafiittielektrodin välillä valokaaripurkausliekin olosuhteissa. Tutkijat ehdottavat, että uuden aineen molekyyleillä on mielenkiintoisia kemiallisia ja sähköisiä ominaisuuksia, joita ei ole vielä tutkittu.

Grafiitti

Nyt voimme puhua yksityiskohtaisemmin sellaisen aineen, kuten hiilen, tunnetuimmista modifikaatioista.

Grafiitti on luontainen mineraali, jolla on kerrosrakenne. Tässä ovat sen ominaisuudet:

• Se johtaa erittäin hyvin sähköä.
• Se on suhteellisen pehmeä aine alhaisen kovuutensa vuoksi.
• Ilman puuttuessa lämmitettynä se on vakaa.
• Ei sula.
• Öljyinen, liukas kosketukseen.
• Luonnongrafiitti sisältää 10-12 % epäpuhtauksia. Yleensä nämä ovat raudan ja saven oksideja.

Jos puhumme kemiallisista ominaisuuksista, on syytä huomata, että suolojen ja alkalimetallien kanssa tämä aine muodostaa niin kutsuttuja inkluusioyhdisteitä. Grafiitti reagoi myös hapen kanssa korkeissa lämpötiloissa ja palaa hiilidioksidiksi. Mutta kosketus hapettamattomien happojen kanssa ei aiheuta tulosta - tämä aine ei yksinkertaisesti liukene niihin.

Grafiittia käytetään useilla aloilla. Sitä käytetään vuorauslevyjen ja sulatusupokkaiden valmistuksessa, lämmityselementtien ja elektrodien valmistuksessa. Ilman grafiitin osallistumista on mahdotonta saada synteettisiä timantteja. Sillä on myös neutronien hidastimen rooli ydinreaktoreissa. Ja tietysti siitä valmistetaan lyijykynän lyijyä, jotka häiritsevät kaoliinia. Ja tämä on vain osa alueista, joilla sitä käytetään.

Timantti

Se on metastabiili mineraali, joka voi olla olemassa loputtomiin, johtuen jossain määrin hiilen lujuudesta ja tiheydestä. Timantti on Mohsin asteikon kovin aine ja se voi helposti leikata lasin läpi.

Sillä on korkea lämmönjohtavuus, dispersio, taitekerroin. Se on kulutusta kestävä, ja sen sulattamiseksi tarvitset 4000 °C:n lämpötilan ja noin 11 GPa:n paineen. Sen ominaisuus on luminesenssi, kyky hehkua eri väreissä.

Tämä on harvinainen, vaikkakin yleinen aine. Mineraalien ikä voi tiettyjen tutkimusten mukaan vaihdella 100 miljoonasta 2,5 miljardiin vuoteen. On löydetty timantteja, jotka ovat peräisin maan ulkopuolelta, mahdollisesti jopa ennen aurinkoa.

Tämä mineraali on löytänyt sovelluksensa koruissa. Hiottu timantti, jota kutsutaan briljanttiksi, on kallis, mutta sen asema helmenä ja kauneus ovat tehneet siitä entistä suositumman. Muuten, tätä ainetta käytetään myös leikkurien, porien, veitsien jne. valmistukseen. Poikkeuksellisen kovuutensa vuoksi mineraalia käytetään monilla teollisuudenaloilla.

Karbiini

Jatkossa aihetta siitä, mitä hiili on, muutama sana on sanottava sellaisesta modifikaatiosta kuin karbiini. Se näyttää mustalta hienojakoiselta jauheelta, sillä on puolijohdeominaisuuksia. Neuvostoliiton tutkijat hankkivat keinotekoisesti 60-luvun alussa.

Tämän aineen erikoisuus on johtavuuden lisääntyminen valon vaikutuksesta. Siksi sitä alettiin käyttää valokennoissa.

Grafeeni

Tämä on maailman ensimmäinen kaksiulotteinen kristalli. Tällä modifikaatiolla on suurempi mekaaninen jäykkyys kuin grafiitilla ja ennätyskorkea lämmönjohtavuus ~5,10 3 W m −1 .K −. Grafeenivarauksen kantajilla on korkea liikkuvuus, minkä vuoksi aineella on tulevaisuudennäkymiä sen käytön suhteen erilaisia ​​sovelluksia. Uskotaan, että siitä voi tulla nanoelektroniikan tulevaisuuden perusta ja jopa korvata piitä integroiduissa piireissä.

