Orgaaninen kemia on hiiliatomin kemiaa. Orgaanisten yhdisteiden määrä on kymmeniä kertoja suurempi kuin epäorgaanisten, mikä voidaan vain selittää hiiliatomin ominaisuudet :
a) hän on mukana elektronegatiivisuusasteikon puolivälissä ja toinen jakso, siksi hänelle on kannattamatonta antaa omia elektroneja ja hyväksyä muiden elektroneja ja hankkia positiivinen tai negatiivinen varaus;
b) elektronikuoren erityinen rakenne - ei ole elektronipareja ja vapaita kiertoradoja (on vain yksi lisää samankaltaisen rakenteen omaava atomi - vety, minkä vuoksi hiili ja vety muodostavat luultavasti niin monia yhdisteitä - hiilivetyjä).
Hiiliatomin elektroninen rakenne
C - 1s 2 2s 2 2p 2 tai 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0
Graafisesti:
Viritetyllä hiiliatomilla on seuraava elektroninen kaava:
*C - 1s 2 2s 1 2p 3 tai 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1
Solujen muodossa:
S- ja p-orbitaalien muoto
atomikiertorata - avaruuden alue, jossa elektroni todennäköisimmin löytyy, ja vastaavat kvanttiluvut.
Se on kolmiulotteinen elektroninen "ääriviivakartta", jossa aaltofunktio määrittää suhteellisen todennäköisyyden löytää elektroni tietyssä pisteessä kiertoradalla.
Atomiratojen suhteelliset koot kasvavat niiden energioiden kasvaessa ( pääkvanttiluku- n), ja niiden muoto ja suuntaus avaruudessa määräytyy kvanttiluvuilla l ja m. Orbitaalien elektroneille on tunnusomaista spin-kvanttiluku. Jokainen orbitaali voi sisältää enintään 2 elektronia vastakkaisilla spineillä.
Kun sidoksia muodostuu muiden atomien kanssa, hiiliatomi muuttaa elektronikuorensa niin, että muodostuu vahvimmat sidokset, jolloin vapautuu mahdollisimman paljon energiaa ja järjestelmä saavuttaa suurimman stabiilisuuden.
Atomin elektronikuoren muuttamiseen tarvitaan energiaa, joka sitten kompensoidaan muodostamalla vahvempia sidoksia.
Elektronikuoren muunnos (hybridisaatio) voi olla pääasiassa 3 tyyppistä riippuen atomien lukumäärästä, joiden kanssa hiiliatomi muodostaa sidoksia.
Hybridisaatiotyypit:
sp 3 – atomi muodostaa sidoksia 4 viereisen atomin kanssa (tetraedrihybridisaatio):
Elektroninen kaava sp 3 - hybridihiiliatomi:
*С –1s 2 2(sp 3) 4 solujen muodossa
Hybridiorbitaalien välinen sidoskulma on ~109°.
Hiiliatomin stereokemiallinen kaava:
sp 2 - hybridisaatio ( valenssitila) – atomi muodostaa sidoksia kolmen viereisen atomin kanssa (trigonaalinen hybridisaatio):
Elektroninen kaava sp 2 - hybridihiiliatomi:
*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 solujen muodossa
Hybridiorbitaalien välinen sidoskulma on ~120°.
Stereokemiallinen kaava sp 2 - hybridihiiliatomi:
sp– Hybridisaatio (valenssitila) - atomi muodostaa sidoksia 2 vierekkäisen atomin kanssa (lineaarinen hybridisaatio):
Sp:n elektroninen kaava on hybridihiiliatomi:
*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 solujen muodossa
Hybridiorbitaalien välinen sidoskulma on ~180°.
Stereokemiallinen kaava:
S-orbitaali on mukana kaikentyyppisissä hybridisaatioissa, koska siinä on minimienergiaa.
Elektronipilven uudelleenjärjestely mahdollistaa vahvimpien sidosten muodostumisen ja minimaalisen atomien vuorovaikutuksen tuloksena olevassa molekyylissä. Jossa hybridiorbitaalit eivät välttämättä ole identtisiä, mutta sidoskulmat voivat olla erilaisia, esimerkiksi CH 2Cl 2 ja CCl 4
2. Hiiliyhdisteiden kovalenttiset sidokset
Kovalenttiset sidokset, ominaisuudet, menetelmät ja koulutuksen syyt - koulun opetussuunnitelma.
Muistutan vain:
1. Viestinnän koulutus atomien välistä eroa voidaan pitää niiden atomiratojen päällekkäisyyden seurauksena, ja mitä tehokkaampi se on (mitä suurempi limitysintegraali), sitä vahvempi sidos on.
Laskettujen tietojen mukaan suhteelliset atomikiertoratojen limitystehot S rel kasvavat seuraavasti:
Siksi hybridiorbitaalien, kuten hiilen sp 3 -orbitaalien, käyttö sidosten muodostuksessa neljän vetyatomin kanssa johtaa vahvempiin sidoksiin.
2. Hiiliyhdisteiden kovalenttiset sidokset muodostuvat kahdella tavalla:
A)Jos kaksi atomikiertorataa menevät päällekkäin pääakseleillaan, niin tuloksena olevaa sidosta kutsutaan - σ sidos.
Geometria. Joten kun sidoksia muodostuu vetyatomien kanssa metaanissa, hiiliatomin neljä hybridi sp 3 ~ -orbitaalia limittyy neljän vetyatomin s-orbitaalien kanssa muodostaen neljä identtistä vahvaa σ-sidosta, jotka sijaitsevat 109 ° 28 " kulmassa kumpaankin nähden. muu (standardi tetraedrikulma) Samanlainen tiukasti symmetrinen tetraedrirakenne syntyy myös esimerkiksi CCl 4:n muodostumisen yhteydessä, mutta jos hiileen sidoksia muodostavat atomit eivät ole samat, esim. CH 2 C1 2:n tapauksessa, Tilarakenne eroaa jonkin verran täysin symmetrisestä, vaikka se pysyykin olennaisesti tetraedrisenä.
σ-sidoksen pituus hiiliatomien välillä riippuu atomien hybridisaatiosta ja vähenee siirtymisessä sp 3 - hybridisaatiosta sp. Tämä johtuu siitä, että s-orbitaali on lähempänä ydintä kuin p-orbitaali, joten mitä suurempi sen osuus hybridiradassa on, sitä lyhyempi se on ja siten sitä lyhyempi tuloksena oleva sidos.
B) Jos kaksi atomia s -toistensa suuntaiset kiertoradat suorittavat lateraalisen limityksen sen tason ylä- ja alapuolella, jossa atomit sijaitsevat, jolloin muodostuva sidos on ns. - π (pi) - viestintä
Sivusuuntainen päällekkäisyys atomikiertoradat on vähemmän tehokas kuin pääakselin päällekkäisyys, joten π -sidokset ovat vähemmän vahvoja kuin σ -liitännät. Tämä ilmenee erityisesti siinä, että hiili-hiili-kaksoissidoksen energia ylittää yksinkertaisen sidoksen energian alle kaksi kertaa. Siten C-C-sidosenergia etaanissa on 347 kJ/mol, kun taas C=C-sidoksen energia eteenissä on vain 598 kJ/mol, eikä ~700 kJ/mol.
Kahden atomin 2p-orbitaalin lateraalisen limityksen aste ja siksi voimaa π -sidos on maksimi, jos kaksi hiiliatomia ja neljä liittyy niihin atomit sijaitsevat tiukasti samassa tasossa, eli jos he koplanaarinen , koska vain tässä tapauksessa atomien 2p-orbitaalit ovat täsmälleen yhdensuuntaiset toistensa kanssa ja pystyvät siksi menemään päällekkäin. Mikä tahansa poikkeama samantasosta, joka johtuu pyörimisestä ympäri σ - kahden hiiliatomin yhdistävä sidos johtaa päällekkäisyyden vähenemiseen ja vastaavasti lujuuden heikkenemiseen π -sidos, joka näin auttaa säilyttämään molekyylin tasaisuuden.
Kierto hiili-hiili-kaksoissidoksen ympärille on mahdotonta.
Jakelu π -elektronit molekyylin tason ylä- ja alapuolella tarkoittavat olemassaoloa negatiivisen varauksen alueita, valmis olemaan vuorovaikutuksessa elektronivajaisten reagenssien kanssa.
Myös hapen, typen jne. atomeilla on erilaisia valenssitiloja (hybridisaatioita), kun taas niiden elektroniparit voivat olla sekä hybridi- että p-orbitaaleissa.
