בספר זה, המילה "פחמן" מופיעה לעתים קרובות למדי: בסיפורים על עלים ירוקים וברזל, על פלסטיק וקריסטלים, וברבים אחרים. פחמן - "לידת פחם" - הוא אחד המדהימים ביותר יסודות כימיים. ההיסטוריה שלו היא ההיסטוריה של הופעתם והתפתחותם של החיים על פני כדור הארץ, מכיוון שהוא חלק מכל היצורים החיים על פני כדור הארץ.

איך נראה פחמן?

בואו נעשה כמה ניסויים. ניקח סוכר ונחמם אותו ללא אוויר. תחילה הוא יימס, ישחם, ולאחר מכן ישחיר ויהפוך לפחם, וישחרר מים. אם עכשיו תחמם את הפחם הזה בנוכחות , הוא יישרף ללא שאריות ויהפוך ל. לכן, סוכר היה מורכב מפחם ומים (סוכר, אגב, נקרא פחמימה), ופחם "סוכר" הוא, ככל הנראה, פחמן טהור, כי פחמן דו חמצניהוא שילוב של פחמן וחמצן. זה אומר שפחמן הוא אבקה שחורה ורכה.

בואו ניקח אבן גרפיט אפורה ורכה, מוכרת לכם הודות לעפרונות. אם תחממו אותו בחמצן, הוא גם יישרף ללא שאריות, אם כי קצת יותר איטי מפחם, ופחמן דו חמצני יישאר במכשיר שבו נשרף. האם זה אומר שגרפיט הוא גם פחמן טהור? כמובן, אבל זה לא הכל.

אם יהלום, אבן חן נוצצת שקופה והקשה מכל המינרלים, מחומם בחמצן באותו מכשיר, גם הוא ישרף ויהפוך לפחמן דו חמצני. אם תחמם יהלום ללא גישה לחמצן, הוא יהפוך לגרפיט, ובזמן רב לחצים גבוהיםוטמפרטורות, אפשר להשיג יהלום מגרפיט.

אז, פחם, גרפיט ויהלום הם צורות קיום שונות של אותו יסוד - פחמן.

מדהימה עוד יותר היא היכולת של פחמן "להשתתף" במספר עצום של תרכובות שונות (זו הסיבה שהמילה "פחמן" מופיעה לעתים קרובות כל כך בספר זה).

104 היסודות של הטבלה המחזורית יוצרים יותר מארבעים אלף תרכובות שנחקרו. וכבר ידועות למעלה ממיליון תרכובות, שהבסיס שלהן הוא פחמן!

הסיבה לגיוון זה היא שאטומי פחמן יכולים להיות מחוברים זה לזה ולאטומים אחרים על ידי קשרים חזקים, היוצרים מורכבים בצורה של שרשראות, טבעות וצורות אחרות. שום אלמנט בטבלה מלבד פחמן אינו מסוגל לכך.

יש מספר אינסופי של צורות שניתן לבנות מאטומי פחמן, ולכן אינסוף תרכובות אפשריות. אלו יכולים להיות חומרים פשוטים מאוד, למשל, הגז המאיר מתאן, במולקולה שלה ארבעה אטומים קשורים לאטום פחמן אחד, וכל כך מורכבים עד שמבנה המולקולות שלהם טרם נקבע. חומרים כאלה כוללים

אי אפשר לתאר בקצרה מהו פחמן. הרי הוא הבסיס לחיים. יסוד זה נמצא בכל התרכובות האורגניות, ורק הוא יכול ליצור מולקולות DNA ממיליוני אטומים. המאפיינים שלו רבים, אז כדאי לדבר על זה ביתר פירוט.

נוסחה, סימון, תכונות

אלמנט זה, הממוקם בטבלה תחת מספר סידורי שש, מסומן על ידי הסמל "C". אֶלֶקטרוֹנִי נוסחה מבניתפחמן נראה כך: 1s 2 2s 2 2p 2. המסה שלו היא 12.0107 אמו. לחומר זה יש:

• שני אלקטרונים לא מזווגים במצב קרקע. מראה ערכיות II.
• ארבעה אלקטרונים לא מזווגים במצב נרגש. מראה ערכיות IV.

יש לציין שמסה מסוימת של פחמן מצויה בקרום כדור הארץ. 0.023% ליתר דיוק. הוא מצטבר בעיקר בחלק העליון, בביוספרה. רובמסת הפחמן בליתוספרה מצטברת בדולומיטים ובאבני גיר בצורה של קרבונטים.