Grafeenia saadaan keinotekoisesti tieteellisissä laboratorioissa. Tätä varten on turvauduttava grafiittikerrosten mekaaniseen irrotukseen erittäin suuntautuneesta aineesta. Tällä tavalla saadaan korkealaatuisia näytteitä, joilla on vaadittu kantoaallon liikkuvuus.

Sen ominaisuuksia ei ole täysin tutkittu, mutta tutkijat ovat jo havainneet jotain mielenkiintoista. Esimerkiksi grafeenissa ei ole Winger-kiteytymistä. Ja kaksinkertaisessa aineen kerroksessa elektronien käyttäytyminen muistuttaa nestekiteille ominaista. Jos kiteen sirpalointiparametreja havaitaan, on mahdollista saada grafeenilaatikon muotoinen nanorakenne.

Myrkyllisyys

Tämä aihe on huomioimisen arvoinen tarinan lopussa siitä, mitä hiili on. Tosiasia on, että tämä aine vapautuu ilmakehään autojen pakokaasujen mukana. Ja myös hiiltä poltettaessa, maanalaisessa kaasutuksessa ja monissa muissa prosesseissa.

Tämän aineen lisääntynyt pitoisuus ilmassa johtaa sairauksien määrän lisääntymiseen. Tämä koskee erityisesti keuhkoja ja ylempiä hengitysteitä. A myrkyllinen vaikutus johtuen säteilevän luonteen vuorovaikutuksesta β-hiukkasten kanssa, mikä johtaa siihen, että kemiallinen koostumus molekyylit muuttuvat ja aineen ominaisuudet - myös.

Elementin ominaisuus

6 C 1s 2 2s 2 2p 2

Isotoopit: 12 C (98,892 %); 13C (1,108 %); 14 C (radioaktiivinen)

Clark maankuoressa 0,48 painoprosenttia. Sijaintilomakkeet:

vapaassa muodossa (hiili, timantit);

karbonaattien koostumuksessa (CaCO 3, MgCO 3 jne.);

fossiilisten polttoaineiden (hiili, öljy, kaasu) koostumuksessa;

CO 2 -muodossa - ilmakehässä (0,03 tilavuusprosenttia);

valtamerissä - HCO 3 -anionien muodossa;

elävän aineen koostumuksessa (-18 % hiiltä).

Hiiliyhdisteiden kemia on pohjimmiltaan orgaanista kemiaa. Ei tietoinen orgaaninen kemia tutkitaan seuraavia C:tä sisältäviä aineita: vapaa hiili, oksidit (CO ja CO 2), hiilihappo, karbonaatit ja bikarbonaatit.

Ilmainen hiili. Allotropia.

Vapaassa tilassa hiili muodostaa 3 allotrooppista modifikaatiota: timantti, grafiitti ja keinotekoisesti saatu karbiini. Nämä hiilen muunnelmat eroavat kidekemiallisesta rakenteesta ja fysikaalisista ominaisuuksista.

Timantti

Timanttikiteessä jokainen hiiliatomi on sidottu vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla neljään muuhun, jotka on sijoitettu saman etäisyyden päähän sen ympäriltä.

Kaikki hiiliatomit ovat sp3-hybridisaatiotilassa. Timantin atomikidehilassa on tetraedrirakenne.

Timantti on väritön, läpinäkyvä, erittäin taittava aine. Sillä on suurin kovuus kaikista tunnetuista aineista. Timantti on hauras, tulenkestävä, johtaa huonosti lämpöä ja sähköä. Pienet etäisyydet vierekkäisten hiiliatomien välillä (0,154 nm) määräävät timantin melko suuren tiheyden (3,5 g/cm 3 ).