HIILIA, С, jaksollisen järjestelmän ryhmän IV kemiallinen alkuaine, atomipaino 12,00, sarjanumero 6. Viime aikoihin asti hiilellä ei katsottu olevan isotooppeja; vasta äskettäin on C13-isotoopin olemassaolo löydetty erityisen herkkien menetelmien avulla. Hiili on yksi tarvittavat elementit esiintyvyyden, sen yhdisteiden runsauden ja monimuotoisuuden, biologisen merkityksen (orgaanisena aineena), itse hiilen ja sen yhdisteiden (raaka-aineena ja energianlähteenä teollisuuden ja kotimaisten tarpeiden) laajan teknisen käytön perusteella. ) ja lopuksi roolinsa kemian tieteen kehityksessä. Vapaassa tilassa oleva hiili paljastaa voimakkaan allotropiailmiön, joka on ollut tiedossa yli puolitoista vuosisataa, mutta jota ei vieläkään täysin ymmärretty, sekä siksi, että hiiltä on äärimmäisen vaikea saada kemiallisesti puhtaassa muodossa, että koska useimmat hiilen allotrooppisten modifikaatioiden vakiot vaihtelevat suuresti riippuen niiden rakenteen morfologisista ominaisuuksista johtuen valmistusmenetelmästä ja -olosuhteista.
Hiili muodostaa kaksi kidemuotoa - timantin ja grafiitin, ja se tunnetaan myös amorfisessa tilassa ns. amorfinen kivihiili. Jälkimmäisten yksilöllisyys viimeaikaisten tutkimusten tuloksena kiisteltiin: kivihiili tunnistettiin grafiitilla, pitäen molempia saman muodon morfologisina lajikkeina - "musta hiili", ja niiden ominaisuuksien ero selitettiin fysikaalisella rakenteella ja asteikolla. aineen dispersio. Kuitenkin aivan Viime aikoina saatiin tosiasioita, jotka vahvistivat hiilen olemassaolon erityisenä allotrooppisena muotona (katso alla).
Luonnolliset hiililähteet ja hiilivarastot. Luonnon runsauden suhteen hiili on alkuaineista 10. sijalla, ja sen osuus ilmakehästä on 0,013 %, hydrosfääristä 0,0025 % ja maankuoren koko massasta noin 0,35 %. Suurin osa hiilestä on happiyhdisteiden muodossa: ilmakehän ilma sisältää ~800 miljardia tonnia hiiltä CO 2 -dioksidin muodossa; valtamerten ja merien vedessä - jopa 50 000 miljardia tonnia hiiltä hiilidioksidin, hiilihappo-ionien ja bikarbonaattien muodossa; kivissä - liukenemattomia karbonaatteja (kalsium, magnesium ja muut metallit), ja yhden CaCO 3:n osuus on ~160·10 6 miljardia tonnia hiiltä. Nämä valtavat varannot eivät kuitenkaan edusta energia-arvoa; paljon arvokkaampia ovat palavat hiilipitoiset materiaalit - fossiiliset hiilet, turve, sitten öljy, hiilivetykaasut ja muut luonnonbitumit. Näiden aineiden varasto maankuoressa on myös varsin merkittävä: hiilen kokonaismassa on fossiilisessa hiilessä ~6000 miljardia tonnia, öljyssä ~10 miljardia tonnia jne. Vapaassa tilassa hiili on melko harvinaista (timantti ja osa grafiittiaineesta). Fossiiliset hiilet sisältävät vain vähän tai ei ollenkaan vapaata hiiltä: ne koostuvat Ch. arr. suurimolekyylisistä (polysyklisistä) ja erittäin stabiileista hiilen yhdisteistä muiden alkuaineiden (H, O, N, S) kanssa on vielä hyvin vähän tutkittu. Kasvi- ja eläinsoluissa syntetisoidut elävän luonnon (maapallon biosfäärin) hiilipitoiset yhdisteet erottuvat ominaisuuksien ja koostumusmäärien poikkeuksellisen monimuotoisuudesta; Kasvimaailman yleisimmät aineet - kuidut ja ligniini - toimivat myös energialähteinä. Hiili ylläpitää jatkuvaa jakautumista luonnossa jatkuvan kierron ansiosta, jonka kierto koostuu monimutkaisten orgaanisten aineiden synteesistä kasvi- ja eläinsoluissa ja näiden aineiden käänteishajoamisesta niiden oksidatiivisen hajoamisen aikana (palaminen, hajoaminen, hengitys ), mikä johtaa CO 2:n muodostumiseen, jota käytetään uudelleen synteesiä varten. Tämän syklin yleinen kaavio voi olla. esitetään seuraavassa muodossa:
Hiilen saaminen. Kasvi- ja eläinperäiset hiilipitoiset yhdisteet ovat epästabiileja korkeissa lämpötiloissa, ja kuumennettaessa vähintään 150-400 °C:seen ilman ilmaa, ne hajoavat, vapauttaen vettä ja haihtuvia hiiliyhdisteitä ja jättäen kiinteän haihtumattoman jäännöksen, jossa on runsaasti hiiltä ja jota kutsutaan yleisesti kivihiileksi. . Tätä pyrolyyttistä prosessia kutsutaan hiiltymiseksi tai kuivatislaamiseksi, ja sitä käytetään laajalti tekniikassa. Fossiilisten hiilen, öljyn ja turpeen korkean lämpötilan pyrolyysi (lämpötilassa 450-1150 °C) johtaa hiilen vapautumiseen grafiittimuodossa (koksi, retorttihiili). Mitä korkeampi lähtöaineiden hiiltymislämpötila on, sitä lähempänä tuloksena oleva kivihiili tai koksi on koostumukseltaan vapaata hiiltä ja ominaisuuksiltaan grafiittia.
Amorfinen kivihiili, joka muodostuu alle 800 °C:n lämpötiloissa, ei voi olla. pidämme sitä vapaana hiilenä, koska se sisältää merkittäviä määriä kemiallisesti sitoutuneita muita alkuaineita, Ch. arr. vety ja happi. Teknisistä tuotteista aktiivihiili ja noki ovat ominaisuuksiltaan lähimpänä amorfista hiiltä. Puhtain hiili voi olla. saatu hiiltämällä puhdasta sokeria tai piperonaalia, erikoiskäsittely hiilimustalla jne. Sähkötermisellä keinotekoinen grafiitti on koostumukseltaan lähes puhdasta hiiltä. Luonnongrafiitti on aina epäpuhtauksien saastuttamaa ja sisältää myös tietyn määrän sitoutunutta vetyä (H) ja happea (O); suhteellisen puhtaassa tilassa se voi olla. saadaan vasta useiden erikoiskäsittelyjen jälkeen: mekaaninen rikastus, pesu, käsittely hapettimilla ja kalsinointi korkeassa lämpötilassa, kunnes haihtuvat aineet on poistettu kokonaan. Hiiliteknologia ei koskaan käsittele täysin puhdasta hiiltä; tämä ei koske vain luonnollisia hiilen raaka-aineita, vaan myös sen rikastus-, jalostus- ja lämpöhajoamistuotteita (pyrolyysi). Alla on joidenkin hiilipitoisten materiaalien hiilipitoisuus (%):
Hiilen fysikaaliset ominaisuudet. Vapaa hiili on lähes täysin sulamaton, haihtumaton ja tavallisessa lämpötilassa liukenematon mihinkään tunnetuista liuottimista. Se liukenee vain tiettyihin sulaisiin metalleihin, erityisesti lämpötiloissa, jotka lähestyvät jälkimmäisen kiehumispistettä: rautaan (enintään 5 %), hopeaan (enintään 6 %) | ruteeni (jopa 4%), koboltti, nikkeli, kulta ja platina. Hapen puuttuessa hiili on tulenkestävin materiaali; nestemäinen tila puhdasta hiiltä ei tunneta, ja sen muuttuminen höyryksi alkaa vain yli 3000 °C:n lämpötiloissa. Siksi hiilen ominaisuuksien määrittäminen suoritettiin yksinomaan kiinteälle aggregaatiolle. Hiilen muunnelmista timantilla on pysyvimmät fysikaaliset ominaisuudet; grafiitin ominaisuudet sen eri näytteissä (myös puhtaimmissa) vaihtelevat huomattavasti; amorfisen hiilen ominaisuudet ovat vieläkin vaihtelevampia. Taulukossa on verrattu hiilen eri modifikaatioiden tärkeimpiä fysikaalisia vakioita.
Timantti on tyypillinen eriste, kun taas grafiitilla ja hiilellä on metallista sähkönjohtavuutta. Absoluuttisessa arvossa niiden johtavuus vaihtelee hyvin laajalla alueella, mutta hiilellä se on aina pienempi kuin grafiiteilla; grafiiteissa se lähestyy todellisten metallien johtavuutta. Kaikkien hiilen muunnelmien lämpökapasiteetti >1000°C lämpötilassa pyrkii vakioarvoon 0,47. Alle -180°C:n lämpötiloissa timantin lämpökapasiteetti muuttuu katoavan pieneksi ja -27°C:ssa se on käytännössä nolla.