מאפיינים פיזיים

אז מה זה פחמן? זהו חומר שקיים במגוון עצום של שינויים אלוטרופיים, ושלהם תכונות גשמיותהרשימה עשויה להימשך זמן רב. והמגוון של החומרים נקבע על ידי יכולתו של פחמן ליצור קשרים כימיים מסוגים שונים.

לגבי תכונות הפחמן, איך חומר פשוט? ניתן לסכם אותם באופן הבא:

• בתנאים רגילים, הצפיפות היא 2.25 גרם/ס"מ³.
• נקודת הרתיחה היא 3506.85 מעלות צלזיוס.
• קיבולת חום מולרית - 8.54 J/(K.mol).
• טמפרטורה קריטית מעבר פאזה(כאשר הגז אינו מתעבה בשום לחץ) - 4130 K, 12 MPa.
• נפח מולארי 5.3 ס"מ\מול.

כדאי גם לרשום שינויים בפחמן.

החומרים הגבישיים המפורסמים ביותר הם: יהלום, קרבין, גרפיט, ננו-יהלום, פולריט, לונסדילייט, פולרן וסיבי פחמן.

תצורות אמורפיות כוללות: עץ, מאובנים ו פחמן פעיל, אנתרציט, קולה, פחמן זכוכיתי, פיח, פחמן שחור וננו-קצף.

אבל אף אחד מהדברים לעיל אינו צורה אלוטרופית טהורה של החומר הנדון. אלו רק תרכובות כימיות בהן פחמן כלול בריכוז גבוה.

מִבְנֶה

מעניין לציין שאורביטלי האלקטרונים של אטום הפחמן אינם זהים. יש להם גיאומטריות שונות. הכל תלוי במידת ההכלאה. ישנן שלוש גיאומטריות נפוצות ביותר:

• טטרהדרלית. הוא נוצר כאשר שלושה אלקטרון p ואחד s-אלקטרון מתערבבים. גיאומטריית אטום פחמן זו נצפית בלונסדלייט ויהלום. למתאן ולפחמימנים אחרים יש מבנה דומה.
• טריגונל. גיאומטריה זו נוצרת על ידי ערבוב של שני p-אלקטרון ומסלול s-אלקטרון אחד. יסוד p אחר אינו לוקח חלק בהכלאה, אך הוא מעורב ביצירת קשרי π עם אטומים אחרים. מבנה זה אופייני לפנול, גרפיט ושינויים אחרים.
• דיגונל. מבנה זה נוצר עקב ערבוב של s- ו-p-אלקטרונים (אחד בכל פעם). מעניין, ענני אלקטרונים נראים כמו משקולות אסימטריות. הם נמתחים לאורך הכיוון הזה. שני אלקטרונים p נוספים יוצרים את קשרי ה-π הידועים לשמצה. גיאומטריה זו אופיינית לקרבין.

לפני זמן לא רב, ב-2010, גילו מדענים מאוניברסיטת נוטינגהם תרכובת שבה ארבעה אטומים נמצאים באותו מישור. שמו הוא דיליתיו מתנדיום מונומרי.

מולקולות

כדאי להזכיר אותם בנפרד. אטומים של החומר הנדון יכולים להשתלב, וכתוצאה מכך להיווצרות מולקולות פחמן מורכבות. הם נבדלים מ-Na רווי, C 2 ו-H 2, שביניהם המשיכה חלשה מדי, על ידי נטייתם להתעבות למצב מוצק. מולקולות פחמן יכולות להישאר במצב גזי רק אם הטמפרטורה נשמרת גבוהה. אחרת, החומר יתקשה באופן מיידי.

לפני זמן מה בארה"ב, במעבדה הלאומית של ברקלי, זה היה מסונתז צורה חדשהפחמן מוצק. זה C36. והמולקולה שלו נוצרת על ידי 36 אטומי פחמן. החומר נוצר יחד עם C60 פולרנים. זה קורה בין שתי אלקטרודות גרפיט, בתנאים של להבת פריקת קשת. מדענים מציעים שלמולקולות של החומר החדש יש תכונות כימיות-חשמליות מעניינות שטרם נחקרו.

גרָפִיט

עכשיו אנחנו יכולים לדבר בפירוט רב יותר על השינויים המפורסמים ביותר של חומר כמו פחמן.