Grafiitti

Grafiitin kidehilassa jokainen hiiliatomi on sp 2 -hybridisaatiotilassa ja muodostaa kolme vahvaa kovalenttista sidosta samassa kerroksessa sijaitsevien hiiliatomien kanssa. Jokaisesta atomista kolme elektronia, hiili, osallistuu näiden sidosten muodostumiseen, ja neljännet valenssielektroni muodostavat n-sidoksia ja ovat suhteellisen vapaita (liikkuvia). Ne määrittävät grafiitin sähkön ja lämmönjohtavuuden.

Samassa tasossa olevien vierekkäisten hiiliatomien välisen kovalenttisen sidoksen pituus on 0,152 nm ja C-atomien välinen etäisyys eri kerroksissa on 2,5 kertaa suurempi, joten niiden väliset sidokset ovat heikkoja.

Grafiitti on läpinäkymätön, pehmeä, kosketukselle rasvainen aine, jonka väri on harmaa-musta ja jossa on metallinhohto; johtaa hyvin lämpöä ja sähköä. Grafiitin tiheys on pienempi kuin timantilla, ja se halkeaa helposti ohuiksi hiutaleiksi.

Hienorakeisen grafiitin epäjärjestynyt rakenne on rakenteen taustalla useita muotoja amorfinen hiili, joista tärkeimmät ovat koksi, ruskea ja musta hiili, noki, aktiivihiili.

Karbiini

Tämä hiilen allotrooppinen modifikaatio saadaan asetyleenin katalyyttisellä hapetuksella (dehydropolykondensaatiolla). Carbyne on ketjupolymeeri, jolla on kaksi muotoa:

C=C-C=C-... ja...=C=C=C=

Karbiinilla on puolijohdeominaisuuksia.

Hiilen kemialliset ominaisuudet

Tavallisessa lämpötilassa molemmat hiilen muunnelmat (timantti ja grafiitti) ovat kemiallisesti inerttejä. Grafiitin hienokiteiset muodot - koksi, noki, aktiivihiili - ovat reaktiivisempia, mutta yleensä sen jälkeen, kun ne on esilämmitetty korkeaan lämpötilaan.

C - aktiivinen pelkistävä aine:

1. Vuorovaikutus hapen kanssa

C + O 2 \u003d CO 2 + 393,5 kJ (yli O 2)

2C + O 2 \u003d 2CO + 221 kJ (O 2:n puutteella)

Hiilen poltto on yksi tärkeimmistä energianlähteistä.

2. Vuorovaikutus fluorin ja rikin kanssa.

C + 2F 2 = CF 4 hiilitetrafluoridi

C + 2S \u003d CS 2 hiilidisulfidi

3. Koksi on yksi tärkeimmistä teollisuudessa käytetyistä pelkistysaineista. Metallurgiassa sitä käytetään metallien valmistukseen oksideista, esimerkiksi:

ZS + Fe 2 O 3 \u003d 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. Kun hiili on vuorovaikutuksessa alkali- ja maa-alkalimetallien oksidien kanssa, pelkistetty metalli yhdistyy hiilen kanssa muodostaen karbidia. Esimerkiksi: 3C + CaO \u003d CaC 2 + CO kalsiumkarbidi

5. Koksia käytetään myös piin saamiseksi:

2C + SiO 2 \u003d Si + 2CO

6. Ylimääräisellä koksilla muodostuu piikarbidia (karborundi) SiC:tä.

"Vesikaasun" saaminen (kiinteän polttoaineen kaasutus)

Ohjaamalla vesihöyryä kuuman hiilen läpi saadaan CO:n ja H2:n palava seos, jota kutsutaan vesikaasuksi:

C + H 2 O \u003d CO + H 2

7. Reaktiot hapettavien happojen kanssa.

Aktiivihiili tai hiili palauttaa kuumennettaessa NO 3 - ja SO 4 2 - anionit väkevistä hapoista:

C + 4HNO 3 \u003d CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2SO 4 \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

8. Reaktiot sulan alkalimetallinitraattien kanssa

KNO 3 - ja NaNO 3 -sulaissa murskattu kivihiili palaa intensiivisesti muodostaen sokaisevan liekin:

5C + 4KNO 3 \u003d 2K 2CO 3 + ZCO 2 + 2N 2

C - matala-aktiivinen hapetin:

1. Suolamaisten karbidien muodostuminen aktiivisten metallien kanssa.

Hiilen ei-metallisten ominaisuuksien merkittävä heikkeneminen ilmenee siinä, että sen tehtävät hapettavana aineena ilmenevät paljon vähemmän kuin pelkistävät toiminnot.