Hiilen kemialliset ominaisuudet. Yli 1000°C kuumennettaessa sekä timantti että kivihiili muuttuvat vähitellen grafiitiksi, jota on siksi pidettävä stabiilimpana (korkeissa lämpötiloissa) monotrooppisena hiilen muotona. Amorfisen hiilen muuttuminen grafiitiksi alkaa ilmeisesti noin 800 °C:ssa ja päättyy 1100 °C:ssa (tässä viimeisessä vaiheessa kivihiili menettää adsorptioaktiivisuutensa ja kykynsä aktivoitua uudelleen, ja sen sähkönjohtavuus kasvaa jyrkästi ja pysyy lähes vakiona tulevaisuudessa) . Vapaalle hiilelle on ominaista inertisyys tavallisissa lämpötiloissa ja merkittävä aktiivisuus korkeissa lämpötiloissa. Amorfinen hiili on kemiallisesti aktiivisin, kun taas timantti on kestävin. Esimerkiksi fluori reagoi hiilen kanssa 15°C:ssa, grafiitin kanssa vain 500°C:ssa ja timantin kanssa 700°C:ssa. Ilmassa kuumennettaessa huokoinen kivihiili alkaa hapettua alle 100 °C:ssa, grafiitti noin 650 °C:ssa ja timantti yli 800 °C:ssa. 300 °C:n ja sitä korkeammassa lämpötilassa hiili yhdistyy rikin kanssa muodostaen hiilidisulfidia CS 2 . Yli 1800 °C:n lämpötiloissa hiili (hiili) alkaa olla vuorovaikutuksessa typen kanssa muodostaen (pieninä määrinä) syaania C 2 N 2 . Hiilen vuorovaikutus vedyn kanssa alkaa 1200°C:ssa, ja lämpötila-alueella 1200-1500°C muodostuu vain metaania CH4; yli 1500 °C - metaanin, eteenin (C2H4) ja asetyleenin (C2H2) seos; noin 3000 °C:n lämpötilassa saadaan lähes yksinomaan asetyleeniä. Sähkökaaren lämpötilassa hiili yhdistyy suoraan metallien, piin ja boorin kanssa muodostaen vastaavat karbidit. Suorat tai epäsuorat tavat m. b. saatiin hiiliyhdisteitä kaikkien tunnettujen alkuaineiden kanssa, lukuun ottamatta nollaryhmän kaasuja. Hiili on ei-metallinen alkuaine, jossa on joitain amfoteerisuuden merkkejä. Hiiliatomin halkaisija on 1,50 Ᾰ (1Ᾰ \u003d 10 -8 cm) ja se sisältää 4 valenssielektronia ulkopallolla, jotka voidaan yhtä helposti luovuttaa tai täydentää 8:ksi; siksi hiilen, sekä hapen että vedyn, normaali valenssi on neljä. Suurimmassa osassa sen yhdisteistä hiili on neliarvoista; vain pieni osa tunnetaan kaksiarvoisen hiilen (hiilimonoksidi ja sen asetaalit, isonitriilit, räjähtävä happo ja sen suolat) ja kolmiarvoisten (ns. "vapaa radikaali") yhdisteitä.
Hapen kanssa hiili muodostaa kaksi normaalia oksidia: hapan hiilidioksidi CO 2 ja neutraali hiilimonoksidi CO. Lisäksi on useita hiilen suboksidit sisältää enemmän kuin 1 C-atomin, jolla ei ole teknistä merkitystä; näistä tunnetuin on koostumuksen C 3 O 2 alihapetus (kaasu, jonka kiehumispiste on +7 ° C ja sulamispiste -111 ° C). Hiilen ja sen yhdisteiden ensimmäinen palamistuote on CO 2, joka muodostuu yhtälön mukaisesti:
C + O 2 \u003d CO 2 +97600 kal.
CO:n muodostuminen polttoaineen epätäydellisen palamisen aikana on seurausta toissijaisesta pelkistysprosessista; tässä tapauksessa hiili itse toimii pelkistimenä, joka reagoi CO 2:n kanssa yli 450 °C:n lämpötiloissa yhtälön mukaisesti:
CO 2 + C \u003d 2CO -38800 cal;
tämä reaktio on palautuva; yli 950 °C:ssa CO 2:n muuttuminen CO:ksi tulee lähes täydelliseksi, mikä suoritetaan kaasua tuottavissa uuneissa. Hiilen energistä pelkistyskykyä korkeissa lämpötiloissa käytetään myös vesikaasun tuotannossa (H 2 O + C \u003d CO + H 2 -28380 cal) ja metallurgisissa prosesseissa - vapaan metallin saamiseksi sen oksidista. Hiilen allotrooppisia muotoja käsitellään eri tavalla joidenkin hapettimien vaikutuksesta: esimerkiksi KCIO 3 + HNO 3 -seos ei vaikuta timanttiin ollenkaan, amorfinen kivihiili hapettuu sen vaikutuksesta kokonaan CO 2:ksi, kun taas grafiitti muodostaa timantin yhdisteitä. aromaattiset sarjat - grafiittihapot, joilla on empiirinen kaava (C 2 OH) x ja enemmän mellitiinihappo C6(COOH)6. Hiilen ja vedyn yhdisteitä - hiilivetyjä - on erittäin paljon; Suurin osa jäljellä olevista orgaanisista yhdisteistä tuotetaan geneettisesti niistä, jotka sisältävät hiilen lisäksi useimmiten H:ta, O:ta, N:ää, S:a ja halogenideja.
Orgaanisten yhdisteiden poikkeuksellinen valikoima, joita tunnetaan jopa 2 miljoonaa, johtuu hiilen tietyistä ominaisuuksista alkuaineena. 1) Hiilelle on ominaista kemiallisen sidoksen lujuus useimpien muiden alkuaineiden, sekä metallisten että ei-metallisten, kanssa, minkä vuoksi se muodostaa melko stabiileja yhdisteitä molempien kanssa. Yhdessä muiden alkuaineiden kanssa hiili on hyvin vähän taipuvainen muodostamaan ioneja. Useimmat orgaaniset yhdisteet ovat homeopolaarisia eivätkä hajoa normaaleissa olosuhteissa; molekyylinsisäisten sidosten katkeaminen niissä vaatii usein huomattavan määrän energiaa. Sidosten vahvuutta arvioitaessa on kuitenkin erotettava; a) absoluuttinen sidoslujuus mitattuna termokemiallisin keinoin ja b) sidoksen kyky katketa erilaisten reagenssien vaikutuksesta; nämä kaksi ominaisuutta eivät aina täsmää. 2) Hiiliatomit sitoutuvat toisiinsa poikkeuksellisen helposti (ei-polaarinen) muodostaen hiiliketjuja, avoimia tai suljettuja. Tällaisten ketjujen pituus näyttää olevan rajoittamaton; näin ollen tunnetaan täysin stabiileja molekyylejä, joissa on 64 hiiliatomin avoimet ketjut. Avointen ketjujen venyminen ja monimutkaisuus ei vaikuta niiden yhteyksien lujuuteen toisiinsa tai muihin elementteihin. Suljetuista ketjuista 6- ja 5-jäseniset renkaat muodostuvat helpoimmin, vaikka tunnetaankin rengasmaisia ketjuja, jotka sisältävät 3-18 hiiliatomia. Hiiliatomien kyky liittyä toisiinsa selittää hyvin grafiitin erityisominaisuudet ja hiiltymisprosessien mekanismin; se tekee myös selväksi sen tosiasian, että hiiltä ei tunneta diatomisten C 2 -molekyylien muodossa, mitä voidaan odottaa analogisesti muiden kevyiden ei-metallisten alkuaineiden kanssa (höyrymuodossa hiili koostuu yksiatomisista molekyyleistä). 3) Sidosten ei-polaarisesta luonteesta johtuen monilla hiiliyhdisteillä on kemiallinen inertiteetti, ei vain ulkoinen (hidas vaste), vaan myös sisäinen (vaikeus molekyylin sisäisissä uudelleenjärjestelyissä). Suurten "passiivisten vastusten" läsnäolo vaikeuttaa suuresti epästabiilien muotojen spontaania muuttumista stabiileiksi, mikä usein vähentää tällaisen muunnosnopeuden nollaan. Tämän seurauksena on mahdollisuus toteuttaa suuri määrä isomeerisiä muotoja, jotka ovat käytännössä yhtä stabiileja tavallisessa lämpötilassa.