גרפיט הוא מינרל מקומי בעל מבנה שכבות. להלן התכונות שלו:

• הוא מוליך זרם טוב מאוד.
• זהו חומר רך יחסית בשל קשיותו הנמוכה.
• כאשר הוא מחומם בהיעדר אוויר, הוא מפגין יציבות.
• לא נמס.
• מרגיש שמנוני וחלקלק.
• גרפיט טבעי מכיל 10-12% זיהומים. ככלל, אלה הם תחמוצות של ברזל וחימר.

אם אנחנו מדברים על תכונות כימיות, ראוי לציין שחומר זה יוצר מה שנקרא תרכובות הכללה עם מלחים ומתכות אלקליות. הגרפיט גם מגיב עם חמצן בטמפרטורות גבוהות, נשרף לפחמן דו חמצני. אבל מגע עם חומצות לא מחמצנות לא גורר שום תוצאה - החומר הזה פשוט לא מתמוסס בהן.

גרפיט משמש במגוון תחומים. הוא משמש בייצור של צלחות בטנה וכור היתוך, בייצור של גופי חימום ואלקטרודות. ללא השתתפות של גרפיט, אי אפשר להשיג יהלומים סינתטיים. הוא גם ממלא את התפקיד של מנחה נויטרונים בכורים גרעיניים. וכמובן, מובילים בעיפרון עשויים ממנו על ידי ערבוב עם קאולין. וזה רק חלק מהאזורים שבהם נעשה בו שימוש.

יהלום

זהו מינרל גרורתי שיכול להתקיים ללא הגבלת זמן, בין היתר בשל חוזק וצפיפות הפחמן. יהלום הוא החומר הקשה ביותר בסולם Mohs וחותך זכוכית בקלות.

יש לו מוליכות תרמית גבוהה, פיזור ומקדם שבירה. הוא עמיד בפני שחיקה, וכדי לגרום לו להימס צריך טמפרטורה של 4000 מעלות צלזיוס ולחץ של כ-11 GPa. הייחודיות שלו היא זוהר, היכולת לזהור בצבעים שונים.

זהו חומר נדיר, אם כי נפוץ. גיל המינרלים, לפי מחקרים מסוימים, יכול לנוע בין 100 מיליון ל-2.5 מיליארד שנים. התגלו יהלומים שמקורם מחוץ לכדור הארץ, אולי אפילו לפני השמש.

מינרל זה מצא את היישום שלו בתכשיטים. יהלום חתוך, הנקרא יהלום, הוא יקר, אך מעמדו ויופיו היקרים הפכו אותו לפופולרי עוד יותר. אגב, חומר זה משמש גם לייצור חותכים, מקדחות, סכינים ועוד. בשל קשיותו יוצאת הדופן, המינרל משמש בתעשיות רבות.

קארבין

בהמשך לנושא מהו פחמן, עלינו לומר כמה מילים על השינוי שלו, כמו קרבין. זה נראה כמו אבקה שחורה, גבישית דק ויש לו תכונות מוליכות למחצה. זה הושג באופן מלאכותי בתחילת שנות ה-60 על ידי מדענים סובייטים.

המוזרות של חומר זה היא שמוליכותו עולה בהשפעת האור. לכן החלו להשתמש בו בתאים פוטו-וולטאיים.

גרפן

זהו הגביש הדו-ממדי הראשון בעולם. לשינוי זה יש קשיחות מכנית גדולה יותר מאשר גרפיט ומוליכות תרמית גבוהה שיא של ~5.10 3 W.m−1.K−. לנשאי מטען גרפן יש ניידות גבוהה, וזו הסיבה שלחומר יש סיכויים לשימוש בו יישומים שונים. מאמינים שהוא יכול להפוך לבסיס העתידי של הננו-אלקטרוניקה ואף להחליף סיליקון במעגלים משולבים.

גרפן מיוצר באופן מלאכותי במעבדות מדעיות. כדי לעשות זאת, יש צורך לפנות לניתוק מכני של שכבות גרפיט מחומר בעל אוריינטציה גבוהה. כך מתקבלות דגימות איכותיות עם ניידות הנשא הנדרשת.

תכונותיו לא נחקרו במלואן, אבל מדענים כבר ציינו משהו מעניין. לדוגמה, אין התגבשות ווינגר בגרפן. ובשכבה כפולה של חומר, התנהגות האלקטרונים דומה למאפיין של גבישים נוזליים. אם יבחינו בפרמטרי המחשוף על גבי הגביש, ניתן יהיה לקבל ננו-מבנה בצורת קופסת גרפן.