2. Vain reaktioissa aktiivisten metallien kanssa hiiliatomit siirtyvät negatiivisesti varautuneiksi ioneiksi C -4 ja (C \u003d C) 2- muodostaen suolan kaltaisia ​​karbideja:

ZS + 4Al \u003d Al 4 C 3 alumiinikarbidi

2C + Ca \u003d CaC 2 kalsiumkarbidi

3. Ionityyppiset karbidit ovat erittäin epästabiileja yhdisteitä, ne hajoavat helposti happojen ja veden vaikutuksesta, mikä osoittaa negatiivisesti varautuneiden hiilianionien epävakauden:

Al 4 C 3 + 12H 2 O \u003d ZSN 4 + 4Al (OH) 3

CaC 2 + 2H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2

4. Kovalenttisten yhdisteiden muodostuminen metallien kanssa

Hiilen ja siirtymämetallien seosten sulatuksissa karbideja muodostuu pääasiassa kovalenttisella sidoksella. Niiden molekyyleillä on vaihteleva koostumus, ja aineet ovat yleensä lähellä metalliseoksia. Tällaiset karbidit ovat erittäin kestäviä, ne ovat kemiallisesti inerttejä vettä, happoja, emäksiä ja monia muita reagensseja kohtaan.

5. Vuorovaikutus vedyn kanssa

Korkealla T:lla ja P:llä nikkelikatalyytin läsnä ollessa hiili yhdistyy vedyn kanssa:

C + 2HH 2 → CNN 4

Reaktio on hyvin palautuva, eikä sillä ole käytännön merkitystä.

Tässä artikkelissa tarkastelemme elementtiä, joka on osa D.I:n jaksollista taulukkoa. Mendelejev, nimittäin hiili. Nykyaikaisessa nimikkeistössä sitä merkitään symbolilla C, se sisältyy neljänteentoista ryhmään ja on toisen jakson "osallistuja", jolla on kuudes sarjanumero, ja sen a.u.m. = 12,0107.

Atomiradat ja niiden hybridisaatio

Aloitetaan hiilen pohdiskelu sen kiertoradoista ja niiden hybridisaatiosta - sen pääpiirteistä, joiden ansiosta se yllättää tutkijat kaikkialla maailmassa vielä tänäkin päivänä. Mikä on niiden rakenne?

Hiiliatomin hybridisaatio on järjestetty siten, että valenssielektronit ovat paikoillaan kolmella kiertoradalla, nimittäin: yksi on 2s-radalla ja kaksi on 2p-radalla. Kaksi viimeistä kolmesta orbitaalista muodostavat 90 asteen kulman toisiinsa nähden ja 2s-kiertoradalla on pallosymmetria. Tämä tarkasteltujen kiertoratojen järjestelymuoto ei kuitenkaan anna meidän ymmärtää, miksi orgaanisiin yhdisteisiin saapuva hiili muodostaa 120, 180 ja 109,5 asteen kulmat. Hiiliatomin elektronisen rakenteen kaava ilmaisee itsensä seuraavassa muodossa: (He) 2s 2 2p 2 .

Syntynyt ristiriita ratkaistiin ottamalla liikkeeseen atomikiertoradan hybridisaatiokäsite. C:n kolmikulmaisen, muunnelman luonteen ymmärtämiseksi oli tarpeen luoda sen hybridisaatiosta kolme esitysmuotoa. Pääasiallisen panoksen tämän konseptin syntymiseen ja kehittämiseen antoi Linus Pauling.

Fyysisen luonteen ominaisuudet

Hiiliatomin rakenne määrää useiden tiettyjen fysikaalisten ominaisuuksien läsnäolon. Tämän elementin atomit muodostavat yksinkertaisen aineen - hiilen, jolla on muunnelmia. Sen rakenteen muutosten vaihtelut voivat antaa muodostuneelle aineelle erilaisia ​​laadullisia ominaisuuksia. Syy saatavuuteen suuri numero Hiilen modifikaatiot johtuvat sen kyvystä muodostaa ja muodostaa erilaisia ​​kemiallisia sidoksia.