Allotropia ja hiilen atomirakenne . Röntgenanalyysi mahdollisti timantin ja grafiitin atomirakenteen luotettavan selvittämisen. Sama tutkimusmenetelmä valaisi myös kysymyksen kolmannen hiilen allotrooppisen muunnelman olemassaolosta, mikä on oleellisesti kysymys hiilen amorfisuudesta tai kiteisyydestä: jos kivihiili on amorfinen muodostuma, niin se ei voi olla sitä. ei tunnisteta grafiitilla eikä timantilla, vaan sitä tulisi pitää hiilen erityismuotona, yksittäisenä yksinkertaisena aineena. Timantissa hiiliatomit on järjestetty siten, että jokainen atomi on tetraedrin keskustassa, jonka kärjet ovat 4 vierekkäistä atomia; kukin jälkimmäisistä on puolestaan toisen sellaisen tetraedrin keskus; vierekkäisten atomien väliset etäisyydet ovat 1,54 Ᾰ (kidehilan alkaalikuution reuna on 3,55 Ᾰ). Tämä rakenne on kompaktein; se vastaa timantin suurta kovuutta, tiheyttä ja kemiallista inertiteettiä (valenssivoimien tasainen jakautuminen). Hiiliatomien keskinäinen sitoutuminen timanttihilassa on sama kuin useimpien orgaanisten rasvayhdisteiden molekyyleissä (hiilen tetraedrimalli). Grafiittikiteissä hiiliatomit ovat tiiviissä kerroksissa, jotka ovat 3,35-3,41 Ᾰ:n päässä toisistaan; näiden kerrosten suunta on sama kuin halkeamistasot ja liukutasot mekaanisten muodonmuutosten aikana. Jokaisen kerroksen tasolla atomit muodostavat ruudukon, jossa on kuusikulmainen soluja (yhtiöitä); tällaisen kuusikulmion sivu on 1,42-1,45 Ᾰ. Vierekkäisissä kerroksissa kuusikulmiot eivät ole toistensa alla: niiden pystysuora yhteensattuma toistuu vasta 2 kerroksen jälkeen kolmannessa. Jokaisen hiiliatomin kolme sidosta sijaitsevat samassa tasossa muodostaen 120° kulmat; Neljäs sidos suuntautuu vuorotellen suuntaan tai toiseen tasosta viereisten kerrosten atomeihin. Kerroksen atomien väliset etäisyydet ovat tiukasti vakioita, kun taas yksittäisten kerrosten välinen etäisyys voi olla ulkoisten vaikutusten muuttama: esimerkiksi painettaessa paineessa 5000 atm:iin asti se laskee 2,9 Ᾰ:iin ja kun grafiitti turpoaa väkevässä HNO 3:ssa, se nousee 8 Ᾰ:iin. Yhden kerroksen tasolla hiiliatomit ovat homeopolaarisesti sitoutuneita (kuten hiilivetyketjuissa), kun taas vierekkäisten kerrosten atomien väliset sidokset ovat luonteeltaan melko metallisia; tämä näkyy siitä, että grafiittikiteiden sähkönjohtavuus kerroksiin kohtisuorassa suunnassa on ~100 kertaa suurempi kuin johtavuus kerroksen suunnassa. Että. grafiitilla on metallin ominaisuudet yhdessä suunnassa ja epämetallin ominaisuudet toisessa. Hiiliatomien järjestely grafiittihilan jokaisessa kerroksessa on täsmälleen sama kuin monimutkaisten aromaattisten yhdisteiden molekyyleissä. Tämä konfiguraatio selittää hyvin grafiitin terävän anisotropian, poikkeuksellisen kehittyneen halkeamisen, kitkanesto-ominaisuudet ja aromaattisten yhdisteiden muodostumisen sen hapettumisen aikana. Mustan hiilen amorfinen modifikaatio on ilmeisesti olemassa itsenäisenä muotona (O. Ruff). Hänelle todennäköisin on vaahtomainen solurakenne, jossa ei ole mitään säännöllisyyttä; tällaisten solujen seinämät muodostuvat aktiivisten atomien kerroksista hiili noin 3 atomia paksu. Käytännössä kivihiilen aktiivinen aine sijaitsee tavallisesti lähekkäin olevien, grafiittimaisesti orientoituneiden inaktiivisten hiiliatomien kuoren alla, ja se on läpäissyt hyvin pienten grafiittikristalliittien sulkeumat. Kivihiilen → grafiitin muutoksella ei luultavasti ole mitään varmaa pistettä: molempien muunnelmien välillä on jatkuva siirtymä, jonka aikana amorfisen hiilen C-atomien satunnaisesti ruuhkautunut massa järjestyy uudelleen grafiitin säännölliseksi kidehilaksi. Amorfisen hiilen hiiliatomit osoittavat satunnaisesta sijoituksestaan johtuen maksimijäännösaffiniteettia, mikä (Langmuirin näkemyksen mukaan adsorptiovoimien ja valenssivoimien identiteetistä) vastaa hiilelle niin tyypillistä korkeaa adsorptio- ja katalyyttistä aktiivisuutta. Kidehilassa orientoidut hiiliatomit kuluttavat kaiken affiniteettinsa (timantissa) tai suurin osa hän (grafiitissa); tämä vastaa kemiallisen aktiivisuuden ja adsorptioaktiivisuuden vähenemistä. Timantilla adsorptio on mahdollista vain yksittäisen kiteen pinnalle, kun taas grafiitilla jäännösvalenssi voi ilmaantua kunkin litteän hilan molemmille pinnoille (atomikerrosten välisissä ”raoissa”), minkä vahvistaa se tosiasia, että grafiitti voi turvota nesteissä (HNO 3) ja sen hapettumismekanismi grafiittihapoksi.
Hiilen tekninen merkitys. Mitä tulee b. tai m. hiiltymis- ja koksausprosessien aikana saatua vapaata hiiltä, niin sen käyttö tekniikassa perustuu sekä kemiallisiin (inertisyys, pelkistyskyky) että fysikaalisiin ominaisuuksiin (lämmönkestävyys, sähkönjohtavuus, adsorptiokyky). Joten koksia ja hiiltä käytetään sen osittaisen suoran käytön lisäksi, että niitä käytetään liekettömänä polttoaineena, kaasumaisen polttoaineen (generaattorikaasujen) tuottamiseen; rauta- ja ei-rautametallien metallurgiassa - metallioksidien (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi) pelkistämiseen; kemiantekniikassa - pelkistimenä sulfidien (Na, Ca, Ba) valmistuksessa sulfaateista, vedettömistä kloridisuoloista (Mg, Al), metallioksideista, liukoisen lasin ja fosforin valmistuksessa - raaka-aineena tuotanto kalsiumkarbidi, karborundi ja muut karbidit hiilidisulfidi, jne.; rakennusalalla - lämmöneristysmateriaalina. Retorttihiili ja koksi toimivat sähköuunien, elektrolyyttikylpyjen ja galvaanisten kennojen elektrodien materiaalina, kaarihiilen, reostaattien, keräysharjojen, sulatusupokkaiden jne. valmistukseen sekä tiivisteenä tornityyppisissä kemiallisissa laitteissa. Hiiltä käytetään yllä olevien sovellusten lisäksi väkevän hiilimonoksidin, syanidisuolojen valmistukseen, teräksen hiilettämiseen, sitä käytetään laajalti adsorbenttina, joidenkin synteettisten reaktioiden katalyyttinä, ja lopuksi se on osa mustaa jauhetta ja muita räjähtäviä ja pyrotekniset koostumukset.
Hiilen analyyttinen määritys. Kvalitatiivisesti hiili määritetään hiiltämällä ainenäyte ilman pääsyä ilmaan (mikä ei sovi kaikille aineille) tai, mikä on paljon luotettavampaa, hapettamalla se tyhjentävästi, esimerkiksi kalsinoimalla se seoksessa kuparin kanssa. oksidia, ja CO 2:n muodostuminen on todistettu tavallisilla reaktioilla. Hiilen kvantifioimiseksi näyte aineesta poltetaan happiatmosfäärissä; saatu C02 vangitaan alkaliliuoksella ja määritetään painon tai tilavuuden perusteella tavanomaisilla kvantitatiivisilla analyysimenetelmillä. Tämä menetelmä soveltuu hiilen määrittämiseen paitsi orgaanisista yhdisteistä ja teollisuushiileistä myös metalleista.
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", sillä on kuudes sarjanumero ja sen a.m.u. = 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. Syynä suureen määrään hiilen modifikaatioita on sen kyky 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 päästä ympäristöön ihmisen tekemänä tuotteena. ydinvoimaloiden käytön aikana ja vetypommin käytön seurauksena. 14 C:n hajoamisprosessiin perustuu radiohiilidatoitustekniikka, joka on löytänyt laajan sovelluksensa arkeologiassa ja geologiassa.