רַעֲלָנוּת

כדאי לשים לב לנושא הזה בסוף הסיפור על מהו פחמן. העובדה היא שחומר זה משתחרר לאטמוספירה יחד עם גזי פליטה של ​​מכוניות. וגם בזמן שריפת פחם, גיזוז תת קרקעי ותהליכים רבים אחרים.

רמות מוגברות של חומר זה באוויר מביאות לעלייה במספר המחלות. בפרט, זה חל על הריאות ודרכי הנשימה העליונות. א השפעה רעילהנובע מאינטראקציה בעלת אופי קרינתי עם חלקיקי β, מה שמוביל לעובדה תרכובת כימיתמולקולות משתנות וגם תכונות החומר משתנות.

מאפייני אלמנט

6 C 1s 2 2s 2 2p 2

איזוטופים: 12 C (98.892%); 13 C (1.108%); 14 C (רדיואקטיבי)

קלארק בקרום כדור הארץ הוא 0.48% במסה. צורות מיקום:

בצורה חופשית (פחם, יהלומים);

בהרכב הקרבונטים (CaCO 3, MgCO 3 וכו');

כחלק מדלקים מאובנים (פחם, נפט, גז);

בצורה של CO 2 - באטמוספירה (0.03% בנפח);

באוקיינוס ​​העולמי - בצורה של HCO 3 - אניונים;

בהרכב החומר החי (-18% פחמן).

הכימיה של תרכובות פחמן היא בעיקר כימיה אורגנית. לא מודע כימיה אורגניתהחומרים הבאים המכילים C נחקרים: פחמן חופשי, תחמוצות (CO ו-CO 2), חומצה פחמנית, קרבונטים וביקרבונטים.

פחמן חינם. אלוטרופיה.

במצב חופשי, פחמן יוצר 3 שינויים אלוטרופיים: יהלום, גרפיט וקרבין המיוצר באופן מלאכותי. שינויים אלה של פחמן שונים במבנה הכימי של הגביש ובמאפיינים הפיזיקליים.

יהלום

בגביש יהלום, כל אטום פחמן מחובר בקשרים קוולנטיים חזקים לארבעה אחרים הממוקמים סביבו במרחקים שווים.

כל אטומי הפחמן נמצאים במצב של הכלאה sp 3. לסריג הקריסטל האטומי של יהלום יש מבנה טטרהדרלי.

יהלום הוא חומר חסר צבע, שקוף, בעל שבירה גבוהה. יש לו את הקשיות הגדולה ביותר מבין כל החומרים הידועים. היהלום הוא שביר, עקשן ואינו מוליך חום או חשמל היטב. המרחקים הקטנים בין אטומי פחמן שכנים (0.154 ננומטר) קובעים את הצפיפות הגבוהה למדי של היהלום (3.5 גרם/סמ"ק).

גרָפִיט

בסריג הגבישי של גרפיט, כל אטום פחמן נמצא במצב של הכלאה sp 2 ויוצר שלושה קשרים קוולנטיים חזקים עם אטומי פחמן הממוקמים באותה שכבה. שלושה אלקטרונים מכל אטום פחמן משתתפים ביצירת הקשרים הללו, ואלקטרוני הערכיות הרביעית יוצרים קשרים n והם חופשיים יחסית (ניידים). הם קובעים את המוליכות החשמלית והתרמית של גרפיט.

אורך הקשר הקוולנטי בין אטומי פחמן שכנים באותו מישור הוא 0.152 ננומטר, והמרחק בין אטומי C בשכבות שונות גדול פי 2.5, כך שהקשרים ביניהם חלשים.

גרפיט הוא חומר אטום, רך, שמנוני למגע בצבע אפור-שחור עם ברק מתכתי; מוליך היטב חום וחשמל. לגרפיט יש צפיפות נמוכה יותר בהשוואה ליהלום ומתפצל בקלות לפתיתים דקים.

המבנה המשובש של גרפיט גבישי עדין עומד בבסיס המבנה צורות שונותפחמן אמורפי, שהחשובים שבהם הם קוק, גחלים חומים ושחורים, פיח, פחם פעיל (פעיל).

קארבין

שינוי אלוטרופי זה של פחמן מתקבל על ידי חמצון קטליטי (דהידרופוליקוננסציה) של אצטילן. Carbyne הוא פולימר שרשרת שמגיע בשתי צורות:

С=С-С=С-... ו...=С=С=С=

ל-Carbyne יש תכונות מוליכים למחצה.

תכונות כימיות של פחמן

בטמפרטורות רגילות, שני השינויים של פחמן (יהלום וגרפיט) ​​אינרטיות מבחינה כימית. צורות גבישי עדין של גרפיט - קוקה, פיח, פחם פעיל - מגיבים יותר, אבל, ככלל, לאחר שהם מחוממים מראש לטמפרטורה גבוהה.