Hiiliatomin rakenne voi vaihdella, mikä mahdollistaa sen, että sillä on tietty määrä isotooppimuotoja. Luonnossa esiintyvä hiili muodostuu kahdesta stabiilissa tilassa olevasta isotoopista - 12 C ja 13 C - ja radioaktiivisten ominaisuuksien omaavasta isotoopista - 14 C. Viimeinen isotooppi tiivistyy ylemmät kerrokset maankuoressa ja ilmakehässä. Kosmisen säteilyn, nimittäin sen neutronien, vaikutuksesta typpiatomien ytimeen muodostuu radioaktiivinen isotooppi 14 C. 1900-luvun 1950-luvun puolivälin jälkeen se alkoi pudota ympäristöön ydinvoimalaitosten toiminnan aikana muodostuneena ihmisen tuotteena ja vetypommin käytön seurauksena. Juuri 14 C:n hajoamisprosessiin perustuu radiohiilidatoitustekniikka, joka on löytänyt laajan sovelluksensa arkeologiassa ja geologiassa.

Hiilen modifikaatio allotrooppisessa muodossa

Luonnossa on monia hiiltä sisältäviä aineita. Ihminen käyttää luodessaan hiiliatomin rakennetta omiin tarkoituksiinsa erilaisia ​​aineita, joiden joukossa:

1. Kiteiset hiilet (timantit, hiilinanoputkia, kuidut ja langat, fullereenit jne.).
2. Amorfiset hiilet (aktiivihiili ja puuhiili, erilaisia koksi, hiilimusta, hiilimusta, nanovaahto ja antrasiitti).
3. Hiilen klusterimuodot (dihiilivedyt, nanokonit ja astraleeniyhdisteet).

Atomirakenteen rakenteelliset piirteet

Hiiliatomin elektronirakenteella voi olla erilainen geometria, mikä riippuu sillä olevien kiertoratojen hybridisaatiotasosta. Geometriaa on kolme päätyyppiä:

1. Tetraedri - syntyy neljän elektronin siirtymisen vuoksi, joista yksi on s- ja kolme kuuluu p-elektroneihin. C-atomi sijaitsee keskeisellä paikalla tetraedrissä, ja se on yhdistetty neljällä ekvivalentilla sigmasidoksella muiden tämän tetraedrin huipulla sijaitsevien atomien kanssa. Tällä hiilen geometrisella järjestelyllä voidaan muodostaa sen allotrooppisia muotoja, kuten timantti ja lonsdaleiitti.
2. Trigonaali - johtuu sen ulkonäöstä kolmen kiertoradan siirtymisestä, joista yksi on s- ja kaksi p-. On kolme sigma-sidosta, jotka ovat samassa asemassa keskenään; ne sijaitsevat yhteisessä tasossa ja tarttuvat 120 asteen kulmaan toisiinsa nähden. Vapaa p-orbitaali sijaitsee kohtisuorassa sigmasidosten tasoon nähden. Grafiitilla on samanlainen rakennegeometria.
3. Diagonaalinen - ilmenee s- ja p-elektronien sekoittumisen vuoksi (sp-hybridisaatio). Elektronipilvet ulottuvat yleissuuntaan ja ovat epäsymmetrisen käsipainon muotoisia. Vapaat elektronit muodostavat π-sidoksia. Tämä hiilen geometrian rakenne saa aikaan karbiinin, joka on erityinen modifikaatiomuoto.

Hiiliatomit luonnossa

Ihminen on pitkään pohtinut hiiliatomin rakennetta ja ominaisuuksia, ja niitä on käytetty suuren määrän erilaisten aineiden saamiseksi. Tämän elementin atomit luovat ainutlaatuisen kykynsä muodostaa erilaisia ​​kemiallisia sidoksia ja orbitaalien hybridisoitumisen vuoksi monia erilaisia ​​allotrooppisia modifikaatioita, joissa on mukana vain yksi alkuaine, samantyyppisistä atomeista, hiilestä.

