La chimica organica è la chimica dell'atomo di carbonio. Numero composti organici decine di volte di più di quelli inorganici, il che può solo essere spiegato caratteristiche dell'atomo di carbonio :

a) è dentro metà della scala dell’elettronegatività e il secondo periodo, quindi non è redditizio per lui cedere i propri e accettare gli elettroni degli altri e acquisire una carica positiva o negativa;

B) struttura speciale del guscio elettronico - NO coppie di elettroni e orbitali liberi (esiste solo un altro atomo con una struttura simile: l'idrogeno, motivo per cui il carbonio e l'idrogeno formano così tanti composti: gli idrocarburi).

Struttura elettronica dell'atomo di carbonio

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

In forma grafica:

Un atomo di carbonio in uno stato eccitato ha la seguente formula elettronica:

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

Sotto forma di cellule:

Forma degli orbitali s e p

Orbitale atomico - la regione dello spazio in cui è più probabile che si trovi un elettrone, con i corrispondenti numeri quantici.

Si tratta di una "mappa di contorno" elettronica tridimensionale in cui la funzione d'onda determina la probabilità relativa di trovare un elettrone in quel particolare punto dell'orbitale.

Le dimensioni relative degli orbitali atomici aumentano all'aumentare della loro energia ( numero quantico principale- n), e la loro forma e orientamento nello spazio sono determinati dai numeri quantici l e m. Gli elettroni negli orbitali sono caratterizzati da un numero quantico di spin. Ogni orbitale può contenere non più di 2 elettroni con spin opposti.

Quando forma legami con altri atomi, l'atomo di carbonio trasforma il suo guscio elettronico in modo che si formino i legami più forti e, di conseguenza, venga rilasciata quanta più energia possibile e il sistema acquisisca la massima stabilità.

Il cambiamento del guscio elettronico di un atomo richiede energia, che viene poi compensata dalla formazione di legami più forti.

La trasformazione del guscio elettronico (ibridazione) può essere principalmente di 3 tipi, a seconda del numero di atomi con cui l'atomo di carbonio forma legami.

Tipi di ibridazione:

sp 3 – un atomo forma legami con 4 atomi vicini (ibridazione tetraedrica):

Formula elettronica dell'atomo di carbonio ibrido sp 3:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 sotto forma di celle

L'angolo di legame tra gli orbitali ibridi è di ~109°.

Formula stereochimica dell'atomo di carbonio:

sp 2 – Ibridazione ( stato di valenza) – un atomo forma legami con 3 atomi vicini (ibridazione trigonale):

Formula elettronica dell'atomo di carbonio ibrido sp 2:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 sotto forma di celle

L'angolo di legame tra gli orbitali ibridi è di ~120°.

Formula stereochimica dell'atomo di carbonio ibrido sp 2:

sp– Ibridazione (stato di valenza) – un atomo forma legami con 2 atomi vicini (ibridazione lineare):

Formula elettronica dell'atomo di carbonio ibrido sp:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 sotto forma di celle

L'angolo di legame tra gli orbitali ibridi è di ~180°.

Formula stereochimica:

L'orbitale s è coinvolto in tutti i tipi di ibridazione, perché ha un'energia minima.

La ristrutturazione della nuvola di elettroni consente la formazione dei legami più forti possibili e un'interazione minima degli atomi nella molecola risultante. In cui gli orbitali ibridi potrebbero non essere identici, ma gli angoli di legame potrebbero essere diversi, ad esempio CH 2 Cl 2 e CCl 4

2. Legami covalenti nei composti del carbonio

Legami covalenti, proprietà, metodi e ragioni della formazione - curriculum scolastico.

Permettimi solo di ricordarti:

1. Comunicazioni educative tra gli atomi può essere considerato il risultato della sovrapposizione dei loro orbitali atomici, e quanto più efficace è (maggiore è l'integrale di sovrapposizione), tanto più forte è il legame.

Secondo i dati calcolati, le efficienze di sovrapposizione relative degli orbitali atomici S rel aumentano come segue:

Pertanto, l'utilizzo di orbitali ibridi, come gli orbitali di carbonio sp 3, per formare legami con quattro atomi di idrogeno si traduce in legami più forti.

2. I legami covalenti nei composti del carbonio si formano in due modi:

UN)Se due orbitali atomici si sovrappongono lungo i loro assi principali, il legame risultante viene chiamato - legame σ.

Geometria. Pertanto, quando si formano legami con atomi di idrogeno nel metano, quattro orbitali ibridi sp 3 ~ dell'atomo di carbonio si sovrappongono agli orbitali s di quattro atomi di idrogeno, formando quattro forti legami σ identici situati ad un angolo di 109°28" tra loro. altro (angolo tetraedrico standard) Una simile struttura tetraedrica strettamente simmetrica si presenta anche, ad esempio, durante la formazione di CCl 4 se gli atomi che formano legami con il carbonio non sono gli stessi, ad esempio nel caso di CH 2 C1 2, lo spaziale; la struttura differirà leggermente da quella completamente simmetrica, sebbene rimanga essenzialmente tetraedrica.

lunghezza del legame σ tra gli atomi di carbonio dipende dall'ibridazione degli atomi e diminuisce durante la transizione da sp 3 - ibridazione a sp. Ciò è spiegato dal fatto che l'orbitale s è più vicino al nucleo dell'orbitale p, quindi maggiore è la sua quota nell'orbitale ibrido, più corto è e quindi più corto è il legame formato

B) Se due atomici P -gli orbitali posti parallelamente tra loro effettuano una sovrapposizione laterale sopra e sotto il piano dove si trovano gli atomi, quindi il legame risultante viene chiamato - π (pi) -comunicazione

Sovrapposizione laterale gli orbitali atomici sono meno efficienti della sovrapposizione lungo l'asse maggiore, quindi π - le connessioni sono meno forti di σ - connessioni. Ciò si manifesta, in particolare, nel fatto che l'energia di un doppio legame carbonio-carbonio è inferiore al doppio dell'energia di un legame singolo. Pertanto, l’energia del legame C-C nell’etano è 347 kJ/mol, mentre l’energia del legame C = C nell’etene è solo 598 kJ/mol e non ~ 700 kJ/mol.

Grado di sovrapposizione laterale di due orbitali atomici 2p , e quindi forza π I legami sono massimi se vi sono due atomi di carbonio e quattro legati ad essi gli atomi si trovano rigorosamente su un piano, cioè se loro Complanare , poiché solo in questo caso gli orbitali atomici 2p sono esattamente paralleli tra loro e sono quindi suscettibili di massima sovrapposizione. Qualsiasi deviazione dallo stato complanare dovuta alla rotazione attorno σ -il legame che collega due atomi di carbonio porterà ad una diminuzione del grado di sovrapposizione e, di conseguenza, ad una diminuzione della forza π -bond, che aiuta così a mantenere la planarità della molecola.

Rotazione attorno ad un doppio legame carbonio-carbonio non è possibile.

Distribuzione π -elettroni sopra e sotto il piano della molecola significa l'esistenza aree di carica negativa, pronto a interagire con qualsiasi reagente carente di elettroni.

Gli atomi di ossigeno, azoto, ecc. Hanno anche diversi stati di valenza (ibridazione) e le loro coppie di elettroni possono trovarsi sia in orbitali ibridi che p.

CARBONIO, C, elemento chimico del gruppo IV della tavola periodica, peso atomico 12,00, numero di serie 6. Fino a poco tempo fa si riteneva che il carbonio non avesse isotopi; Solo di recente è stato possibile, mediante metodi particolarmente sensibili, rilevare l'esistenza dell'isotopo C 13. Il carbonio è uno dei elementi essenziali dalla sua prevalenza, dall'abbondanza e diversità dei suoi composti, dal suo significato biologico (come organogeno), dall'ampio uso tecnico del carbonio stesso e dei suoi composti (come materia prima e come fonte di energia per le esigenze industriali e domestiche) e infine dal suo ruolo nello sviluppo della scienza chimica. Il carbonio allo stato libero presenta un pronunciato fenomeno di allotropia, noto da più di un secolo e mezzo, ma ancora non completamente studiato, sia per l’estrema difficoltà di ottenere carbonio in forma chimicamente pura, sia perché la maggior parte delle costanti di le modifiche allotropiche del carbonio variano notevolmente a seconda delle caratteristiche morfologiche della loro struttura, determinate dal metodo e dalle condizioni di produzione.