Hiilen modifikaatio allotrooppisessa muodossa
Luonnossa on monia hiiltä sisältäviä aineita. Henkilö käyttää hiiliatomin rakennetta omiin tarkoituksiinsa luodessaan erilaisia aineita, mukaan lukien:
- Kiteiset hiilet (timantit, hiilinanoputket, kuidut ja langat, fullereenit jne.).
- Amorfiset hiilet (aktiivihiili ja puuhiili, erilaisia koksi, hiilimusta, hiilimusta, nanovaahto ja antrasiitti).
- Hiilen klusterimuodot (dihiilivedyt, nanokonit ja astraleeniyhdisteet).
Atomirakenteen rakenteelliset piirteet
Hiiliatomin elektronisella rakenteella voi olla erilainen geometria, mikä riippuu sen kiertoradan hybridisaatiotasosta. Geometriaa on kolme päätyyppiä:
- 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.
- 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.
- 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 vain yhden alkuaineen osallistuessa 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 ylemmat hengitystiet 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.
Artikkelin sisältö
HIILIA, C (carboneum), ei-metallinen kemiallinen alkuaine, joka kuuluu alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ryhmään IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb). Esiintyy luonnossa timanttikiteiden (kuva 1), grafiitin tai fullereenin ja muissa muodoissa ja on osa orgaanista (hiili, öljy, eläin- ja kasviorganismit jne.) ja epäorgaaniset aineet(kalkkikivi, ruokasooda jne.).
Hiili on laajalle levinnyt, mutta sen pitoisuus maankuoressa on vain 0,19 %.
Hiiltä käytetään laajalti yksinkertaisten aineiden muodossa. Korujen kohteena olevien arvokkaiden timanttien lisäksi teollisuustimanteilla on suuri merkitys - hioma- ja leikkaustyökalujen valmistuksessa.
Hiiltä ja muita amorfisia hiilen muotoja käytetään värinpoistoon, puhdistukseen, kaasujen adsorptioon tekniikan aloilla, joissa tarvitaan kehittyneen pinnan omaavia adsorbentteja. Karbideille, hiilen yhdisteille metallien sekä boorin ja piin kanssa (esim. Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) on ominaista korkea kovuus, ja niitä käytetään hioma- ja leikkaustyökalujen valmistukseen. Teräksissä ja seoksissa on hiiltä alkuainetilassa ja karbidien muodossa. Teräsvalujen pinnan kyllästäminen hiilellä korkeassa lämpötilassa (sementointi) lisää merkittävästi pinnan kovuutta ja kulutuskestävyyttä. Katso myös SEOKSET.
Luonnossa on monia erilaisia grafiitin muotoja; osa on saatu keinotekoisesti; amorfisia muotoja on saatavilla (esim. koksi ja puuhiili). Nokea, luuhiiltä, lampunmustaa, asetyleenimustaa muodostuu, kun hiilivetyjä poltetaan ilman happea. Niin sanottu valkoista hiiltä saatu sublimoimalla pyrolyyttistä grafiittia alipaineessa - nämä ovat pienimmät läpinäkyvät grafiittilehtien kiteet, joissa on terävät reunat.
Historiallinen viittaus.
Grafiitti, timantti ja amorfinen hiili ovat olleet tunnettuja antiikista lähtien. On jo pitkään tiedetty, että muuta materiaalia voidaan merkitä grafiitilla, ja nimen "grafiitti", joka tulee kreikan sanasta, joka tarkoittaa "kirjoittaa", ehdotti A. Werner vuonna 1789. Grafiitin historia on kuitenkin sekava, usein aineet, joilla on samanlaiset ulkoiset fysikaaliset ominaisuudet, erehtyivät siihen. , kuten molybdeniitti (molybdeenisulfidi), jota aikoinaan pidettiin grafiittina. Muita grafiitin nimiä ovat "musta lyijy", "rautakarbidi", "hopealyijy". Vuonna 1779 K. Scheele havaitsi, että grafiitti voidaan hapettaa ilman kanssa hiilidioksidiksi.
Ensimmäistä kertaa timantteja käytettiin Intiassa, ja Brasiliassa jalokivet saivat kaupallisen merkityksen vuonna 1725; Etelä-Afrikan esiintymät löydettiin vuonna 1867. 1900-luvulla. Tärkeimmät timantin tuottajat ovat Etelä-Afrikka, Zaire, Botswana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tansania ja Venäjä. Keinotekoisia timantteja, joiden tekniikka luotiin vuonna 1970, valmistetaan teollisiin tarkoituksiin.
Allotropia.
Jos aineen rakenneyksiköt (monatomisten alkuaineiden atomit tai moniatomisten alkuaineiden ja yhdisteiden molekyylit) pystyvät yhdistymään toistensa kanssa useammassa kuin yhdessä kidemuodossa, tätä ilmiötä kutsutaan allotropiaksi. Hiilellä on kolme allotrooppista muunnelmaa - timantti, grafiitti ja fullereeni. Timantissa jokaisella hiiliatomilla on 4 tetraedrisesti sijoitettua naapuria, jotka muodostavat kuutiorakenteen (kuva 1, A). Tämä rakenne vastaa sidoksen maksimikovalenttia ja kunkin hiiliatomin kaikki 4 elektronia muodostavat vahvoja C–C-sidoksia, ts. rakenteessa ei ole johtavuuselektroneja. Siksi timantti erottuu johtavuuden puutteesta, alhaisesta lämmönjohtavuudesta ja korkeasta kovuudesta; se on kovin tunnettu aine (kuva 2). C–C-sidoksen (sidoksen pituus 1,54 Å, joten kovalenttinen säde 1,54/2 = 0,77 Å) katkaiseminen tetraedrisessä rakenteessa vaatii paljon energiaa, joten timantille on poikkeuksellisen kovuuden ohella tyypillistä korkea sulamispiste (3550 astetta). °C).
Toinen hiilen allotrooppinen muoto on grafiitti, joka on ominaisuuksiltaan hyvin erilainen kuin timantti. Grafiitti on pehmeä musta aine, joka koostuu helposti kuoriutuvista kiteistä, jolle on tunnusomaista hyvä sähkönjohtavuus ( sähköinen vastus 0,0014 ohmia cm). Siksi grafiittia käytetään kaarilampuissa ja uuneissa (kuva 3), joissa on tarpeen luoda korkeita lämpötiloja. Erittäin puhdasta grafiittia käytetään ydinreaktoreissa neutronien hidastajana. Sen sulamispiste korotetussa paineessa on 3527 °C. Normaalipaineessa grafiitti sublimoituu (siirtyy kiinteästä tilasta kaasuksi) 3780 °C:ssa.
Grafiittirakenne (kuva 1, b) on sulautuneiden kuusikulmaisten renkaiden järjestelmä, joiden sidoksen pituus on 1,42 Å (merkittävästi lyhyempi kuin timantissa), mutta jokaisessa hiiliatomissa on kolme (eikä neljä, kuten timantissa) kovalenttista sidosta kolmen naapurin kanssa ja neljäs sidos ( 3,4 Å) on liian pitkä kovalenttiselle sidokselle ja sitoo heikosti rinnakkaisia pinottuja grafiittikerroksia toisiinsa. Se on neljäs hiilielektroni, joka määrittää grafiitin lämmön- ja sähkönjohtavuuden - tämä pidempi ja vähemmän vahva sidos muodostaa grafiitin vähemmän tiiviiksi, mikä näkyy sen alhaisempana kovuutena verrattuna timanttiin (grafiitin tiheys on 2,26 g / cm 3, timantti - 3,51 g/cm3). Samasta syystä grafiitti on liukasta kosketettaessa ja erottaa helposti voiteluaineiden ja kynän lyijykynän valmistukseen käytetyn aineen hiutaleet. Lyijyn lyijykiilto johtuu pääasiassa grafiitin läsnäolosta.
Hiilikuiduilla on korkea lujuus, ja niitä voidaan käyttää viskoosien tai muiden korkeahiilisten lankojen valmistukseen.
Korkeassa paineessa ja lämpötilassa katalyytin, kuten raudan, läsnä ollessa grafiitti voidaan muuttaa timantiksi. Tämä prosessi on toteutettu keinotekoisten timanttien teolliseen tuotantoon. Timanttikiteet kasvavat katalyytin pinnalla. Grafiitti-timanttitasapaino vallitsee paineissa 15 000 atm ja 300 K tai 4 000 atm ja 1 500 K. Keinotekoisia timantteja voidaan saada myös hiilivedyistä.