Luonnossa hiiltä löytyy maankuoresta; on timanttien, grafiittien, erilaisten palavien luonnonvarojen, kuten öljyn, antrasiitin, ruskohiilen, liuskeen, turpeen jne., muodossa. Se on osa ihmisten käyttämiä kaasuja energiateollisuudessa. Dioksidinsa koostumuksessa oleva hiili täyttää Maan hydrosfäärin ja ilmakehän, ja ilmassa se saavuttaa 0,046% ja vedessä jopa kuusikymmentä kertaa enemmän.

Ihmiskehossa C:tä on noin 21 %, ja se erittyy pääasiassa virtsan ja uloshengitysilman mukana. Sama elementti osallistuu biologiseen kiertokulkuun, se imeytyy kasveihin ja kulutetaan fotosynteesiprosessien aikana.

Hiiliatomit voivat luoda valtavan määrän orgaanisia aineita, koska ne pystyvät muodostamaan erilaisia ​​kovalenttisia sidoksia ja rakentamaan ketjuja ja jopa kiertoja niistä. Lisäksi tämä alkuaine on osa auringon ilmakehää, koska se on yhdisteissä vedyn ja typen kanssa.

Kemiallisen luonteen ominaisuudet

Tarkastellaan nyt hiiliatomin rakennetta ja ominaisuuksia kemiallisesta näkökulmasta.

On tärkeää tietää, että hiilellä on inerttejä ominaisuuksia tavallisissa lämpötiloissa, mutta se voi osoittaa meille pelkistäviä ominaisuuksia korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta. Tärkeimmät hapetustilat: + - 4, joskus +2 ja myös +3.

Osallistuu reaktioihin suuren määrän alkuaineita kanssa. Saattaa reagoida veden, vedyn, halogeenien, alkalimetallien, happojen, fluorin, rikin jne. kanssa.

Hiiliatomin rakenne synnyttää uskomattoman suuren määrän aineita, jotka on erotettu erilliseen luokkaan. Tällaisia ​​yhdisteitä kutsutaan orgaanisiksi ja ne perustuvat C:hen. Tämä on mahdollista johtuen tämän alkuaineen atomien ominaisuudesta muodostaa polymeeriketjuja. Tunnetuimpia ja laajimpia ryhmiä ovat proteiinit (proteiinit), rasvat, hiilihydraatit ja hiilivetyyhdisteet.

Toimintatavat

Hiiliatomin ainutlaatuisen rakenteen ja siihen liittyvien ominaisuuksien vuoksi elementtiä käytetään laajalti ihmisten keskuudessa, esimerkiksi luotaessa kyniä, sulatusmetalliupokkaita - tässä käytetään grafiittia. Timantteja käytetään hioma-aineina, koruina, poranterinä jne.

Farmakologia ja lääketiede käsittelevät myös hiilen käyttöä useissa yhdisteissä. Tämä elementti on osa terästä, toimii jokaisen orgaanisen aineen perustana, osallistuu fotosynteesiprosessiin jne.

Elementin myrkyllisyys

Elementin hiiliatomin rakenne sisältää läsnäolon vaarallinen vaikutus elävään aineeseen. Hiili pääsee ympärillämme olevaan maailmaan lämpövoimaloiden hiilen polton seurauksena, on osa autojen tuottamia kaasuja, hiilirikasteen tapauksessa jne.

Aerosolien hiilipitoisuus on korkea, mikä lisää ihmisten sairastumisprosenttia. Yleisimmin sairastuvat yläraajat. Airways ja keuhkot. Jotkut sairaudet voidaan luokitella ammattitaudeiksi, esimerkiksi pölykeuhkoputkentulehdus ja pneumokonioosiryhmän sairaudet.

14 C on myrkyllistä ja sen vaikutuksen voimakkuuden määrää säteilyvuorovaikutus β-hiukkasten kanssa. Tämä atomi on osa biologisten molekyylien koostumusta, mukaan lukien ne, joita löytyy deoksi- ja ribonukleiinihapoista. Sallituksi 14 C:n määräksi työalueen ilmassa katsotaan 1,3 Bq/l. Hengityksen aikana elimistöön joutuvan hiilen enimmäismäärä on 3,2*108 Bq/vuosi.