Il carbonio forma due forme cristalline: diamante e grafite ed è noto anche allo stato amorfo sotto forma del cosiddetto. carbone amorfo. L'identità di quest'ultimo è stata contestata a seguito di recenti ricerche: il carbone è stato identificato con la grafite, considerando entrambi come varietà morfologiche della stessa forma - "carbonio nero", ed è stata spiegata la differenza nelle loro proprietà struttura fisica e il grado di dispersione della sostanza. Tuttavia, proprio Ultimamente sono stati ottenuti fatti che confermano l'esistenza del carbone come forma allotropica speciale (vedi sotto).

Fonti naturali e riserve di carbonio. In termini di prevalenza in natura, il carbonio è al 10° posto tra gli elementi, costituendo lo 0,013% dell’atmosfera, lo 0,0025% dell’idrosfera e circa lo 0,35% della massa totale della crosta terrestre. La maggior parte del carbonio è sotto forma di composti dell'ossigeno: l'aria atmosferica contiene circa 800 miliardi di tonnellate di carbonio sotto forma di biossido di CO 2; nell'acqua degli oceani e dei mari - fino a 50.000 miliardi di tonnellate di carbonio sotto forma di CO 2, ioni di acido carbonico e bicarbonati; nelle rocce - carbonati insolubili (calcio, magnesio e altri metalli), e la quota di CaCO 3 da sola rappresenta circa 160·10 6 miliardi di tonnellate di carbonio. Queste colossali riserve, però, non rappresentano alcun valore energetico; molto più preziosi sono i materiali combustibili carboniosi: carboni fossili, torba, poi petrolio, gas idrocarburici e altri bitumi naturali. Anche la riserva di queste sostanze nella crosta terrestre è piuttosto significativa: la massa totale di carbonio nei carboni fossili raggiunge ~6000 miliardi di tonnellate, nel petrolio ~10 miliardi di tonnellate, ecc. Allo stato libero il carbonio è piuttosto raro (diamante e parte della sostanza grafite). I carboni fossili contengono quasi o nessun carbonio libero: sono costituiti da cap. arr. di composti ad alto peso molecolare (policiclici) e molto stabili del carbonio con altri elementi (H, O, N, S) sono stati ancora molto poco studiati. Composti del carbonio della natura vivente (biosfera globo), sintetizzati in cellule vegetali e animali, si distinguono per un'estrema varietà di proprietà e quantità di composizione; anche le sostanze più diffuse nel mondo vegetale – fibre e lignina – svolgono un ruolo come risorse energetiche. Il carbonio mantiene una distribuzione costante in natura grazie ad un ciclo continuo, il cui ciclo consiste nella sintesi di sostanze organiche complesse nelle cellule vegetali e animali e nella disaggregazione inversa di tali sostanze durante la loro decomposizione ossidativa (combustione, decadimento, respirazione), portando alla formazione di CO 2, che viene utilizzata nuovamente dalle piante per la sintesi. Lo schema generale di questo ciclo potrebbe essere presentato nella seguente forma:

Produzione di carbonio. I composti carboniosi di origine vegetale e animale sono instabili alle alte temperature e, se riscaldati ad almeno 150-400°C senza accesso all'aria, si decompongono rilasciando acqua e composti volatili del carbonio e lasciando un residuo solido non volatile ricco di carbonio e solitamente chiamato carbone. Questo processo pirolitico è chiamato carbonizzazione o distillazione a secco ed è ampiamente utilizzato nella tecnologia. La pirolisi ad alta temperatura di carboni fossili, petrolio e torba (a una temperatura di 450-1150°C) porta al rilascio di carbonio sotto forma di grafite (coke, carbone di storta). Quanto più elevata è la temperatura di carbonizzazione dei materiali di partenza, tanto più il carbone o il coke risultante si avvicinano al carbonio libero nella composizione e alle proprietà della grafite.

Il carbone amorfo, formatosi a temperature inferiori a 800°C, non può farlo. lo consideriamo carbonio libero, perché contiene quantità significative di altri elementi chimicamente legati, cap. arr. idrogeno e ossigeno. Tra i prodotti tecnici, le proprietà sono più vicine al carbone amorfo Carbone attivo e fuliggine. Il carbone più puro potrebbe essere ottenuto carbonizzando zucchero puro o piperonal, trattamento speciale della fuliggine del gas, ecc. La grafite artificiale, ottenuta con mezzi elettrotermici, ha una composizione di carbonio quasi puro. La grafite naturale è sempre contaminata da impurità minerali e contiene anche una certa quantità di idrogeno (H) e ossigeno (O) legati; in uno stato relativamente puro potrebbe. ottenuto solo dopo una serie di trattamenti speciali: arricchimento meccanico, lavaggio, trattamento con agenti ossidanti e calcinazione a alta temperatura fino alla completa eliminazione delle sostanze volatili. Nella tecnologia del carbonio non si ha mai a che fare con carbonio completamente puro; Ciò vale non solo per le materie prime naturali del carbonio, ma anche per i prodotti del suo arricchimento, miglioramento e decomposizione termica (pirolisi). Di seguito è riportato il contenuto di carbonio di alcuni materiali carboniosi (in %):

Proprietà fisiche del carbonio. Il carbonio libero è quasi completamente infusibile, non volatile e, a temperature ordinarie, insolubile in qualsiasi solvente noto. Si dissolve solo in alcuni metalli fusi, soprattutto a temperature prossime al punto di ebollizione di questi ultimi: nel ferro (fino al 5%), argento (fino al 6%) | rutenio (fino al 4%), cobalto, nichel, oro e platino. In assenza di ossigeno, il carbonio è il materiale più resistente al calore; stato liquido poiché il carbonio puro non è noto e la sua trasformazione in vapore inizia solo a temperature superiori a 3000°C. Pertanto la determinazione delle proprietà del carbonio è stata effettuata esclusivamente per lo stato solido di aggregazione. Tra le modifiche del carbonio, il diamante ha le proprietà fisiche più costanti; le proprietà della grafite nei suoi vari campioni (anche i più puri) variano notevolmente; Le proprietà del carbone amorfo sono ancora più variabili. Nella tabella vengono confrontate le costanti fisiche più importanti delle varie modifiche del carbonio.

Il diamante è un tipico dielettrico, mentre la grafite e il carbonio hanno conduttività elettrica metallica. In valore assoluto la loro conducibilità varia in un intervallo molto ampio, ma per i carboni è sempre inferiore a quella delle grafiti; nelle grafiti, la conduttività dei metalli reali si avvicina. La capacità termica di tutte le modifiche del carbonio a temperature >1000°C tende ad un valore costante di 0,47. A temperature inferiori a -180°C, la capacità termica del diamante diventa estremamente piccola e a -27°C diventa praticamente zero.

Proprietà chimiche del carbonio. Quando riscaldati sopra i 1000°C, sia il diamante che il carbone si trasformano gradualmente in grafite, che quindi dovrebbe essere considerata la forma monotropica di carbonio più stabile (alle alte temperature). La trasformazione del carbone amorfo in grafite sembra iniziare intorno agli 800°C e terminare a 1100°C (a quest'ultimo punto il carbone perde la sua attività di adsorbimento e la capacità di riattivarsi, e la sua conducibilità elettrica aumenta notevolmente, rimanendo pressoché costante in futuro). Il carbonio libero è caratterizzato da inerzia a temperature ordinarie e attività significativa a temperature elevate. Il carbone amorfo è il più attivo chimicamente, mentre il diamante è il più resistente. Ad esempio, il fluoro reagisce con il carbone ad una temperatura di 15°C, con la grafite solo a 500°C e con il diamante a 700°C. Quando riscaldato all'aria, il carbone poroso inizia a ossidarsi sotto i 100°C, la grafite a circa 650°C e il diamante sopra gli 800°C. A temperature pari o superiori a 300°C, il carbone si combina con lo zolfo per formare disolfuro di carbonio CS 2. A temperature superiori a 1800°C, il carbonio (carbone) inizia ad interagire con l'azoto, formando (in piccole quantità) cianogeno C 2 N 2. L'interazione del carbonio con l'idrogeno inizia a 1200°C, e nell'intervallo di temperature 1200-1500°C si forma solo metano CH 4; sopra 1500°C - una miscela di metano, etilene (C 2 H 4) e acetilene (C 2 H 2); a temperature dell'ordine di 3000°C si ottiene quasi esclusivamente acetilene. Alla temperatura dell'arco elettrico, il carbonio entra in combinazione diretta con metalli, silicio e boro, formando i corrispondenti carburi. I modi diretti o indiretti possono. sono stati ottenuti composti di carbonio con tutti gli elementi conosciuti, ad eccezione dei gas del gruppo zero. Il carbonio è un elemento non metallico che presenta alcuni segni di anfotericità. L'atomo di carbonio ha un diametro di 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) e contiene nella sfera esterna 4 elettroni di valenza, che vengono altrettanto facilmente ceduti o sommati a 8; pertanto, la normale valenza del carbonio, sia dell'ossigeno che dell'idrogeno, è quattro. Nella stragrande maggioranza dei suoi composti il ​​carbonio è tetravalente; Sono conosciuti solo un piccolo numero di composti del carbonio bivalente (monossido di carbonio e suoi acetali, isonitrili, acido fulminato e suoi sali) e trivalente (i cosiddetti “radicali liberi”).