C - חומר מפחית פעיל:

1. אינטראקציה עם חמצן

C + O 2 = CO 2 + 393.5 kJ (עודף O 2)

2C + O 2 = 2CO + 221 kJ (עם חוסר O 2)

שריפת פחם היא אחד ממקורות האנרגיה החשובים ביותר.

2. אינטראקציה עם פלואור וגופרית.

C + 2F 2 = CF 4 פחמן טטרפלואוריד

C + 2S = CS 2 דיסולפיד פחמן

3. קולה הוא אחד מחומרי ההפחתה החשובים ביותר המשמשים בתעשייה. במטלורגיה הוא משמש להשגת מתכות מתחמוצות, למשל:

ZS + Fe 2 O 3 = 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. כאשר פחמן יוצר אינטראקציה עם תחמוצות של מתכות אלקליות ואדמה אלקליין, המתכת המופחתת מתחברת עם פחמן ויוצרות קרביד. לדוגמה: 3S + CaO = CaC 2 + CO סידן קרביד

5. קולה משמש גם לייצור סיליקון:

2C + SiO 2 = Si + 2СО

6. אם יש עודף של קוק, נוצר סיליקון קרביד (קרבורונדום) SiC.

הפקת "גז מים" (גיזה של דלק מוצק)

על ידי העברת אדי מים דרך פחם חם, מתקבלת תערובת דליקה של CO ו- H 2, הנקראת גז מים:

C + H 2 O = CO + H 2

7. תגובות עם חומצות מחמצנות.

בחימום, פחם פעיל או פחם מפחיתים את האניונים NO 3 - ו- SO 4 2- מחומצות מרוכזות:

C + 4HNO 3 = CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

8. תגובות עם חנקות מתכת אלקליות מותכות

בהמסת KNO 3 ו- NaNO 3, פחם כתוש בוער בעוצמה עם היווצרות של להבה מסנוורת:

5C + 4KNO 3 = 2K 2 CO 3 + ZCO 2 + 2N 2

C - חומר מחמצן נמוך פעיל:

1. יצירת קרבידים דמויי מלח עם מתכות פעילות.

היחלשות משמעותית של התכונות הלא מתכתיות של הפחמן מתבטאת בכך שתפקידיו כחומר מחמצן באים לידי ביטוי במידה פחותה בהרבה מתפקידיו המפחיתים.

2. רק בתגובות עם מתכות פעילות הופכים אטומי פחמן ליונים בעלי מטען שלילי C -4 ו-(C=C) 2-, ויוצרים קרבידים דמויי מלח:

ZS + 4Al = Al 4 C 3 אלומיניום קרביד

2C + Ca = CaC 2 סידן קרביד

3. קרבידים יוניים הם תרכובות מאוד לא יציבות, הם מתפרקים בקלות תחת פעולת חומצות ומים, מה שמעיד על חוסר יציבות של אניוני פחמן בעלי מטען שלילי:

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

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

4. יצירת תרכובות קוולנטיות עם מתכות

בהתכה של תערובות פחמן עם מתכות מעבר, קרבידים נוצרים בעיקר עם סוג קוולנטי של קשר. למולקולות שלהם יש הרכב משתנה, והחומרים בכללם קרובים לסגסוגות. קרבידים כאלה הם יציבים מאוד; הם אינרטיים מבחינה כימית ביחס למים, חומצות, אלקליות וריאגנטים רבים אחרים.

5. אינטראקציה עם מימן

ב-T ו-P גבוהים, בנוכחות זרז ניקל, פחמן מתחבר עם מימן:

C + 2НН 2 → СНН 4

התגובה היא הפיכה ביותר ואין לה משמעות מעשית.

במאמר זה נסתכל על יסוד שהוא חלק מהטבלה המחזורית D.I. מנדלייב, כלומר פחמן. במינוח המודרני, הוא מסומן בסימן C, נכלל בקבוצה הארבע עשרה והוא "משתתף" של התקופה השנייה, יש לו שישית מספר סידורי, והא.א.מ. = 12.0107.

אורביטלים אטומיים והכלאה שלהם

נתחיל להסתכל על פחמן עם האורביטלים שלו והכלאה שלהם - המאפיינים העיקריים שלו, שבזכותם הוא עדיין מדהים מדענים ברחבי העולם. מה המבנה שלהם?