Hiilen amorfisia muotoja, jotka eivät muodosta kiteitä, ovat puuhiili, joka on saatu kuumentamalla puuta ilman pääsyä ilmaan, lamppu ja kaasunoki, joka muodostuu hiilivetyjen alhaisessa lämpötilassa ilman puutteella poltettaessa ja tiivistyy kylmälle pinnalle, luuhiili on seos kalsiumfosfaattia luutuhokankaiden prosessissa, samoin kuin kivihiiltä (luonnollinen aine, jossa on epäpuhtauksia) ja koksia, kuivaa jäännöstä, joka saadaan polttoaineiden koksauksesta hiilen tai öljyjäämien (bitumihiilet) kuivatislauksella, ts. lämmitys ilman ilmaa. Koksia käytetään raudan sulattamiseen sekä rauta- ja ei-rautametallien metallurgiassa. Koksauksen aikana muodostuu myös kaasumaisia tuotteita - koksiuunikaasua (H 2, CH 4, CO jne.) ja kemiallisia tuotteita, jotka ovat raaka-aineita bensiinin, maalien, lannoitteiden valmistukseen, lääkkeet, muovit jne. Koksin valmistuksen päälaitteen - koksiuunin - kaavio on esitetty kuvassa. 3.
Eri tyyppisille hiilelle ja noelle on tunnusomaista kehittynyt pinta, ja siksi niitä käytetään adsorbentteina kaasun ja nesteen puhdistukseen sekä katalyytteinä. Hiilen eri muotojen saamiseksi käytetään erityisiä kemiallisen tekniikan menetelmiä. Keinotekoista grafiittia saadaan kalsinoimalla antrasiittia tai maaöljykoksia hiilielektrodien välissä 2260°C:ssa (Acheson-prosessi) ja sitä käytetään voiteluaineiden ja elektrodien valmistukseen, erityisesti metallien elektrolyyttiseen valmistukseen.
Hiiliatomin rakenne.
Vakavimman hiili-isotoopin massa 12 (98,9 %:n runsaus) ytimessä on 6 protonia ja 6 neutronia (12 nukleonia), jotka on järjestetty kolmeen kvartettiin, joista kukin sisältää 2 protonia ja kaksi neutronia, jotka ovat samanlaisia kuin heliumydin. Toinen stabiili hiilen isotooppi on 13 C (n. 1,1 %), ja epästabiilia isotooppia 14 C esiintyy luonnossa pieniä määriä puoliintumisajalla 5730 vuotta. b-säteilyä. Kaikki kolme CO 2:n muodossa olevaa isotooppia osallistuvat elävän aineen normaaliin hiilikiertoon. Elävän organismin kuoleman jälkeen hiilen kulutus pysähtyy ja C:tä sisältävät esineet voidaan päivämäärää mittaamalla radioaktiivisuustaso 14 C. Vähennä b-14 CO 2 -säteily on verrannollinen kuolemasta kuluneeseen aikaan. Vuonna 1960 W. Libbylle myönnettiin Nobel-palkinto radioaktiivisen hiilen tutkimuksesta.
Perustilassa 6 hiilen elektronia muodostaa elektronikonfiguraation 1 s 2 2s 2 2px 1 2py 1 2pz 0 . Neljä toisen tason elektronia ovat valenssia, mikä vastaa hiilen asemaa jaksollisen järjestelmän IVA-ryhmässä ( cm. ELEMENTTITAULUKKO). Koska elektronin irrottautuminen atomista kaasufaasissa vaatii suuren energian (noin 1070 kJ/mol), hiili ei muodosta ionisidoksia muiden alkuaineiden kanssa, koska tämä vaatisi elektronin irtoamisen positiivisen ioni. Kun elektronegatiivisuus on 2,5, hiilellä ei ole vahvaa elektroniaffiniteettia, eikä se siksi ole aktiivinen elektronien vastaanottaja. Siksi se ei ole taipuvainen muodostamaan hiukkasta negatiivinen varaus. Mutta koska sidos on osittain ioninen, on olemassa joitain hiiliyhdisteitä, esimerkiksi karbideja. Yhdisteissä hiilen hapetusaste on 4. Jotta neljä elektronia voisi osallistua sidosten muodostukseen, 2:n hajoaminen on välttämätöntä s-elektroneja ja yhden näistä elektroneista hyppy kahdella pz-kiertoradalla; tässä tapauksessa muodostuu 4 tetraedristä sidosta, joiden välinen kulma on 109°. Yhdisteissä hiilen valenssielektronit vedetään pois siitä vain osittain, joten hiili muodostaa vahvoja kovalenttisia sidoksia vierekkäisten C–C-tyyppisten atomien välille yhteistä elektroniparia käyttäen. Tällaisen sidoksen murtumisenergia on 335 kJ/mol, kun taas Si–Si-sidoksella se on vain 210 kJ/mol, joten pitkät –Si–Si–-ketjut ovat epävakaita. Sidosen kovalenttinen luonne säilyy jopa erittäin reaktiivisten halogeenien yhdisteissä hiilen, CF4:n ja CCl4:n kanssa. Hiiliatomit pystyvät tuottamaan useamman kuin yhden elektronin kustakin hiiliatomista sidoksen muodostumista varten; näin muodostuu kaksois-C=C- ja kolmois-CºC-sidoksia. Myös muut alkuaineet muodostavat sidoksia atomiensa välille, mutta vain hiili pystyy muodostamaan pitkiä ketjuja. Siksi hiilestä tunnetaan tuhansia yhdisteitä, joita kutsutaan hiilivedyiksi, joissa hiili on sitoutunut vetyyn ja muihin hiiliatomeihin muodostaen pitkiä ketjuja tai rengasrakenteita. cm. Orgaaninen KEMI.
Näissä yhdisteissä on mahdollista korvata vety muilla atomeilla, useimmiten hapella, typellä ja halogeeneilla, jolloin muodostuu monia orgaanisia yhdisteitä. Fluorihiilivedyillä, hiilivedyillä, joissa vety on korvattu fluorilla, on tärkeä paikka niiden joukossa. Tällaiset yhdisteet ovat äärimmäisen inerttejä, ja niitä käytetään muovina ja voiteluaineina (fluorihiilivedyt eli hiilivedyt, joissa kaikki vetyatomit on korvattu fluoriatomeilla) ja matalalämpöisinä kylmäaineina (freonit tai freonit, - fluorikloorihiilivedyt).
1980-luvulla yhdysvaltalaiset fyysikot löysivät erittäin mielenkiintoisia yhteyksiä hiili, jossa hiiliatomit ovat liittyneet 5- tai 6-gonissa muodostaen C60-molekyylin onton pallon muodossa, jolla on täydellinen jalkapallopallon symmetria. Koska tällainen suunnitelma on amerikkalaisen arkkitehdin ja insinöörin Buckminster Fullerin keksimän "geodeettisen kupolin" taustalla, uusi luokka yhdisteitä kutsuttiin "buckminsterfullereeneiksi" tai "fullereeneiksi" (ja myös lyhyemmin "fasipalloiksi" tai "buckyballsiksi"). Fullereenit - puhtaan hiilen (paitsi timantti ja grafiitti) kolmas muunnos, joka koostuu 60 tai 70 (ja jopa useammasta) atomista - saatiin lasersäteilyn vaikutuksesta pienimpiin hiilihiukkasiin. Monimutkaisemman muodon fullereenit koostuvat useista sadoista hiiliatomeista. C60-molekyylin halkaisija on ~ 1 nm. Tällaisen molekyylin keskellä on tarpeeksi tilaa suurelle uraaniatomille.
standardi atomimassa.
Vuonna 1961 kansainväliset puhtaan ja sovelletun kemian liitot (IUPAC) ja fysiikka hyväksyivät hiili-isotoopin 12 C massan atomimassan yksiköksi, mikä kumosi aiemmin olemassa olevan atomimassojen happiasteikon. Hiilen atomimassa tässä järjestelmässä on 12,011, koska se on kolmen luonnollisen hiilen isotoopin keskiarvo, kun otetaan huomioon niiden runsaus luonnossa. cm. ATOMIMASSA.
Hiilen ja joidenkin sen yhdisteiden kemialliset ominaisuudet.
Jotkut fyysiset ja Kemialliset ominaisuudet hiili on annettu artikkelissa KEMIALLISET ALUKSET. Hiilen reaktiivisuus riippuu sen modifikaatiosta, lämpötilasta ja dispersiosta. klo matalat lämpötilat kaikki hiilen muodot ovat melko inerttejä, mutta kuumennettaessa ne hapettuvat ilmakehän hapen vaikutuksesta muodostaen oksideja:
Hienojakoinen hiili, joka ylittää hapen, voi räjähtää kuumennettaessa tai kipinästä. Suoran hapettumisen lisäksi on muitakin nykyaikaisia menetelmiä oksidien saaminen.
suboksidihiili
C 3 O 2 muodostuu malonihapon dehydraation aikana P 4 O 10:n yli:
C 3 O 2:lla on epämiellyttävä haju, se hydrolysoituu helposti ja muodostaa uudelleen malonihappoa.