Con l'ossigeno, il carbonio forma due ossidi normali: anidride carbonica acida CO 2 e monossido di carbonio neutro CO. Inoltre, ci sono un numero subossidi di carbonio contenente più di 1 atomo di carbonio e non avente significato tecnico; Di questi, il più noto è il subossido di composizione C 3 O 2 (un gas con punto di ebollizione di +7°C e punto di fusione di -111°C). Il primo prodotto della combustione del carbonio e dei suoi composti è la CO 2, formata secondo l'equazione:

C+O2 = CO2 +97600 cal.

La formazione di CO durante la combustione incompleta del combustibile è il risultato di un processo di riduzione secondaria; L'agente riducente in questo caso è il carbonio stesso, che a temperature superiori a 450°C reagisce con la CO 2 secondo l'equazione:

CO2+C = 2СО -38800 cal;

questa reazione è reversibile; sopra i 950°C diventa quasi completa la conversione della CO 2 in CO, che avviene in forni generatori di gas. La capacità energetica riducente del carbonio alle alte temperature viene utilizzata anche nella produzione di gas d'acqua (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) e nei processi metallurgici per ottenere metallo libero dal suo ossido. Le forme allotropiche del carbonio reagiscono in modo diverso all'azione di alcuni agenti ossidanti: ad esempio, una miscela di KCIO 3 + HNO 3 non ha alcun effetto sul diamante, il carbone amorfo viene completamente ossidato in CO 2, mentre la grafite produce composti aromatici - acidi grafitici con la formula empirica (C 2 OH) x in poi acido mellitico C6(COOH)6. I composti del carbonio con idrogeno - idrocarburi - sono estremamente numerosi; da essi vengono prodotti geneticamente la maggior parte degli altri composti organici che, oltre al carbonio, molto spesso includono H, O, N, S e alogeni.

L'eccezionale diversità dei composti organici, di cui se ne conoscono fino a 2 milioni, è dovuta ad alcune caratteristiche del carbonio come elemento. 1) Il carbonio è caratterizzato da un forte legame chimico con la maggior parte degli altri elementi, sia metallici che non metallici, grazie al quale forma composti abbastanza stabili con entrambi. Quando si combina con altri elementi, il carbonio ha pochissima tendenza a formare ioni. La maggior parte dei composti organici sono di tipo omeopolare e non si dissociano in condizioni normali; La rottura dei legami intramolecolari in essi spesso richiede il dispendio di una quantità significativa di energia. Quando si giudica la forza delle connessioni, si dovrebbe, tuttavia, distinguere; a) forza di legame assoluta, misurata termochimicamente, e b) capacità del legame di rompersi sotto l'influenza di vari reagenti; queste due caratteristiche non sempre coincidono. 2) Gli atomi di carbonio si legano tra loro con eccezionale facilità (non polari), formando catene di carbonio, aperte o chiuse. La lunghezza di tali catene non sembra essere soggetta ad alcuna restrizione; Pertanto, sono note molecole abbastanza stabili con catene aperte di 64 atomi di carbonio. L'allungamento e la complessità delle catene aperte non influiscono sulla forza del collegamento dei loro collegamenti tra loro o con altri elementi. Tra le catene chiuse, gli anelli a 6 e 5 membri si formano più facilmente, sebbene siano note catene ad anello contenenti da 3 a 18 atomi di carbonio. La capacità degli atomi di carbonio di interconnettersi spiega bene le proprietà speciali della grafite e il meccanismo dei processi di carbonizzazione; rende inoltre chiaro il fatto che il carbonio è sconosciuto sotto forma di molecole biatomiche di C 2, cosa che ci si potrebbe aspettare per analogia con altri elementi leggeri non metallici (in forma di vapore, il carbonio è costituito da molecole monoatomiche). 3) A causa della natura non polare dei legami, molti composti del carbonio presentano inerzia chimica non solo esternamente (lentezza di reazione), ma anche internamente (difficoltà di riarrangiamenti intramolecolari). La presenza di grandi “resistenze passive” complica notevolmente la trasformazione spontanea di forme instabili in forme stabili, spesso riducendo a zero la velocità di tale trasformazione. Il risultato di ciò è la possibilità di implementazione elevato numero forme isomeriche, quasi ugualmente stabili a temperature ordinarie.

Allotropia e struttura atomica del carbonio. L'analisi a raggi X ha permesso di stabilire in modo affidabile la struttura atomica del diamante e della grafite. Lo stesso metodo di ricerca fa luce sulla questione dell'esistenza di una terza modificazione allotropica del carbonio, che è essenzialmente una questione sull'amorfo o cristallino del carbone: se il carbone è una formazione amorfa, allora non può esserlo. non si identifica né con la grafite né con il diamante, ma deve essere considerato come una forma speciale del carbonio, come una sostanza semplice individuale. Nel diamante, gli atomi di carbonio sono disposti in modo tale che ciascun atomo si trovi al centro di un tetraedro, i cui vertici sono 4 atomi adiacenti; ciascuno di questi è a sua volta centro di un altro tetraedro simile; le distanze tra atomi adiacenti sono 1,54 Ᾰ (lo spigolo di un cubo elementare del reticolo cristallino è 3,55 Ᾰ). Questa struttura è la più compatta; corrisponde all'elevata durezza, densità e inerzia chimica del diamante (distribuzione uniforme delle forze di valenza). La connessione reciproca degli atomi di carbonio nel reticolo del diamante è la stessa delle molecole della maggior parte dei composti organici della serie grassa (modello tetraedrico del carbonio). Nei cristalli di grafite, gli atomi di carbonio sono disposti in strati densi, distanziati di 3,35-3,41 Ᾰ l'uno dall'altro; la direzione di questi strati coincide con i piani di clivaggio e di scorrimento durante le deformazioni meccaniche. Nel piano di ciascuno strato, gli atomi formano una griglia con celle esagonali (società); il lato di tale esagono è 1,42-1,45 Ᾰ. Negli strati adiacenti gli esagoni non giacciono uno sotto l'altro: la loro coincidenza verticale si ripete solo dopo 2 strati nel terzo. I tre legami di ciascun atomo di carbonio giacciono sullo stesso piano formando angoli di 120°; Il 4o legame è diretto alternativamente in una direzione o nell'altra dal piano agli atomi degli strati vicini. Le distanze tra gli atomi in uno strato sono strettamente costanti, ma la distanza tra i singoli strati può esserlo cambiato influenze esterne: quindi, se pressata sotto pressione fino a 5000 atm, diminuisce a 2,9 Ᾰ, e quando la grafite si rigonfia in HNO 3 concentrato, aumenta a 8 Ᾰ. Nel piano di uno strato, gli atomi di carbonio sono legati omeopolarmente (come nelle catene di idrocarburi), ma i legami tra gli atomi degli strati adiacenti sono di natura piuttosto metallica; ciò è evidente dal fatto che la conduttività elettrica dei cristalli di grafite nella direzione perpendicolare agli strati è circa 100 volte superiore alla conduttività nella direzione dello strato. Quello. la grafite ha le proprietà di un metallo in una direzione e le proprietà di un non metallo nell'altra. La disposizione degli atomi di carbonio in ciascuno strato del reticolo di grafite è esattamente la stessa delle molecole dei composti aromatici nucleari complessi. Questa configurazione spiega bene la forte anisotropia della grafite, la scissione eccezionalmente sviluppata, le proprietà antifrizione e la formazione di composti aromatici durante la sua ossidazione. Apparentemente esiste la modificazione amorfa del carbonio nero forma indipendente(O.Ruff). Per lui la più probabile è una struttura cellulare schiumosa, priva di qualsiasi regolarità; le pareti di tali cellule sono formate da strati di atomi attivi carbonio circa 3 atomi di spessore. In pratica, la sostanza attiva del carbone si trova solitamente sotto un guscio di atomi di carbonio inattivi ravvicinati, orientati grafiticamente, ed è penetrata da inclusioni di piccolissimi cristalliti di grafite. Probabilmente non esiste un punto specifico di trasformazione carbone → grafite: tra entrambe le modifiche c'è una transizione continua, durante la quale la massa affollata casualmente di atomi di C di carbone amorfo si trasforma in un reticolo cristallino regolare di grafite. A causa della loro disposizione casuale, gli atomi di carbonio nel carbone amorfo mostrano un’affinità residua massima, che (secondo le idee di Langmuir sull’identità delle forze di adsorbimento con le forze di valenza) corrisponde all’elevato adsorbimento e all’attività catalitica così caratteristica del carbone. Gli atomi di carbonio orientati nel reticolo cristallino spendono tutta la loro affinità (nel diamante) nell'adesione reciproca, o maggior parte lui (in grafite); Ciò corrisponde a una diminuzione dell’attività chimica e dell’attività di adsorbimento. Nel diamante l'adsorbimento è possibile solo sulla superficie di un singolo cristallo, mentre nella grafite la valenza residua può apparire su entrambe le superfici di ciascun reticolo piatto (nelle “fessure” tra gli strati di atomi), il che è confermato dal fatto che la grafite può gonfiarsi nei liquidi (HNO 3) e il meccanismo della sua ossidazione in acido grafitico.