ההכלאה של אטום הפחמן מסודרת כך שאלקטרוני הערכיות תופסים מיקומים בשלושה אורביטלים, כלומר: אחד נמצא באורביטלי 2s, ושניים נמצאים באורביטלים 2p. השניים האחרונים מתוך שלושת האורביטלים יוצרים זווית של 90 מעלות זה ביחס לזה, ולאורביטל 2s יש סימטריה כדורית. עם זאת, צורת סידור זו של האורביטלים הנבדקים אינה מאפשרת לנו להבין מדוע פחמן, כאשר הוא נכנס לתרכובות אורגניות, יוצר זוויות של 120, 180 ו-109.5 מעלות. הנוסחה למבנה האלקטרוני של אטום הפחמן מתבטאת בצורה הבאה: (He) 2s 2 2p 2.

הפתרון של הסתירה שנוצרה נעשה על ידי הכנסת למחזור את המושג הכלאה של אורביטלים אטומיים. כדי להבין את האופי המשולש והוריאנטי של C, היה צורך ליצור שלוש צורות ייצוג לגבי ההכלאה שלו. התרומה העיקרית להופעתו ולפיתוחו של מושג זה נעשתה על ידי לינוס פאולינג.

תכונות גשמיות

המבנה של אטום הפחמן קובע את נוכחותם של מספר תכונות פיזיקליות מסוימות. האטומים של יסוד זה יוצרים חומר פשוט - פחמן, שיש לו שינויים. שינויים בשינויים במבנה שלו יכולים לתת לחומר המתקבל מאפיינים איכותיים שונים. סיבה לזמינות כמות גדולהשינויים של פחמן טמונים ביכולתו ליצור וליצור סוגים שונים של קשרים בעלי אופי כימי.

המבנה של אטום הפחמן יכול להשתנות, מה שמאפשר לו לקבל מספר מסוים של צורות איזוטופיות. פחמן המצוי בטבע נוצר באמצעות שני איזוטופים במצב יציב - 12 C ו- 13 C - ואיזוטופ בעל תכונות רדיואקטיביות - 14 C. האיזוטופ האחרון מרוכז ב שכבות עליונותקרום כדור הארץ ובאטמוספירה. בשל השפעת הקרינה הקוסמית, כלומר הנייטרונים שלה, על גרעין אטומי החנקן, נוצר האיזוטופ הרדיואקטיבי 14 C. לאחר אמצע שנות החמישים של המאה העשרים, הוא החל ליפול לתוך סביבהכמוצר מעשה ידי אדם שנוצר במהלך הפעלת תחנות כוח גרעיניות, ובשל שימוש בפצצת מימן. טכניקת התיארוך הרדיואקטיבית מבוססת על תהליך ההתפרקות של 14 C, אשר מצאה את יישומו הרחב בארכיאולוגיה ובגיאולוגיה.

שינוי של פחמן בצורה אלוטרופית

ישנם חומרים רבים בטבע המכילים פחמן. האדם משתמש במבנה של אטום הפחמן למטרותיו שלו בעת יצירתו חומרים שונים, שביניהם:

1. פחמנים גבישיים (יהלומים, ננו-צינורות פחמן, סיבים וחוטים, פולרנים וכו').
2. פחמנים אמורפיים (פחם פעיל ופחם, סוגים שוניםקולה, פחמן שחור, פיח, ננו-קצף ואנתרציט).
3. צורות מקבץ של פחמן (דיקרבונים, ננוקוונים ותרכובות אסטרלן).

תכונות מבניות של המבנה האטומי

למבנה האלקטרוני של אטום פחמן יכולות להיות גיאומטריות שונות, התלויות ברמת ההכלאה של האורביטלים שברשותו. ישנם 3 סוגים עיקריים של גיאומטריה:

1. טטרהדרלית - נוצרת עקב תזוזה של ארבעה אלקטרונים, אחד מהם הוא s-אלקטרונים, ושלושה שייכים לאלקטרונים p. אטום C תופס מיקום מרכזי בארבעהדרון ומחובר על ידי ארבעה קשרי סיגמה שוות ערך עם אטומים אחרים התופסים את קודקוד הטטרהדרון הזה. סידור גיאומטרי זה של פחמן יכול לייצר אלוטרופים כגון יהלום ולונסדלייט.
2. טריגונל - חייב את הופעתו לתזוזה של שלושה אורביטלים, מהם אחד הוא s- ושניים הם p-. יש כאן שלושה קשרי סיגמא, שנמצאים במיקום שווה זה לזה; הם שוכבים במישור משותף ושומרים על זווית של 120 מעלות זה ביחס לזה. ה-p-orbital החופשי ממוקם בניצב למישור הקשר הסיגמא. לגרפיט יש גיאומטריה מבנית דומה.
3. אלכסון - מופיע עקב ערבוב של s- ו-p-אלקטרונים (הכלאה sp). ענני אלקטרונים נמתחים לאורך הכיוון הכללי ומקבלים צורה של משקולת א-סימטרית. אלקטרונים חופשיים יוצרים קשרי π. מבנה גיאומטריה זה בפחמן מוביל להופעת קרבין, צורה מיוחדת של שינוי.

