כימיה אורגנית היא הכימיה של אטום הפחמן. מספר תרכובות אורגניותעשרות מונים יותר מאלה לא אורגניים, שאפשר רק להסביר תכונות של אטום הפחמן :

א) הוא בפנים באמצע סולם האלקטרושליליות והתקופה השנייה, לכן לא משתלם לו למסור את שלו ולקבל אלקטרונים של אנשים אחרים ולרכוש מטען חיובי או שלילי;

ב) מבנה מיוחד של מעטפת האלקטרונים - לא זוגות אלקטרוניםואורביטלים חופשיים (יש רק עוד אטום אחד עם מבנה דומה - מימן, וזו כנראה הסיבה שפחמן ומימן יוצרים כל כך הרבה תרכובות - פחמימנים).

מבנה אלקטרוני של אטום הפחמן

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

בצורה גרפית:

לאטום פחמן במצב נרגש יש את הנוסחה האלקטרונית הבאה:

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

בצורה של תאים:

צורת s- ו-p-אורביטלים

מסלול אטומי - אזור החלל שבו סביר ביותר להימצא אלקטרון, עם מספרים קוונטיים מתאימים.

זוהי "מפת קווי מתאר" של אלקטרונים תלת מימדיים שבה פונקציית הגל קובעת את ההסתברות היחסית למצוא אלקטרון בנקודה המסוימת הזו במסלול.

הגדלים היחסיים של האורביטלים האטומיים גדלים ככל שהאנרגיות שלהם גדלות ( מספר קוונטי עיקרי- n), וצורתם והכיוון שלהם במרחב נקבעים על ידי מספרים קוונטיים l ו-m. אלקטרונים באורביטלים מאופיינים במספר קוונטי ספין. כל מסלול יכול להכיל לא יותר מ-2 אלקטרונים עם ספינים מנוגדים.

בעת יצירת קשרים עם אטומים אחרים, אטום הפחמן הופך את מעטפת האלקטרונים שלו כך שנוצרים הקשרים החזקים ביותר, וכתוצאה מכך משתחררת אנרגיה רבה ככל האפשר, והמערכת רוכשת את היציבות הגדולה ביותר.

שינוי מעטפת האלקטרונים של אטום דורש אנרגיה, אשר לאחר מכן מפוצה על ידי היווצרות של קשרים חזקים יותר.

טרנספורמציה של מעטפת אלקטרונים (היברידיזציה) יכולה להיות בעיקר מ-3 סוגים, בהתאם למספר האטומים שאיתם אטום הפחמן יוצר קשרים.

סוגי הכלאה:

sp 3 - אטום יוצר קשרים עם 4 אטומים שכנים (הכלאה טטרהדרלית):

נוסחה אלקטרונית של sp 3 - אטום פחמן היברידי:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 בצורה של תאים

זווית הקשר בין האורביטלים ההיברידיים היא ~109°.

נוסחה סטריאוכימית של אטום פחמן:

sp 2 - הכלאה ( מצב ערכיות) - אטום יוצר קשרים עם 3 אטומים שכנים (הכלאה טריגונלית):

נוסחה אלקטרונית של sp 2 - אטום פחמן היברידי:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 בצורה של תאים

זווית הקשר בין האורביטלים ההיברידיים היא ~120°.

נוסחה סטריאוכימית של sp 2 - אטום פחמן היברידי:

sp- הכלאה (מצב ערכיות) – אטום יוצר קשרים עם 2 אטומים שכנים (הכלאה ליניארית):

נוסחה אלקטרונית של sp - אטום פחמן היברידי:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 בצורה של תאים

זווית הקשר בין האורביטלים ההיברידיים היא ~180°.

נוסחה סטריאוכימית:

ה-s-orbital מעורב בכל סוגי ההכלאה, מכיוון יש לו אנרגיה מינימלית.

המבנה מחדש של ענן האלקטרונים מאפשר יצירת קשרים חזקים ככל האפשר ואינטראקציה מינימלית של אטומים במולקולה המתקבלת. איפה אורביטלים היברידיים עשויים שלא להיות זהים, אבל זוויות הקשר עשויות להיות שונות, למשל CH 2 Cl 2 ו-CCl 4

2. קשרים קוולנטיים בתרכובות פחמן

קשרים קוולנטיים, תכונות, שיטות וסיבות להיווצרות - תכנית לימודים בית ספרית.

תן לי רק להזכיר לך:

1. תקשורת חינוך בין אטומים יכול להיחשב כתוצאה מחפיפה של האורביטלים האטומיים שלהם, וככל שהוא יעיל יותר (ככל שהאינטגרל של החפיפה גדול יותר), הקשר חזק יותר.

על פי נתונים מחושבים, יעילות החפיפה היחסית של אורביטלים אטומיים S rel עולה באופן הבא:

לכן, שימוש באורביטלים היברידיים, כגון אורביטלי פחמן sp 3, ליצירת קשרים עם ארבעה אטומי מימן מביא לקשרים חזקים יותר.