Hiilimonoksidi (II) CO muodostuu minkä tahansa hiilen muunnelman hapettuessa ilman happea. Reaktio on eksoterminen, vapautuu 111,6 kJ/mol. Koksi valkolämpössä reagoi veden kanssa: C + H 2 O = CO + H 2; esiin nousemassa kaasuseos kutsutaan "vesikaasuksi" ja se on kaasumainen polttoaine. CO:ta muodostuu myös öljytuotteiden epätäydellisen palamisen aikana, sitä löytyy merkittäviä määriä autojen pakokaasuista ja sitä saadaan muurahaishapon termisellä dissosiaatiolla:
Hiilen hapetusaste CO:ssa on +2, ja koska hiili on vakaampi hapetustilassa +4, CO hapettuu helposti hapen vaikutuksesta CO 2:ksi: CO + O 2 → CO 2, tämä reaktio on erittäin eksoterminen (283 kJ / mol). CO:ta käytetään teollisuudessa seoksena H2:n ja muiden palavien kaasujen kanssa polttoaineena tai kaasumaisena pelkistimenä. Kuumennettaessa 500 °C:seen CO muodostaa huomattavassa määrin C:tä ja CO 2:ta, mutta 1000 °C:ssa tasapaino syntyy alhaisilla CO 2 -pitoisuuksilla. CO reagoi kloorin kanssa muodostaen fosgeenia - COCl 2, reaktiot muiden halogeenien kanssa etenevät samalla tavalla, reaktiossa rikin kanssa saadaan karbonyylisulfidia COS, metallien kanssa (M) CO muodostaa eri koostumuksellisia karbonyylejä M (CO) x, jotka ovat monimutkaisia yhdisteitä. Rautakarbonyyli muodostuu veren hemoglobiinin vuorovaikutuksesta CO:n kanssa, mikä estää hemoglobiinin reaktion hapen kanssa, koska rautakarbonyyli on vahvempi yhdiste. Tämän seurauksena hemoglobiinin toiminta hapen kantajana soluille estyy, jotka sitten kuolevat (ja ensinnäkin aivosoluihin vaikuttaa). (Siksi toinen nimi CO - "hiilimonoksidi"). Jo 1 % (tilavuus) hiilidioksidia ilmassa on vaarallista ihmiselle, jos hän on sellaisessa ilmakehässä yli 10 minuuttia. Jotkut CO:n fysikaaliset ominaisuudet on esitetty taulukossa.
Hiilidioksidi tai hiilimonoksidi (IV) CO 2 muodostuu alkuainehiilen palaessa ylimääräisessä hapessa lämmön vapautuessa (395 kJ/mol). CO 2 (triviaali nimi on "hiilidioksidi") muodostuu myös CO:n, öljytuotteiden, bensiinin, öljyjen ja muiden orgaanisten yhdisteiden täydellisen hapettumisen aikana. Kun karbonaatit liukenevat veteen, vapautuu myös hiilidioksidia hydrolyysin seurauksena:
Tätä reaktiota käytetään usein laboratoriokäytännössä CO 2:n saamiseksi. Tätä kaasua voidaan saada myös kalsinoimalla metallibikarbonaatteja:
tulistetun höyryn kaasufaasivuorovaikutuksessa CO:n kanssa:
poltettaessa hiilivetyjä ja niiden happijohdannaisia, esim.
Samoin hapettunut elintarvikkeita elävässä organismissa, jossa vapautuu lämpöä ja muuta energiaa. Tässä tapauksessa hapetus etenee miedoissa olosuhteissa välivaiheiden kautta, mutta lopputuotteet sama - CO 2 ja H 2 O, kuten esimerkiksi sokereiden hajoamisen aikana entsyymien vaikutuksesta, erityisesti glukoosin käymisen aikana:
Hiilidioksidin ja metallioksidien suuritonnituotanto tapahtuu teollisuudessa karbonaattien lämpöhajotuksella:
CaO:ta käytetään suuria määriä sementin tuotantoteknologiassa. Karbonaattien lämpöstabiilisuus ja lämmönkulutus niiden hajoamiseen tämän kaavion mukaisesti kasvavat sarjassa CaCO 3 ( Katso myös PALONTORJUNTATOIMENPITEET JA PALONSUOJAUS).
Hiilioksidien elektroninen rakenne.
Minkä tahansa hiilimonoksidin elektronirakennetta voidaan kuvata kolmella yhtä todennäköisellä kaaviolla, joissa on erilaisia elektroniparien järjestelyjä - kolme resonanssimuotoa:
Kaikilla hiilen oksideilla on lineaarinen rakenne.
Hiilihappo.
Kun CO 2 on vuorovaikutuksessa veden kanssa, muodostuu hiilihappoa H2CO3. Kyllästetyssä CO 2 -liuoksessa (0,034 mol/l) vain osa molekyyleistä muodostaa H2CO3:a ja suurin osa CO 2:sta on hydratoituneessa tilassa CO 2 CHH 2 O.
Karbonaatit.
Karbonaatteja muodostuu metallioksidien vuorovaikutuksessa CO 2:n kanssa, esimerkiksi Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.
Alkalimetallikarbonaatteja lukuun ottamatta loput ovat käytännöllisesti katsoen veteen liukenemattomia ja kalsiumkarbonaatti liukenee osittain hiilihappoon tai CO 2 -liuokseen paineistettuun veteen:
Nämä prosessit tapahtuvat kalkkikivikerroksen läpi virtaavassa pohjavedessä. Olosuhteissa alhainen paine ja haihtuminen Ca(HCO 3) 2 -pitoisesta pohjavedestä saostaa CaCO 3:a. Näin stalaktiitit ja stalagmiitit kasvavat luolissa. Näiden mielenkiintoisten geologisten muodostumien väri selittyy vesissä olevilla rauta-, kupari-, mangaani- ja kromi-ionien epäpuhtauksilla. Hiilidioksidi reagoi metallihydroksidien ja niiden liuosten kanssa muodostaen hiilikarbonaatteja, esimerkiksi:
CS 2 + 2Cl 2® CCl 4 + 2S
CCl 4 -tetrakloridi on syttymätön aine, jota käytetään liuottimena kuivapesuprosesseissa, mutta sen käyttöä palonestoaineena ei suositella, koska se muodostaa korkeassa lämpötilassa myrkyllistä fosgeenia (kaasumaista myrkyllistä ainetta). CCl 4 itsessään on myös myrkyllistä, ja huomattavia määriä hengitettynä voi aiheuttaa maksamyrkytyksen. CCl4 muodostuu myös fotokemiallisessa reaktiossa metaanin CH4:n ja Cl2:n välillä; tässä tapauksessa on mahdollista muodostaa metaanin epätäydellisen kloorauksen tuotteita - CHCI 3, CH 2 Cl 2 ja CH 3 Cl. Reaktiot etenevät samalla tavalla muiden halogeenien kanssa.
grafiittireaktiot.
Grafiitti hiilen muunnelmana, jolle on ominaista suuret etäisyydet kuusikulmaisten renkaiden kerrosten välillä, joutuu epätavallisiin reaktioihin, esimerkiksi alkalimetallit, halogeenit ja jotkut suolat (FeCl 3) tunkeutuvat kerrosten väliin muodostaen yhdisteitä KC 8, KC 16-tyyppiä (kutsutaan interstitiaaliksi, inkluusioksi tai klatraateiksi). Vahvat hapettimet, kuten KClO 3 happamassa väliaineessa (rikki- tai typpihappo) muodostavat aineita, joilla on suuri kidehilatilavuus (jopa 6 Å kerrosten välillä), mikä selittyy happiatomien sisäänpääsyllä ja yhdisteiden muodostumisella. jonka pintaan hapettumisen seurauksena muodostuu karboksyyliryhmiä (–COOH ) - yhdisteitä, kuten hapetettua grafiittia tai melliittihappoa (bentseeniheksakarboksyylihappo) C 6 (COOH) 6. Näissä yhdisteissä C:O-suhde voi vaihdella välillä 6:1 - 6:2,5.
Karbidit.