אטומי פחמן בטבע

המבנה והתכונות של אטום הפחמן נחשבו זה מכבר על ידי האדם ומשמשים להשגת מספר רב של חומרים שונים. האטומים של יסוד זה, בשל יכולתם הייחודית ליצור קשרים כימיים שונים ונוכחות של הכלאה אורביטלית, יוצרים שינויים אלוטרופיים רבים ושונים בהשתתפות יסוד אחד בלבד, מאטומים מאותו סוג - פחמן.

בטבע נמצא פחמן בקרום כדור הארץ; לובש צורה של יהלומים, גרפיטים, משאבי טבע שונים דליקים, למשל, נפט, אנתרציט, פחם חום, פצלי עץ, כבול וכו'. זה חלק מהגזים המשמשים את בני האדם בתעשיית האנרגיה. פחמן בדו חמצני שלו ממלא את ההידרוספירה ואת האטמוספירה של כדור הארץ, ומגיע עד 0.046% באוויר, ועד פי שישים יותר במים.

בגוף האדם, C כלול בכמות השווה ל-21% בערך, ומופרש בעיקר דרך שתן ואוויר נשוף. אותו יסוד משתתף במחזור הביולוגי; הוא נספג בצמחים ונצרך במהלך תהליכי פוטוסינתזה.

אטומי פחמן, בשל יכולתם ליצור קשרים קוולנטיים שונים ולבנות מהם שרשראות ואף מחזוריות, יכולים ליצור מספר עצום של חומרים אורגניים. בנוסף, יסוד זה הוא חלק מהאטמוספרה הסולארית, בהיותו בשילוב עם מימן וחנקן.

תכונות של טבע כימי

כעת נסתכל על המבנה והתכונות של אטום הפחמן מנקודת מבט כימית.

חשוב לדעת שפחמן מפגין תכונות אינרטיות בטמפרטורות רגילות, אך יכול להראות לנו תכונות מפחיתות בהשפעת טמפרטורות גבוהות. מצבי החמצון העיקריים הם: + - 4, לפעמים +2, וגם +3.

משתתף בתגובות עם מספר רב של אלמנטים. עלול להגיב עם מים, מימן, הלוגנים, מתכות אלקליות, חומצות, פלואור, גופרית וכו'.

המבנה של אטום הפחמן מוליד מספר עצום להפליא של חומרים, המופרדים למחלקה נפרדת. תרכובות כאלה נקראות אורגניות ומבוססות על C. הדבר אפשרי בשל התכונה של האטומים של יסוד זה ליצור שרשראות פולימריות. בין הקבוצות המפורסמות והנרחבות ביותר ניתן למנות חלבונים (חלבונים), שומנים, פחמימות ותרכובות פחמימנים.

שיטות פעולה

בשל המבנה הייחודי של אטום הפחמן ותכונותיו הנלוות, היסוד נמצא בשימוש נרחב בבני אדם, למשל ביצירת עפרונות, התכת כור היתוך מתכת - כאן נעשה שימוש בגרפיט. יהלומים משמשים כחומרי שוחקים, תכשיטים, מקדחים וכו'.

פרמקולוגיה ורפואה עוסקות גם בשימוש בפחמן במגוון תרכובות. יסוד זה הוא חלק מפלדה, משמש בסיס לכל חומר אורגני, משתתף בתהליך הפוטוסינתזה וכו'.

רעילות של היסוד

מבנה האטום של היסוד פחמן כולל את הנוכחות השפעה מסוכנתלחומר חי. פחמן נכנס לעולם סביבנו כתוצאה משריפת פחם בתחנות כוח תרמיות, הוא חלק מהגזים שמייצרים מכוניות, במקרה של תרכיז פחם וכו'.