Significato tecnico del carbonio. Per quanto riguarda b. o m. di carbonio libero ottenuto durante i processi di carbonizzazione e coking, il suo utilizzo in tecnologia si basa sia sulle sue proprietà chimiche (inerzia, capacità riducente) che fisiche (resistenza al calore, conduttività elettrica, capacità di adsorbimento). Pertanto, il coke e il carbone, oltre al loro parziale utilizzo diretto come combustibile senza fiamma, vengono utilizzati per produrre combustibile gassoso (gas del generatore); nella metallurgia dei metalli ferrosi e non ferrosi - per la riduzione degli ossidi metallici (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); nella tecnologia chimica - come agente riducente nella produzione di solfuri (Na, Ca, Ba) da solfati, sali di cloruro anidro (Mg, Al), da ossidi metallici, nella produzione di vetro solubile e fosforo - come materia prima per la produzione di carburo di calcio, carborundum e altri carburi, disolfuro di carbonio, ecc.; nel settore edile - come materiale termoisolante. Il carbone e il coke di storta servono come materiali per elettrodi di forni elettrici, bagni elettrolitici e celle galvaniche, per la produzione di carboni ad arco, reostati, spazzole commutatrici, crogioli di fusione, ecc., e anche come ugello in apparecchiature chimiche a torre. Oltre alle applicazioni di cui sopra, il carbone viene utilizzato per produrre monossido di carbonio concentrato, sali di cianuro, per la cementazione dell'acciaio, è ampiamente utilizzato come adsorbente, come catalizzatore per alcune reazioni sintetiche e infine è incluso nella polvere nera e in altri esplosivi. e composizioni pirotecniche.

Determinazione analitica del carbonio. Il carbonio viene determinato qualitativamente carbonizzando un campione di una sostanza senza accesso all'aria (che non è adatto a tutte le sostanze) o, cosa molto più affidabile, mediante la sua ossidazione esaustiva, ad esempio mediante calcinazione in una miscela con ossido di rame, e la formazione di CO 2 è dimostrata da reazioni ordinarie. Per quantificare il carbonio, un campione della sostanza viene bruciato in un'atmosfera di ossigeno; la CO 2 risultante viene catturata da una soluzione alcalina e determinata in peso o volume utilizzando metodi convenzionali di analisi quantitativa. Questo metodo è adatto per determinare il carbonio non solo nei composti organici e nei carboni tecnici, ma anche nei metalli.

In questo articolo vedremo un elemento che fa parte della tavola periodica D.I. Mendeleev, ovvero il carbonio. Nella nomenclatura moderna è designato con il simbolo C, è compreso nel quattordicesimo gruppo ed è un “partecipante” del secondo periodo, ha il sesto numero di serie e la sua a.u.m. = 12.0107.

Orbitali atomici e loro ibridazione

Cominciamo a guardare il carbonio con i suoi orbitali e la loro ibridazione, le sue caratteristiche principali, grazie alle quali stupisce ancora gli scienziati di tutto il mondo. Qual è la loro struttura?

L'ibridazione dell'atomo di carbonio è organizzata in modo tale che gli elettroni di valenza occupino posizioni in tre orbitali, vale a dire: uno è nell'orbitale 2s e due sono negli orbitali 2p. Gli ultimi due dei tre orbitali formano un angolo di 90 gradi l'uno rispetto all'altro e l'orbitale 2s ha una simmetria sferica. Tuttavia, questa forma di disposizione degli orbitali in esame non ci consente di capire perché il carbonio, entrando nei composti organici, forma angoli di 120, 180 e 109,5 gradi. La formula per la struttura elettronica dell'atomo di carbonio si esprime nella seguente forma: (He) 2s 2 2p 2.

La risoluzione della contraddizione sortasi fu fatta introducendo in circolazione il concetto di ibridazione degli orbitali atomici. Per comprendere la natura triangolare e variante del C è stato necessario creare tre forme di rappresentazione della sua ibridazione. Il contributo principale all'emergere e allo sviluppo di questo concetto è stato dato da Linus Pauling.

Proprietà fisiche

La struttura dell'atomo di carbonio determina la presenza di una serie di caratteristiche fisiche. Gli atomi di questo elemento formano una sostanza semplice: il carbonio, che presenta modifiche. Variazioni nei cambiamenti della sua struttura possono conferire alla sostanza risultante caratteristiche qualitative diverse. La ragione della presenza di un gran numero di modifiche del carbonio è la sua capacità di stabilire e formare diversi tipi di legami di natura chimica.

La struttura dell'atomo di carbonio può variare, permettendogli di avere un certo numero di forme isotopiche. Il carbonio presente in natura si forma utilizzando due isotopi allo stato stabile - 12 C e 13 C - e un isotopo con proprietà radioattive - 14 C. Quest'ultimo isotopo è concentrato in strati superiori crosta terrestre e nell'atmosfera. A causa dell'influenza della radiazione cosmica, e precisamente dei suoi neutroni, sul nucleo degli atomi di azoto, si forma l'isotopo radioattivo 14 C. Dopo la metà degli anni Cinquanta del XX secolo, cominciò a cadere ambiente come prodotto artificiale formato durante il funzionamento delle centrali nucleari e dovuto all'uso di una bomba all'idrogeno. È sul processo di decadimento del 14 C che si basa la tecnica della datazione al radiocarbonio, che ha trovato ampia applicazione in archeologia e geologia.

Modificazione del carbonio in forma allotropica

Ci sono molte sostanze in natura che contengono carbonio. L'uomo utilizza la struttura dell'atomo di carbonio per i propri scopi durante la creazione varie sostanze, tra i quali:

1. Carboni cristallini (diamanti, nanotubi di carbonio, fibre e fili, fullereni, ecc.).
2. Carboni amorfi (carbone attivo e carbone, diversi tipi coke, nerofumo, fuliggine, nanoschiuma e antracite).
3. Forme cluster del carbonio (dicarboni, nanoconi e composti astralenici).

Caratteristiche strutturali della struttura atomica

La struttura elettronica di un atomo di carbonio può avere geometrie diverse, che dipendono dal livello di ibridazione degli orbitali che possiede. Esistono 3 tipi principali di geometria:

1. Tetraedrico - creato a causa dello spostamento di quattro elettroni, uno dei quali è elettrone s, e tre appartengono a elettroni p. L'atomo di C occupa una posizione centrale nel tetraedro ed è collegato da quattro legami sigma equivalenti con altri atomi che occupano il vertice di questo tetraedro. Questa disposizione geometrica del carbonio può produrre allotropi come il diamante e la lonsdaleite.
2. Trigonale - deve la sua comparsa allo spostamento di tre orbitali, di cui uno s- e due p-. Qui ci sono tre legami sigma, che sono in una posizione equivalente tra loro; giacciono su un piano comune e mantengono un angolo di 120 gradi l'uno rispetto all'altro. L'orbitale p libero si trova perpendicolare al piano del legame sigma. La grafite ha una geometria strutturale simile.
3. Diagonale: appare a causa della miscelazione degli elettroni s e p (ibridazione sp). Le nuvole di elettroni si estendono lungo la direzione generale e assumono la forma di un manubrio asimmetrico. Gli elettroni liberi creano legami π. Questa struttura geometrica del carbonio dà origine all'aspetto della carabina, una forma speciale di modifica.