2. קשרים קוולנטיים בתרכובות פחמן נוצרים בשתי דרכים:

א)אם שני אורביטלים אטומיים חופפים לאורך הצירים העיקריים שלהם, הקשר שנוצר נקרא - קשר σ.

גֵאוֹמֶטרִיָה.לפיכך, כאשר נוצרים קשרים עם אטומי מימן במתאן, ארבעה אורביטלים היברידיים sp 3 ~ של אטום הפחמן חופפים ל-s-אורביטלים של ארבעה אטומי מימן, ויוצרים ארבעה קשרי σ חזקים זהים הממוקמים בזווית של 109°28" לכל אחד מהם. אחר (זווית טטרהדרלית סטנדרטית) מבנה טטרהדרלי דומה בהחלט סימטרי מתעורר גם, למשל, במהלך היווצרות CCl 4; אם האטומים היוצרים קשרים עם פחמן אינם שווים, למשל במקרה של CH 2 C1 2, המבנה המרחבי יהיה שונה במקצת מסימטרי לחלוטין, אם כי בעצם הוא נשאר טטרהדרלי.

אורך קשר σבין אטומי פחמן תלוי בהכלאה של אטומים ויורד במהלך המעבר מ-sp 3 - הכלאה ל-sp. זה מוסבר על ידי העובדה שאורביטל s קרוב יותר לגרעין מאשר מסלול p, לכן, ככל שחלקו במסלול ההיברידי גדול יותר, כך הוא קצר יותר, ולכן הקשר הנוצר קצר יותר.

ב) אם שני אטומיים ע -אורביטלים הממוקמים במקביל זה לזה מבצעים חפיפה רוחבית מעל ומתחת למישור שבו נמצאים האטומים, ואז הקשר שנוצר נקרא - π (פאי) -תִקשׁוֹרֶת

חפיפה לרוחבאורביטלים אטומיים פחות יעילים מחפיפה לאורך הציר הראשי, אז π - הקשרים פחות חזקים מ σ - חיבורים. זה מתבטא, במיוחד, בעובדה שהאנרגיה של קשר פחמן-פחמן כפול היא פחות מפי שניים מהאנרגיה של קשר יחיד. לפיכך, אנרגיית הקשר C-C באתאן היא 347 קילו-ג'ל/מול, בעוד שאנרגיית הקשר C=C באתן היא רק 598 קילו-ג'יי-מול, ולא ~ 700 קילו-ג'יי-מול.

מידת החפיפה הצידית של שני אורביטלים אטומיים 2p , ולכן כוח π -הקשרים הם מקסימליים אם יש שני אטומי פחמן וארבעה קשורים אליהם אטומים ממוקמים אך ורק במישור אחד, כלומר אם הם coplanar , כיוון שרק במקרה זה האורביטלים האטומיים 2p מקבילים זה לזה בדיוק ולכן מסוגלים לחפיפה מרבית. כל סטייה מהמצב הקומפלרי עקב סיבוב מסביב σ -קשר המחבר בין שני אטומי פחמן יוביל לירידה במידת החפיפה ובהתאם לירידה בחוזק π -קשר, אשר מסייע בכך לשמור על שטוחות המולקולה.

רוֹטַציָהסביב קשר כפול פחמן-פחמן אינו אפשרי.

הפצה π -אלקטרונים מעל ומתחת למישור המולקולה פירושו הקיום אזורים של מטען שלילי, מוכן לאינטראקציה עם כל ריאגנטים חסרי אלקטרונים.

גם לאטומים של חמצן, חנקן וכו' יש מצבי ערכיות שונים (היברידיזציה), וזוגות האלקטרונים שלהם יכולים להיות גם באורביטלים היברידיים וגם ב-p-אורביטלים.

פַּחמָן, C, יסוד כימי מקבוצה IV של הטבלה המחזורית, משקל אטומי 12.00, מספר סידורי 6. עד לאחרונה, פחמן נחשב ללא איזוטופים; רק לאחרונה ניתן היה לזהות, בשיטות רגישות במיוחד, את קיומו של האיזוטופ C 13. פחמן הוא אחד מהם אלמנטים הכרחייםלפי השכיחות שלו, לפי השפע והמגוון של תרכובותיו, לפי המשמעות הביולוגית שלו (כאורגנוגן), לפי השימוש הטכני הנרחב בפחמן עצמו ובתרכובותיו (כחומרי גלם וכמקור אנרגיה לצרכים תעשייתיים וביתיים) , ולבסוף על ידי תפקידו בפיתוח המדע הכימי. פחמן במצב חופשי מציג תופעה בולטת של אלוטרופיה, הידועה כבר יותר ממאה וחצי, אך עדיין לא נחקרה במלואה, הן בגלל הקושי הקיצוני להשיג פחמן בצורה טהורה מבחינה כימית, והן בגלל שרוב הקבועים של שינויים אלוטרופיים של פחמן משתנים מאוד בהתאם למאפיינים המורפולוגיים של המבנה שלהם, הנקבעים לפי השיטה ותנאי הייצור.