Hiili muodostaa metallien, boorin ja piin kanssa erilaisia yhdisteitä, joita kutsutaan karbideiksi. Aktiivisimmat metallit (IA–IIIA-alaryhmät) muodostavat suolan kaltaisia karbideja, esimerkiksi Na 2 C 2 , CaC 2 , Mg 4 C 3 , Al 4 C 3 . Teollisuudessa kalsiumkarbidia saadaan koksista ja kalkkikivestä seuraavilla reaktioilla:
Karbidit ovat johtamattomia, lähes värittömiä, hydrolysoituvat muodostaen esimerkiksi hiilivetyjä
CaC 2 + 2H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2
Reaktiossa muodostuva asetyleeni C 2 H 2 toimii lähtöaineena monien orgaanisten aineiden tuotannossa. Tämä prosessi on mielenkiintoinen, koska se edustaa siirtymistä epäorgaanisista raaka-aineista orgaanisten yhdisteiden synteesiin. Karbideja, jotka muodostavat asetyleeniä hydrolyysissä, kutsutaan asetylideiksi. Pii- ja boorikarbideissa (SiC ja B 4 C) atomien välinen sidos on kovalenttinen. Siirtymämetallit (B-alaryhmän elementit) muodostavat hiilellä kuumennettaessa myös koostumukseltaan vaihtelevia karbideja metallipinnan halkeamiin; niiden sidos on lähellä metallia. Joillekin tämän tyyppisille karbideille, kuten WC, W 2 C, TiC ja SiC, on ominaista korkea kovuus ja tulenkestävyys, ja niillä on hyvä sähkönjohtavuus. Esimerkiksi NbC, TaC ja HfC ovat tulenkestävimpiä aineita (sp = 4000–4200 °C), diniobiumkarbidi Nb 2 C on suprajohde 9,18 K:n lämpötilassa, TiC ja W 2 C ovat kovuudeltaan lähellä timanttia ja kovuus B. 4 C (timantin rakenteellinen analogi) on 9,5 Mohsin asteikolla ( cm. riisi. 2). Inerttejä karbideja muodostuu, jos siirtymämetallin säde
Hiilen typpijohdannaiset.
Tähän ryhmään kuuluu urea NH 2 CONH 2 - typpilannoite, jota käytetään liuoksen muodossa. Ureaa saadaan NH 3:sta ja CO 2:sta, kun sitä kuumennetaan paineen alaisena:
Syaani (CN) 2 on monilta ominaisuuksiltaan samanlainen kuin halogeenit, ja sitä kutsutaan usein pseudohalogeeniksi. Syanidia saadaan hapettamalla syanidi-ioni heikosti hapella, vetyperoksidilla tai Cu 2+ -ionilla: 2CN - ® (CN) 2 + 2e.
Syanidi-ioni, joka on elektronin luovuttaja, muodostaa helposti monimutkaisia yhdisteitä siirtymämetalli-ionien kanssa. Kuten CO, syanidi-ioni on myrkkyä, joka sitoo elintärkeitä rautayhdisteitä elävässä organismissa. Syanidikompleksi-ionien yleinen kaava on -0,5 x, Missä X on metallin (kompleksoivan aineen) koordinaatioluku, joka on empiirisesti yhtä suuri kuin kaksi kertaa metalli-ionin hapetusasteen arvo. Esimerkkejä tällaisista kompleksisista ioneista ovat (joidenkin ionien rakenne on esitetty alla) tetrasyaaninikelaatti (II) -ioni 2–, heksasyanoferraatti (III) 3–, disyanoargentaatti -:
Karbonyylit.
Hiilimonoksidi pystyy reagoimaan suoraan monien metallien tai metalli-ionien kanssa muodostaen monimutkaisia yhdisteitä, joita kutsutaan karbonyyleiksi, kuten Ni(CO) 4, Fe(CO) 5, Fe 2 (CO) 9, 3, Mo(CO) 6, 2 . Sidos näissä yhdisteissä on samanlainen kuin sidos edellä kuvatuissa syanokomplekseissa. Ni(CO) 4 on haihtuva aine, jota käytetään erottamaan nikkeli muista metalleista. Valuraudan ja teräksen rakenteen heikkeneminen rakenteissa liittyy usein karbonyylien muodostumiseen. Vety voi olla osa karbonyylejä muodostaen karbonyylihydridejä, kuten H 2 Fe (CO) 4 ja HCo (CO) 4, mikä osoittaa happamat ominaisuudet ja reagoi emäksen kanssa:
H 2 Fe(CO) 4 + NaOH → NaHFe(CO) 4 + H 2 O
Tunnetaan myös karbonyylihalogenidit, esimerkiksi Fe (CO) X 2, Fe (CO) 2 X 2, Co (CO) I 2, Pt (CO) Cl 2, jossa X on mikä tahansa halogeeni.
Hiilivedyt.
Tunnetaan valtava määrä hiilen ja vedyn yhdisteitä
Hiili on ehkä tärkein ja hämmästyttävin kemiallinen alkuaine maan päällä, koska sen avulla muodostuu valtava määrä erilaisia yhdisteitä, sekä epäorgaanisia että orgaanisia. Hiili on kaikkien elävien olentojen perusta, voimme sanoa, että hiili yhdessä veden ja hapen kanssa on elämän perusta planeetallamme! Hiilellä on useita muotoja, jotka eivät ole samanlaisia fysikaalis-kemiallisilta ominaisuuksiltaan tai ominaisuuksiltaan ulkomuoto. Mutta kaikki on hiiltä!
Hiilen löytämisen historia
Hiili on ollut ihmiskunnan tiedossa muinaisista ajoista lähtien. Muinaiset kreikkalaiset käyttivät grafiittia ja hiiltä, ja Intiassa käytettiin timantteja. Totta, ulkonäöltään samanlaisia yhdisteitä erehdyttiin usein grafiitiksi. Grafiittia käytettiin kuitenkin laajalti antiikissa, erityisesti kirjoittamiseen. Jopa sen nimi tulee kreikan sanasta "grapho" - "kirjoitan". Grafiittia käytetään nykyään kynissä. Timanteilla käytiin kauppaa ensimmäisen kerran Brasiliassa 1700-luvun alkupuoliskolla, siitä lähtien on löydetty monia esiintymiä, ja vuonna 1970 kehitettiin tekniikka timanttien tuottamiseksi keinotekoisesti. Tällaisia keinotekoisia timantteja käytetään teollisuudessa, kun taas luonnollisia puolestaan koruissa.
hiiltä luonnossa
Merkittävin määrä hiiltä kerääntyy ilmakehään ja hydrosfääriin hiilidioksidin muodossa. Ilmakehä sisältää noin 0,046% hiiltä ja vielä enemmän - liuenneessa muodossa Maailmanmeressä.
Lisäksi, kuten edellä näimme, hiili on elävien organismien perusta. Esimerkiksi 70 kg painavassa ihmiskehossa on noin 13 kg hiiltä! Se on vain yhdessä henkilössä! Ja hiiltä löytyy myös kaikista kasveista ja eläimistä. Joten harkitse...
Hiilen kiertokulku luonnossa
Hiilen allotrooppiset modifikaatiot
Hiili on ainutlaatuinen kemiallinen alkuaine, joka muodostaa ns. allotrooppisia modifikaatioita tai yksinkertaisemmin useita muotoja. Nämä modifikaatiot on jaettu kiteisiin, amorfisiin ja klusterimuotoisiin.
Kristallimuunnoksilla on oikea kidehila. Tähän ryhmään kuuluvat: timantti, fulleriitti, grafiitti, lonsdaleiitti, hiilikuidut ja putket. Suurin osa hiilen kiteisistä modifikaatioista on ensimmäisellä sijalla "Maailman kovimmat materiaalit" -listalla.
Hiilen allotrooppiset muodot: a) lonsdaleiitti; b) timantti;c) grafiitti; d) amorfinen hiili; e) C60 (fullereeni); f) grafeeni;
g) yksikerroksinen nanoputki
Amorfiset muodot muodostuvat hiilestä pienten muiden kemiallisten alkuaineiden epäpuhtauksien kanssa. Tämän ryhmän tärkeimmät edustajat ovat: kivihiili (kivi, puu, aktivoitu), noki, antrasiitti.
Monimutkaisimmat ja huipputekniset ovat hiiliyhdisteitä klustereiden muodossa. Klusterit ovat erityinen rakenne, jossa hiiliatomit on järjestetty siten, että ne muodostavat onton muodon, joka on täytetty sisältä muiden alkuaineiden, kuten veden, atomeilla. Tässä ryhmässä ei ole niin paljon edustajia, se sisältää hiilinanokoneja, astraleeneja ja dihiiliä.
Grafiitti - timantin "pimeä puoli".Hiilen käyttö
Hiilellä ja sen yhdisteillä on suuri merkitys ihmisen elämässä. Hiili muodostaa maan tärkeimmät polttoainetyypit - maakaasu ja öljy. Hiiliyhdisteitä käytetään laajalti kemian- ja metallurgisessa teollisuudessa, rakentamisessa, tekniikassa ja lääketieteessä. Allotrooppisia modifikaatioita timanttien muodossa käytetään koruissa, fulleriittia ja lonsdaleiittia rakettitieteessä. Hiiliyhdisteistä valmistetaan erilaisia voiteluaineita mekanismeihin, teknisiin laitteisiin ja paljon muuta. Teollisuus ei nykyään tule toimeen ilman hiiltä, sitä käytetään kaikkialla!