Atomi di carbonio in natura

La struttura e le proprietà dell'atomo di carbonio sono state a lungo considerate dall'uomo e vengono utilizzate per ottenere un gran numero di sostanze diverse. Gli atomi di questo elemento, grazie alla loro capacità unica di formare diversi legami chimici e alla presenza di ibridazione orbitale, creano molte diverse modifiche allotropiche con la partecipazione di un solo elemento, da atomi dello stesso tipo: il carbonio.

In natura il carbonio si trova nella crosta terrestre; assume la forma di diamanti, grafiti, varie risorse naturali combustibili, ad esempio petrolio, antracite, lignite, scisto, torba, ecc. Fa parte dei gas utilizzati dall'uomo nell'industria energetica. Il carbonio nella sua anidride riempie l'idrosfera e l'atmosfera della Terra, raggiungendo fino allo 0,046% nell'aria e fino a sessanta volte di più nell'acqua.

Nel corpo umano la C è contenuta in una quantità pari a circa il 21% e viene escreta principalmente attraverso l'urina e l'aria espirata. Lo stesso elemento partecipa al ciclo biologico; viene assorbito dalle piante e consumato durante i processi di fotosintesi.

Gli atomi di carbonio, grazie alla loro capacità di stabilire vari legami covalenti e costruire catene e persino cicli da essi, possono creare un numero enorme di sostanze organiche. Inoltre, questo elemento fa parte dell'atmosfera solare, essendo in combinazione con idrogeno e azoto.

Proprietà di natura chimica

Consideriamo ora la struttura e le proprietà dell'atomo di carbonio da un punto di vista chimico.

È importante sapere che il carbonio presenta proprietà inerti a temperature normali, ma può mostrare proprietà riducenti sotto l'influenza di alte temperature. I principali stati di ossidazione sono: + - 4, talvolta +2 e anche +3.

Partecipa a reazioni con un gran numero di elementi. Può reagire con acqua, idrogeno, alogeni, metalli alcalini, acidi, fluoro, zolfo, ecc.

La struttura dell'atomo di carbonio dà origine a un numero incredibilmente enorme di sostanze, separate in una classe separata. Tali composti sono chiamati organici e sono basati su C. Ciò è possibile grazie alla proprietà degli atomi di questo elemento di formare catene polimeriche. Tra i gruppi più famosi ed estesi ci sono proteine ​​(proteine), grassi, carboidrati e composti di idrocarburi.

Modalità di funzionamento

A causa della struttura unica dell'atomo di carbonio e delle sue proprietà di accompagnamento, l'elemento è ampiamente utilizzato dagli esseri umani, ad esempio nella creazione di matite, nella fusione di crogioli metallici: qui viene utilizzata la grafite. I diamanti sono usati come abrasivi, gioielli, punte da trapano, ecc.

La farmacologia e la medicina si occupano anche dell'uso del carbonio in una varietà di composti. Questo elemento fa parte dell'acciaio, serve come base per ogni sostanza organica, partecipa al processo di fotosintesi, ecc.

Tossicità dell'elemento

La struttura dell'atomo dell'elemento carbonio prevede la presenza influenza pericolosa alla materia vivente. Il carbonio entra nel mondo che ci circonda a seguito della combustione del carbone nelle centrali termoelettriche, fa parte dei gas prodotti dalle automobili, nel caso del concentrato di carbone, ecc.

La percentuale di contenuto di carbonio negli aerosol è elevata, il che comporta un aumento della percentuale di persone che si ammalano. Il tratto respiratorio superiore e i polmoni sono più spesso colpiti. Alcune malattie possono essere classificate come professionali, ad esempio la bronchite da polvere e le malattie del gruppo della pneumoconiosi.

Il 14 C è tossico e la forza della sua influenza è determinata dall'interazione delle radiazioni con le particelle β. Questo atomo è incluso nella composizione delle molecole biologiche, comprese quelle presenti negli acidi desossi e ribonucleici. La quantità accettabile di 14 C nell'aria di un'area di lavoro è considerata pari a 1,3 Bq/l. La quantità massima di carbonio che entra nell'organismo durante la respirazione corrisponde a 3,2*10 8 Bq/anno.

Il contenuto dell'articolo

CARBONIO, C (carbonio), elemento chimico non metallico del gruppo IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) della tavola periodica degli elementi. Si trova in natura sotto forma di cristalli di diamante (Fig. 1), grafite o fullerene e altre forme e fa parte di organismi organici (carbone, petrolio, animali e piante, ecc.) e sostanze inorganiche(calcare, bicarbonato di sodio e così via.).

Il carbonio è molto diffuso, ma il suo contenuto nella crosta terrestre è solo dello 0,19%.

Il carbonio è ampiamente utilizzato sotto forma di sostanze semplici. Oltre ai diamanti preziosi, che sono oggetto di gioielleria, Grande importanza hanno diamanti industriali - per la produzione di utensili da taglio e da rettifica.

Il carbone e altre forme amorfe di carbonio vengono utilizzati per la decolorazione, la purificazione, l'adsorbimento di gas e in aree tecnologiche in cui sono richiesti adsorbenti con una superficie sviluppata. I carburi, i composti del carbonio con metalli, nonché con boro e silicio (ad esempio Al 4 C 3, SiC, B 4 C) sono caratterizzati da elevata durezza e vengono utilizzati per la produzione di utensili abrasivi e da taglio. Il carbonio fa parte degli acciai e delle leghe allo stato elementare e sotto forma di carburi. La saturazione della superficie dei getti di acciaio con carbonio ad alte temperature (cementazione) aumenta significativamente la durezza superficiale e la resistenza all'usura. Guarda anche LEGHE.

In natura esistono molte forme diverse di grafite; alcuni sono ottenuti artificialmente; Esistono forme amorfe (ad esempio coca cola e carbone). Quando gli idrocarburi vengono bruciati in assenza di ossigeno si formano fuliggine, carbone vegetale, nero di lampada e nero di acetilene. Cosiddetto carbonio bianco ottenuto per sublimazione della grafite pirolitica a pressione ridotta: si tratta di minuscoli cristalli trasparenti di foglie di grafite con bordi appuntiti.

Riferimento storico.

La grafite, il diamante e il carbonio amorfo sono conosciuti fin dall'antichità. È noto da tempo che la grafite può essere utilizzata per marcare altri materiali, e il nome stesso "grafite", che deriva dalla parola greca che significa "scrivere", fu proposto da A. Werner nel 1789. Tuttavia, la storia della grafite è complicato; spesso venivano confuse con esso sostanze con proprietà fisiche esterne simili, come la molibdenite (solfuro di molibdeno), un tempo considerata grafite. Altri nomi per la grafite includono “piombo nero”, “carburo di ferro” e “piombo d’argento”. Nel 1779 K. Scheele stabilì che la grafite può essere ossidata con l'aria per formarsi diossido di carbonio.

I diamanti trovarono impiego per la prima volta in India e in Brasile le gemme divennero commercialmente importanti nel 1725; i depositi in Sud Africa furono scoperti nel 1867. Nel 20 ° secolo. I principali produttori di diamanti sono il Sudafrica, lo Zaire, il Botswana, la Namibia, l’Angola, la Sierra Leone, la Tanzania e la Russia. I diamanti artificiali, la cui tecnologia è stata creata nel 1970, sono prodotti per scopi industriali.

Allotropia.

Se le unità strutturali di una sostanza (atomi per elementi monoatomici o molecole per elementi e composti poliatomici) sono in grado di combinarsi tra loro in più di una forma cristallina, questo fenomeno si chiama allotropia. Il carbonio ha tre modifiche allotropiche: diamante, grafite e fullerene. Nel diamante, ogni atomo di carbonio ha 4 vicini disposti in modo tetraedrico, formando una struttura cubica (Fig. 1, UN). Questa struttura corrisponde alla massima covalenza del legame e tutti e 4 gli elettroni di ciascun atomo di carbonio formano legami C–C ad alta resistenza, cioè Non ci sono elettroni di conduzione nella struttura. Pertanto, il diamante è caratterizzato dalla mancanza di conduttività, bassa conduttività termica ed elevata durezza; è la sostanza più dura conosciuta (Fig. 2). La rottura del legame C–C (lunghezza del legame 1,54 Å, quindi raggio covalente 1,54/2 = 0,77 Å) in una struttura tetraedrica richiede grandi quantità di energia, quindi il diamante, insieme ad un'eccezionale durezza, è caratterizzato da un elevato punto di fusione (3550 ° C).