אחוז תכולת הפחמן באירוסולים גבוה, מה שגורר עלייה באחוז החולים. העליונים מושפעים לרוב כיווני אווירוריאות. מחלות מסוימות יכולות להיות מסווגות כמקצועיות, למשל, ברונכיטיס אבק ומחלות מקבוצת הפנאומוקונוזיס.

14 C הוא רעיל, וחוזק השפעתו נקבע על ידי אינטראקציה של קרינה עם חלקיקי β. אטום זה נכלל בהרכב של מולקולות ביולוגיות, כולל אלו המצויות בחומצות דאוקסי וריבונוקלאיות. הכמות המקובלת של 14 C באוויר של אזור עבודה נחשבת ל-1.3 Bq/l. הכמות המקסימלית של פחמן שנכנס לגוף במהלך הנשימה מתאימה ל-3.2*10 8 Bq/שנה.

פחמן (C) הוא היסוד השישי בטבלה המחזורית עם משקל אטומי 12. היסוד אינו מתכת ובעל איזוטופ של 14 C. מבנה אטום הפחמן עומד בבסיס כל הכימיה האורגנית, שכן כל החומרים האורגניים כוללים מולקולות פחמן .

אטום פחמן

מיקומו של פחמן בטבלה המחזורית של מנדלייב:

• מספר סידורי שישי;
• קבוצה רביעית;
• מחזור שני.

אורז. 1. מיקום הפחמן בטבלה המחזורית.

בהתבסס על הנתונים מהטבלה, אנו יכולים להסיק שמבנה האטום של היסוד פחמן כולל שתי קליפות שעליהן נמצאים שישה אלקטרונים. ערכיות הפחמן הכלול בהרכב חומר אורגני, הוא קבוע ושווה ל-IV. זה אומר שברמה האלקטרונית החיצונית יש ארבעה אלקטרונים, וברמה הפנימית יש שניים.

מבין ארבעת האלקטרונים, שניים תופסים מסלול כדורי של 2s, והשניים הנותרים תופסים מסלול משקולת 2p. במצב נרגש, אלקטרון אחד מהאורביטל 2s עובר לאחד מהאורביטלים של 2p. כאשר אלקטרון עובר ממסלול אחד למשנהו, אנרגיה מתבזבזת.

לפיכך, לאטום פחמן נרגש יש ארבעה אלקטרונים לא מזווגים. ניתן לבטא את התצורה שלו בנוסחה 2s 1 2p 3. זה מאפשר ליצור ארבעה קשרים קוולנטיים עם יסודות אחרים. לדוגמה, במולקולת מתאן (CH4), פחמן יוצר קשרים עם ארבעה אטומי מימן - קשר אחד בין האורביטלים s של מימן ופחמן ושלושה קשרים בין אורביטלים p של פחמן לאורביטלים s של מימן.

ניתן לייצג את המבנה של אטום הפחמן כ-+6C) 2) 4 או 1s 2 2s 2 2p 2.

אורז. 2. מבנה אטום הפחמן.

תכונות גשמיות

פחמן מתרחש באופן טבעי בצורה של סלעים. ידועים מספר שינויים אלוטרופיים של פחמן:

• גרָפִיט;
• יהלום;
• קָרַבִּין;
• פֶּחָם;
• פיח.

כל החומרים הללו נבדלים במבנה של סריג הגביש שלהם. רוב מוצק- יהלום - יש צורה מעוקבת של פחמן. בְּ טמפרטורה גבוההיהלום הופך לגרפיט בעל מבנה משושה.

אורז. 3. סריג קריסטל של גרפיט ויהלום.

תכונות כימיות

המבנה האטומי של פחמן ויכולתו לחבר ארבעה אטומים של חומר אחר קובעים תכונות כימיותאֵלֵמֶנט. פחמן מגיב עם מתכות ליצירת קרבידים:

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

מגיב גם עם תחמוצות מתכות:

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

בטמפרטורות גבוהות, פחמן מגיב עם לא-מתכות, במיוחד מימן, ויוצר פחמימנים:

C + 2H 2 → CH 4.

עם חמצן, פחמן יוצר פחמן דו חמצני ופחמן חד חמצני:

• C + O 2 → CO 2;
• 2C + O 2 → 2СО.

פחמן חד חמצני נוצר גם בעת אינטראקציה עם מים:

C + H 2 O → CO + H 2.

חומצות מרוכזות מחמצנות פחמן ויוצרות פחמן דו חמצני:

• 2H 2 SO 4 + C → CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;
• 4HNO 3 + C → CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O.

הערכת הדו"ח

דירוג ממוצע: 4.1. סך הדירוגים שהתקבלו: 75.