Hiili (C) on Mendelejevin jaksollisen järjestelmän kuudes alkuaine, jonka atomipaino on 12. Alkuaine kuuluu ei-metalleihin ja sen isotooppi on 14 C. Hiiliatomin rakenne on kaiken orgaanisen kemian perusta, koska kaikki orgaaniset aineet sisältävät hiilimolekyylejä.

hiiliatomi

Hiilen sijainti Mendelejevin jaksollisessa taulukossa:

• kuudes sarjanumero;
• neljäs ryhmä;
• toinen jakso.

Riisi. 1. Hiilen sijainti jaksollisessa taulukossa.

Taulukon tietojen perusteella voimme päätellä, että elementin hiiliatomin rakenne sisältää kaksi kuorta, joissa sijaitsee kuusi elektronia. Koostumukseen sisältyvän hiilen valenssi eloperäinen aine, on vakio ja yhtä suuri kuin IV. Tämä tarkoittaa, että ulommalla elektronisella tasolla on neljä elektronia ja sisemmällä kaksi.

Neljästä elektronista kaksi on pallomaisella 2s-radalla ja loput kaksi käsipainon muotoisella 2p-radalla. Herätetyssä tilassa yksi elektroni siirtyy 2s-kiertoradalta jollekin 2p-radalle. Kun elektroni liikkuu kiertoradalta toiselle, energiaa kuluu.

Näin ollen viritetyssä hiiliatomissa on neljä paritonta elektronia. Sen konfiguraatio voidaan ilmaista kaavalla 2s 1 2p 3 . Tämä mahdollistaa neljän kovalenttisen sidoksen muodostamisen muiden alkuaineiden kanssa. Esimerkiksi metaani (CH 4) -molekyylissä hiili muodostaa sidoksia neljän vetyatomin kanssa - yhden sidoksen vedyn ja hiilen s-orbitaalien välillä ja kolme sidosta hiilen p-orbitaalien ja vedyn s-orbitaalien välillä.

Hiiliatomin rakenteen kaavio voidaan esittää muodossa +6C) 2) 4 tai 1s 2 2s 2 2p 2.

Riisi. 2. Hiiliatomin rakenne.

Fyysiset ominaisuudet

Hiiltä esiintyy luonnossa kivien muodossa. Tunnetaan useita hiilen allotrooppisia muunnelmia:

• grafiitti;
• timantti;
• karbiini;
• kivihiili;
• noki.

Kaikki nämä aineet eroavat kidehilan rakenteesta. Suurin osa kiinteä- timantti - on kuutiomuotoista hiiltä. klo korkeita lämpötiloja timantti muuttuu grafiitiksi, jolla on kuusikulmainen rakenne.

Riisi. 3. Grafiitin ja timantin kristallihilat.

Kemialliset ominaisuudet

Hiilen atomirakenne ja sen kyky kiinnittää neljä toisen aineen atomia määräävät Kemialliset ominaisuudet elementti. Hiili reagoi metallien kanssa muodostaen karbideja:

• Ca+2C → CaC2;
• Cr + C → CrC;
• 3Fe + C → Fe 3 C.

Reagoi myös metallioksidien kanssa:

• 2ZnO + C → 2Zn + C02;
• PbO + C → Pb + CO;
• SnO 2 + 2C → Sn + 2CO.

Korkeissa lämpötiloissa hiili reagoi ei-metallien, erityisesti vedyn kanssa, muodostaen hiilivetyjä:

C+2H2 → CH4.

Hapen kanssa hiili muodostaa hiilidioksidia ja hiilimonoksidia:

• C + O 2 → C02;
• 2C + O 2 → 2CO.

Hiilimonoksidia muodostuu myös vuorovaikutuksessa veden kanssa:

C + H 2 O → CO + H 2.

Väkevät hapot hapettavat hiiltä muodostaen hiilidioksidia:

• 2H 2SO 4 + C → CO 2 + 2SO 2 + 2 H 2O;
• 4HNO3 + C → CO 2 + 4NO 2 + 2H 2O.

Raportin arviointi

Keskiarvoluokitus: 4.1. Saatujen arvioiden kokonaismäärä: 75.