Un'altra forma allotropica del carbonio è la grafite, che ha proprietà molto diverse dal diamante. La grafite è una sostanza nera morbida costituita da cristalli facilmente esfoliabili, caratterizzata da buona conduttività elettrica ( resistenza elettrica 0,0014 Ohmcm). Pertanto, la grafite viene utilizzata nelle lampade ad arco e nei forni (Fig. 3), in cui è necessario creare temperature elevate. La grafite ad elevata purezza viene utilizzata nei reattori nucleari come moderatore di neutroni. Il suo punto di fusione è a ipertensione pari a 3527° C. A pressione normale, la grafite sublima (transizione da solido a gassoso) a 3780° C.

Struttura della grafite (Fig. 1, B) è un sistema di anelli esagonali fusi con una lunghezza di legame di 1,42 Å (molto più corta che nel diamante), ma ogni atomo di carbonio ha tre (invece di quattro, come nel diamante) legami covalenti con tre vicini e il quarto legame ( 3.4 Å) è troppo lungo per un legame covalente e lega debolmente gli strati di grafite paralleli tra loro. È il quarto elettrone del carbonio che determina la conduttività termica ed elettrica della grafite: questo legame più lungo e meno forte costituisce la minore compattezza della grafite, che si riflette nella sua minore durezza rispetto al diamante (densità della grafite 2,26 g/cm 3, densità del diamante - 3,51 g/cm3). Per lo stesso motivo la grafite è scivolosa al tatto e separa facilmente le scaglie della sostanza, motivo per cui viene utilizzata per realizzare lubrificanti e mine per matite. La lucentezza piombante della mina è dovuta principalmente alla presenza di grafite.

Le fibre di carbonio hanno un'elevata resistenza e possono essere utilizzate per produrre rayon o altri filati ad alto contenuto di carbonio.

A alta pressione e la temperatura in presenza di un catalizzatore come il ferro, la grafite può trasformarsi in diamante. Questo processo è implementato per la produzione industriale di diamanti artificiali. I cristalli di diamante crescono sulla superficie del catalizzatore. L'equilibrio grafite-diamante esiste a 15.000 atm e 300 K oppure a 4000 atm e 1500 K. I diamanti artificiali possono essere ottenuti anche da idrocarburi.

Le forme amorfe di carbonio che non formano cristalli includono carbone, ottenuto riscaldando legna senza accesso all'aria, lampada e fuliggine di gas, formata durante la combustione a bassa temperatura di idrocarburi in mancanza di aria e condensata su superficie fredda, salmerino osseo – una miscela con fosfato di calcio durante il processo di distruzione tessuto osseo, nonché il carbone (una sostanza naturale con impurità) e il coke, un residuo secco ottenuto dalla coking dei combustibili mediante distillazione secca di carbone o residui di petrolio (carboni bituminosi), vale a dire riscaldamento senza accesso all'aria. Il coke viene utilizzato per la fusione della ghisa e nella metallurgia ferrosa e non ferrosa. Durante la cokefazione si formano anche prodotti gassosi: gas di cokeria (H 2, CH 4, CO, ecc.) E prodotti chimici, che sono materie prime per la produzione di benzina, vernici, fertilizzanti, medicinali, plastica, ecc. Uno schema dell'apparato principale per la produzione di coke - una cokeria - è mostrato in Fig. 3.

Vari tipi di carbone e fuliggine hanno una superficie sviluppata e vengono quindi utilizzati come adsorbenti per la purificazione di gas e liquidi, e anche come catalizzatori. Per ottenere varie forme di carbonio usano metodi speciali tecnologia chimica. La grafite artificiale viene prodotta calcinando antracite o coke di petrolio tra elettrodi di carbonio a 2260°C (processo Acheson) e viene utilizzata nella produzione di lubrificanti ed elettrodi, in particolare per la produzione elettrolitica dei metalli.

Struttura dell'atomo di carbonio.

Il nucleo dell'isotopo più stabile del carbonio, massa 12 (abbondanza 98,9%), ha 6 protoni e 6 neutroni (12 nucleoni), disposti in tre quartetti, ciascuno contenente 2 protoni e due neutroni, simili al nucleo dell'elio. Un altro isotopo stabile del carbonio è il 13 C (circa 1,1%), ed in tracce esiste in natura un isotopo instabile 14 C con un tempo di dimezzamento di 5730 anni, che ha B- radiazioni. Tutti e tre gli isotopi partecipano al normale ciclo del carbonio della materia vivente sotto forma di CO 2 . Dopo la morte di un organismo vivente, il consumo di carbonio si interrompe e gli oggetti contenenti C possono essere datati misurando il livello di radioattività del 14 C. Diminuzione B-14 La radiazione di CO 2 è proporzionale al tempo trascorso dalla morte. Nel 1960 W. Libby ricevette il Premio Nobel per le sue ricerche sul carbonio radioattivo.

Nello stato fondamentale, 6 elettroni del carbonio formano la configurazione elettronica 1 S 2 2S 2 2px 1 2p.y 1 2pz 0 . Quattro elettroni del secondo livello sono di valenza, che corrisponde alla posizione del carbonio nel gruppo IVA della tavola periodica ( cm. SISTEMA PERIODICO DEGLI ELEMENTI). Poiché per rimuovere un elettrone da un atomo in fase gassosa è necessaria una grande energia (circa 1070 kJ/mol), il carbonio non forma legami ionici con altri elementi, poiché ciò richiederebbe la rimozione di un elettrone per formare uno ione positivo. Avendo un'elettronegatività pari a 2,5, il carbonio non mostra una forte affinità elettronica e, di conseguenza, non è un accettore di elettroni attivo. Pertanto, non è incline a formare una particella con carica negativa. Ma esistono alcuni composti del carbonio con una natura parzialmente ionica del legame, ad esempio i carburi. Nei composti, il carbonio presenta uno stato di ossidazione pari a 4. Affinché quattro elettroni possano partecipare alla formazione di legami, è necessario l'accoppiamento 2 S-elettroni e il salto di uno di questi elettroni di 2 pz-orbitale; in questo caso si formano 4 legami tetraedrici con un angolo tra loro di 109°. Nei composti, gli elettroni di valenza del carbonio vengono ritirati solo parzialmente da esso, quindi il carbonio forma forti legami covalenti tra atomi C – C vicini utilizzando una coppia di elettroni condivisa. L’energia di rottura di un tale legame è 335 kJ/mol, mentre per il legame Si–Si è solo 210 kJ/mol, quindi le catene –Si–Si– sono instabili. La natura covalente del legame è preservata anche nei composti di alogeni altamente reattivi con carbonio, CF 4 e CCl 4. Gli atomi di carbonio sono in grado di donare più di un elettrone da ciascun atomo di carbonio per formare un legame; Ecco come si formano i legami doppi C=C e tripli CєC. Anche altri elementi formano legami tra i loro atomi, ma solo il carbonio è in grado di formarsi lunghe catene. Pertanto, per il carbonio, si conoscono migliaia di composti, chiamati idrocarburi, in cui il carbonio è legato all'idrogeno e ad altri atomi di carbonio per formare lunghe catene o strutture ad anello. Cm. CHIMICA ORGANICA.

In questi composti è possibile sostituire l'idrogeno con altri atomi, molto spesso con ossigeno, azoto e alogeni per formare una varietà di composti organici. Tra questi sono importanti i fluorocarburi: idrocarburi in cui l'idrogeno è sostituito dal fluoro. Tali composti sono estremamente inerti e vengono utilizzati come plastica e lubrificanti (fluorocarburi, cioè idrocarburi in cui tutti gli atomi di idrogeno sono sostituiti da atomi di fluoro) e come refrigeranti a bassa temperatura (clorofluorocarburi o freon).

Negli anni '80 i fisici statunitensi scoprirono molto collegamenti interessanti carbonio, in cui gli atomi di carbonio sono collegati in 5 o 6 atomi, formando una molecola C 60 a forma di palla cava con la perfetta simmetria di un pallone da calcio. Poiché questo disegno è la base della “cupola geodetica” inventata dall’architetto e ingegnere americano Buckminster Fuller, nuova classe i composti erano chiamati "buckminsterfullereni" o "fullereni" (e anche più brevemente "phasyballs" o "buckyballs"). I fullereni - la terza modificazione del carbonio puro (ad eccezione del diamante e della grafite), composta da 60 o 70 (o anche più) atomi - sono stati ottenuti mediante l'azione della radiazione laser sulle più piccole particelle di carbonio. I fullereni di forme più complesse sono costituiti da diverse centinaia di atomi di carbonio. Il diametro della molecola C è 60 ~ 1 nm. Al centro di una tale molecola c'è abbastanza spazio per ospitare un grande atomo di uranio.

Massa atomica standard.

Nel 1961, l'Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata (IUPAC) e di Fisica adottò la massa dell'isotopo di carbonio 12 C come unità di massa atomica, abolendo la scala dell'ossigeno precedentemente esistente delle masse atomiche. Massa atomica il carbonio in questo sistema è 12,011, poiché è la media dei tre isotopi naturali del carbonio, tenendo conto della loro abbondanza in natura. Cm. MASSA ATOMICA.

Proprietà chimiche del carbonio e di alcuni suoi composti.

Alcuni fisici e Proprietà chimiche carbonio sono riportati nell'articolo ELEMENTI CHIMICI. La reattività del carbonio dipende dalla sua modificazione, temperatura e dispersione. A basse temperature tutte le forme di carbonio sono abbastanza inerti, ma quando riscaldate vengono ossidate dall'ossigeno atmosferico, formando ossidi:

Il carbonio finemente disperso in eccesso di ossigeno può esplodere se riscaldato o da una scintilla. Oltre all'ossidazione diretta, ce ne sono altri metodi moderni ottenere ossidi.

Subossido di carbonio

C 3 O 2 si forma dalla disidratazione dell'acido malonico su P 4 O 10:

C3O2 ha cattivo odore, si idrolizza facilmente, formando nuovamente acido malonico.

Monossido di carbonio (II). La CO si forma durante l'ossidazione di qualsiasi modifica del carbonio in condizioni di mancanza di ossigeno. La reazione è esotermica, vengono rilasciati 111,6 kJ/mol. La coca cola reagisce con l'acqua alla temperatura del calore bianco: C + H 2 O = CO + H 2 ; emergenti miscela di gas chiamato "gas d'acqua" ed è un combustibile gassoso. Il CO si forma anche durante la combustione incompleta dei prodotti petroliferi; è presente in quantità notevoli negli scarichi delle automobili; si ottiene durante la dissociazione termica dell'acido formico:

Lo stato di ossidazione del carbonio nella CO è +2 e poiché il carbonio è più stabile nello stato di ossidazione +4, la CO viene facilmente ossidata dall'ossigeno in CO 2: CO + O 2 → CO 2, questa reazione è altamente esotermica (283 kJ /mol). La CO viene utilizzata nell'industria in miscela con H2 e altri gas infiammabili come combustibile o agente riducente gassoso. Se riscaldato a 500° C, la CO forma C e CO 2 in misura notevole, ma a 1000° C l'equilibrio viene stabilito con basse concentrazioni di CO 2. CO reagisce con il cloro, formando fosgene - COCl 2, le reazioni con altri alogeni procedono in modo simile, in reazione con lo zolfo carbonil solfuro si ottiene COS, con i metalli (M) CO forma carbonili di varie composizioni M(CO) X, che sono composti complessi. Il ferro carbonile si forma quando l'emoglobina del sangue reagisce con la CO, impedendo la reazione dell'emoglobina con l'ossigeno, poiché il ferro carbonile è un composto più forte. Di conseguenza, la funzione dell'emoglobina come trasportatore di ossigeno alle cellule viene bloccata, che poi muore (e le cellule cerebrali sono colpite principalmente). (Da qui un altro nome per CO – “monossido di carbonio”). Già l'1% (vol.) di CO2 nell'aria è pericoloso per gli esseri umani se rimangono in tale atmosfera per più di 10 minuti. Alcune proprietà fisiche della CO sono riportate nella tabella.

Anidride carbonica o monossido di carbonio (IV) La CO 2 si forma dalla combustione del carbonio elementare in eccesso di ossigeno con rilascio di calore (395 kJ/mol). La CO 2 (il nome banale è “anidride carbonica”) si forma anche durante la completa ossidazione di CO, prodotti petroliferi, benzina, oli e altri composti organici. Quando i carbonati vengono sciolti in acqua, a seguito dell'idrolisi viene rilasciata anche CO 2:

Questa reazione viene spesso utilizzata nella pratica di laboratorio per produrre CO 2 . Questo gas può essere ottenuto anche mediante calcinazione di bicarbonati metallici:

durante l'interazione in fase gassosa del vapore surriscaldato con la CO:

quando si bruciano idrocarburi e i loro derivati ​​dell'ossigeno, ad esempio:

Si ossidano allo stesso modo prodotti alimentari in un organismo vivente con il rilascio di energia termica e di altro tipo. In questo caso, l'ossidazione avviene in condizioni blande attraverso fasi intermedie, ma prodotti finali lo stesso - CO 2 e H 2 O, come, ad esempio, durante la decomposizione degli zuccheri sotto l'azione degli enzimi, in particolare durante la fermentazione del glucosio:

La produzione su larga scala di anidride carbonica e ossidi metallici viene effettuata nell'industria mediante la decomposizione termica dei carbonati:

Il CaO viene utilizzato in grandi quantità nella tecnologia di produzione del cemento. La stabilità termica dei carbonati e il consumo di calore per la loro decomposizione secondo questo schema aumentano nella serie CaCO 3 ( Guarda anche PREVENZIONE E ANTINCENDIO).

Struttura elettronica degli ossidi di carbonio.

La struttura elettronica di qualsiasi monossido di carbonio può essere descritta da tre schemi ugualmente probabili con diverse disposizioni di coppie di elettroni - tre forme risonanti:

Tutti gli ossidi di carbonio hanno una struttura lineare.

Acido carbonico.

Quando la CO 2 reagisce con l'acqua, si forma l'acido carbonico H 2 CO 3. In una soluzione satura di CO 2 (0,034 mol/l), solo alcune molecole formano H 2 CO 3 e la maggior parte della CO 2 è allo stato idratato CO 2 CHH 2 O.

Carbonati.

I carbonati sono formati dall'interazione di ossidi metallici con CO 2, ad esempio Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

Ad eccezione dei carbonati di metalli alcalini, il resto è praticamente insolubile in acqua e il carbonato di calcio è parzialmente solubile in acido carbonico o in una soluzione di CO 2 in acqua sotto pressione:

Questi processi si verificano nelle acque sotterranee che scorrono attraverso lo strato calcareo. In condizioni bassa pressione e l'evaporazione dalle acque sotterranee contenenti Ca(HCO 3) 2, si deposita CaCO 3. Ecco come crescono stalattiti e stalagmiti nelle caverne. Il colore di queste interessanti formazioni geologiche è spiegato dalla presenza di impurità nelle acque di ioni ferro, rame, manganese e cromo. L'anidride carbonica reagisce con gli idrossidi metallici e le loro soluzioni per formare bicarbonati, ad esempio:

CS2+2Cl2®CCl4+2S

Il tetracloruro CCl 4 è una sostanza non infiammabile, utilizzata come solvente nei processi di lavaggio a secco, ma non è consigliabile utilizzarlo come rompifiamma, poiché ad alte temperature si forma fosgene tossico (una sostanza gassosa tossica). Anche lo stesso CCl4 è velenoso e, se inalato in quantità notevoli, può causare avvelenamento al fegato. CCl 4 si forma anche dalla reazione fotochimica tra metano CH 4 e Cl 2; in questo caso è possibile la formazione di prodotti di clorazione incompleta del metano - CHCl 3, CH 2 Cl 2 e CH 3 Cl. Le reazioni avvengono in modo simile con altri alogeni.

Reazioni della grafite.

La grafite come modifica del carbonio, caratterizzata da grandi distanze tra gli strati di anelli esagonali, entra in reazioni insolite, ad esempio metalli alcalini, alogeni e alcuni sali (FeCl 3) penetrano tra gli strati, formando composti come KC 8, KC 16 (detti interstiziali, inclusi o clatrati). Forti agenti ossidanti come KClO 3 in un ambiente acido (acido solforico o nitrico) formano sostanze con un grande volume del reticolo cristallino (fino a 6 Å tra gli strati), il che si spiega con l'introduzione di atomi di ossigeno e la formazione di composti sulla cui superficie, a seguito dell'ossidazione, si formano gruppi carbossilici (–COOH) ) – composti come la grafite ossidata o l'acido mellitico (benzene esacarbossilico) C 6 (COOH) 6. In questi composti il ​​rapporto C:O può variare da 6:1 a 6:2,5.

Carburi.

Il carbonio forma vari composti chiamati carburi con metalli, boro e silicio. I metalli più attivi (sottogruppi IA–IIIA) formano carburi simili al sale, ad esempio Na 2 C 2, CaC 2, Mg 4 C 3, Al 4 C 3. Nell'industria, il carburo di calcio si ottiene dal coke e dal calcare utilizzando le seguenti reazioni:

I carburi non sono conduttivi, quasi incolori, si idrolizzano per formare idrocarburi, ad esempio

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

L'acetilene C 2 H 2 formato dalla reazione serve come materiale di partenza nella produzione di molte sostanze organiche. Questo processo è interessante perché rappresenta un passaggio dalle materie prime di natura inorganica alla sintesi di composti organici. I carburi che formano acetilene per idrolisi sono chiamati acetilenidi. Nei carburi di silicio e di boro (SiC e B 4 C), il legame tra gli atomi è covalente. I metalli di transizione (elementi dei sottogruppi B) quando riscaldati con carbonio formano anche carburi di composizione variabile nelle fessure sulla superficie metallica; il legame in essi è vicino al metallico. Alcuni carburi di questo tipo, ad esempio WC, W 2 C, TiC e SiC, si distinguono per elevata durezza e refrattarietà e hanno una buona conduttività elettrica. Ad esempio, NbC, TaC e HfC sono le sostanze più refrattarie (pf = 4000–4200° C), il carburo di diniobio Nb 2 C è un superconduttore a 9,18 K, TiC e W 2 C hanno una durezza vicina al diamante e la durezza B 4 C (analogo strutturale del diamante) è 9,5 sulla scala Mohs ( cm. riso. 2). I carburi inerti si formano se il raggio del metallo di transizione

Derivati ​​dell'azoto del carbonio.

Questo gruppo include l'urea NH 2 CONH 2, un fertilizzante azotato utilizzato sotto forma di soluzione. L'urea si ottiene da NH 3 e CO 2 riscaldando sotto pressione:

Il cianogeno (CN) 2 ha molte proprietà simili agli alogeni ed è spesso chiamato pseudoalogeno. Il cianuro si ottiene mediante blanda ossidazione dello ione cianuro con ossigeno, perossido di idrogeno o ione Cu 2+: 2CN – ® (CN) 2 + 2e.

Lo ione cianuro, essendo un donatore di elettroni, forma facilmente composti complessi con ioni di metalli di transizione. Come la CO2, lo ione cianuro è un veleno che lega composti vitali del ferro in un organismo vivente. Gli ioni complessi del cianuro hanno la formula generale –0,5 X, Dove X– numero di coordinazione del metallo (complessante), empiricamente pari al doppio dello stato di ossidazione dello ione metallico. Esempi di tali ioni complessi sono (la struttura di alcuni ioni è fornita di seguito) ione tetracianonichelato (II) 2–, esacianoferrato (III) 3–, dicianoargentato –:

Carbonili.

Il monossido di carbonio è in grado di reagire direttamente con molti metalli o ioni metallici, formando composti complessi chiamati carbonili, ad esempio Ni(CO) 4, Fe(CO) 5, Fe 2 (CO) 9, 3, Mo(CO) 6, 2 . Il legame in questi composti è simile al legame nei complessi ciano descritti sopra. Ni(CO) 4 è una sostanza volatile utilizzata per separare il nichel dagli altri metalli. Il deterioramento della struttura della ghisa e dell'acciaio nelle strutture è spesso associato alla formazione di carbonili. L'idrogeno può far parte dei carbonili, formando idruri carbonilici, come H 2 Fe (CO) 4 e HCo (CO) 4, mostrando proprietà acide e reagire con gli alcali:

H2Fe(CO)4 + NaOH → NaHFe(CO)4 + H2O

Sono noti anche alogenuri carbonilici, ad esempio Fe(CO)X 2, Fe(CO) 2 X 2, Co(CO)I 2, Pt(CO)Cl 2, dove X è un qualsiasi alogeno.

Idrocarburi.

È noto un numero enorme di composti carbonio-idrogeno

Il carbonio è forse l'elemento chimico principale e più sorprendente sulla Terra, perché con il suo aiuto si forma una quantità colossale di vari composti, sia inorganici che organici. Il carbonio è la base di tutti gli esseri viventi; possiamo dire che il carbonio, insieme all'acqua e all'ossigeno, è la base della vita sul nostro pianeta! Il carbonio ha una varietà di forme che non sono simili né nelle proprietà fisico-chimiche né nella aspetto. Ma è tutto carbonio!

Storia della scoperta del carbonio

Il carbonio è noto all’umanità fin dai tempi antichi. Grafite e carbone erano usati dagli antichi greci e i diamanti trovarono impiego in India. È vero che composti dall’aspetto simile venivano spesso scambiati per grafite. Tuttavia, la grafite aveva un uso diffuso nell’antichità, in particolare per la scrittura. Anche il suo nome deriva dalla parola greca “grapho” - “io scrivo”. La grafite è ora utilizzata nelle matite. I diamanti iniziarono ad essere commerciati per la prima volta in Brasile nella prima metà del XVIII secolo, da allora furono scoperti numerosi giacimenti e nel 1970 fu sviluppata la tecnologia per la produzione artificiale dei diamanti. Tali diamanti artificiali vengono utilizzati nell'industria, mentre quelli naturali, a loro volta, vengono utilizzati in gioielleria.

Carbonio in natura

La quantità più significativa di carbonio viene raccolta nell'atmosfera e nell'idrosfera sotto forma di anidride carbonica. L'atmosfera contiene circa lo 0,046% di carbonio e una quantità ancora maggiore è dissolta negli oceani.

Inoltre, come abbiamo visto sopra, il carbonio è la base degli organismi viventi. Ad esempio, un corpo umano di 70 kg contiene circa 13 kg di carbonio! È solo in una persona! E il carbonio si trova anche in tutte le piante e gli animali. Quindi considera...

Ciclo del carbonio in natura

Modifiche allotropiche del carbonio

Il carbonio è un elemento chimico unico che forma le cosiddette modifiche allotropiche o, più semplicemente, varie forme. Queste modifiche sono divise in cristalline, amorfe e sotto forma di grappoli.

Le modifiche cristalline hanno un reticolo cristallino regolare. Questo gruppo comprende: diamante, fullerite, grafite, lonsdaleite, fibre di carbonio e tubi. La stragrande maggioranza delle modifiche cristalline del carbonio sono al primo posto nella classifica “I materiali più duri del mondo”.

Forme allotropiche del carbonio: a) lonsdaleite; b) diamante;
c) grafite; d) carbonio amorfo; e) C60 (fullerene); e) grafene;
g) nanotubo a parete singola

Le forme amorfe sono formate da carbonio con piccole aggiunte di altro elementi chimici. I principali rappresentanti di questo gruppo: carbone (pietra, legno, attivato), fuliggine, antracite.

I composti più complessi e ad alta tecnologia sono composti di carbonio sotto forma di cluster. I cluster sono una struttura speciale in cui gli atomi di carbonio sono disposti in modo tale da formare una forma cava, che viene riempita dall'interno con atomi di altri elementi, ad esempio l'acqua. Non ci sono molti rappresentanti in questo gruppo; comprende nanoconi di carbonio, astraleni e dicarbonio.

Grafite: il “lato oscuro” del diamante

Applicazione del carbonio

Il carbonio e i suoi composti sono di grande importanza nella vita umana. I principali tipi di combustibile sulla Terra – gas naturale e petrolio – sono formati dal carbonio. I composti del carbonio sono ampiamente utilizzati nell'industria chimica e metallurgica, nell'edilizia, nell'ingegneria meccanica e nella medicina. Le modifiche allotropiche sotto forma di diamanti sono utilizzate in gioielleria, fullerite e lonsdaleite nella scienza missilistica. Vari lubrificanti per meccanismi, attrezzature tecniche e molto altro sono realizzati con composti di carbonio. L’industria attualmente non può fare a meno del carbonio; viene utilizzato ovunque!