פחמן יוצר שתי צורות גבישיות - יהלום וגרפיט ומוכר גם במצב אמורפי בצורת מה שנקרא. פחם אמורפי. זהותם של האחרונים שנויה במחלוקת כתוצאה ממחקרים עדכניים: פחם זוהה עם גרפיט, בהתחשב בשניהם כזנים מורפולוגיים מאותה צורה - "פחמן שחור", וההבדל בתכונותיהם הוסבר. מבנה פיזיומידת הפיזור של החומר. עם זאת, ממש לָאַחֲרוֹנָההתקבלו עובדות המאשרות את קיומו של פחם כצורה אלוטרופית מיוחדת (ראה להלן).

מקורות טבעיים ומאגרי פחמן. מבחינת השכיחות בטבע, הפחמן נמצא במקום העשירי מבין היסודות, ומהווה 0.013% מהאטמוספרה, 0.0025% מההידרוספירה וכ-0.35% מהמסה הכוללת של קרום כדור הארץ. רוב הפחמן הוא בצורת תרכובות חמצן: אוויר אטמוספרי מכיל ~800 מיליארד טונות של פחמן בצורה של CO 2 דו חמצני; במי האוקיינוסים והימים - עד 50,000 מיליארד טון פחמן בצורה של CO 2, יוני חומצה פחמנית וביקרבונטים; בסלעים - קרבונטים בלתי מסיסים (סידן, מגנזיום ומתכות אחרות), והחלק של CaCO 3 לבדו מהווה ~160·10 6 מיליארד טונות של פחמן. אולם עתודות ענק אלו אינן מייצגות ערך אנרגיה כלשהו; הרבה יותר יקרים הם חומרים פחמניים דליקים - פחמים מאובנים, כבול, ואז נפט, גזי פחמימנים וביטומנים טבעיים אחרים. הרזרבה של החומרים הללו בקרום כדור הארץ גם היא משמעותית למדי: מסת הפחמן הכוללת בפחמים מאובנים מגיעה ל-6000 מיליארד טון בערך, בנפט ל-10 מיליארד טון וכו'. במצב החופשי, פחמן די נדיר (יהלום וחלק של חומר הגרפיט). פחמים מאובנים מכילים כמעט או לא פחמן חופשי: הם מורכבים מח. arr. בעלי משקל מולקולרי גבוה (פוליציקלי) ותרכובות יציבות מאוד של פחמן עם יסודות אחרים (H, O, N, S) עדיין נחקרו מעט מאוד. תרכובות פחמן של הטבע החי (ביוספירה גלוֹבּוּס), המסונתזים בתאי צמחים ובעלי חיים, נבדלים במגוון קיצוני של תכונות וכמויות הרכב; החומרים הנפוצים ביותר בעולם הצומח - סיבים וליגנין - ממלאים גם הם תפקיד כמשאבי אנרגיה. פחמן שומר על פיזור קבוע בטבע הודות למחזור מתמשך, שמחזורו מורכב מסינתזה של חומרים אורגניים מורכבים בתאי צמחים ובעלי חיים ופירוק הפוך של חומרים אלו במהלך הפירוק החמצוני שלהם (שריפה, ריקבון, נשימה), המוביל ליצירת CO 2, המשמש שוב צמחים לסינתזה. התכנית הכללית של מחזור זה יכולה להיות מוצג בצורה הבאה:

ייצור פחמן. תרכובות פחמיות ממקור צמחי ובעלי חיים אינן יציבות בטמפרטורות גבוהות וכאשר הן מחוממות ל-150-400 מעלות צלזיוס לפחות ללא גישה לאוויר, מתפרקות, משחררות מים ותרכובות פחמן נדיפות ומשאירות שאריות מוצקות לא נדיפות עשירות בפחמן ובדרך כלל שנקרא פחם. תהליך פירוליטי זה נקרא חריכה, או זיקוק יבש, והוא נמצא בשימוש נרחב בטכנולוגיה. פירוליזה בטמפרטורה גבוהה של פחמים מאובנים, שמן וכבול (בטמפרטורה של 450-1150 מעלות צלזיוס) מובילה לשחרור פחמן בצורת גרפיט (קוק, פחם רטורט). ככל שטמפרטורת החריכה של חומרי המוצא גבוהה יותר, כך הפחם או הקוק המתקבל קרוב יותר לפחמן החופשי בהרכבו ולגרפיט בתכונותיו.

פחם אמורפי, שנוצר בטמפרטורות מתחת ל-800 מעלות צלזיוס, אינו יכול. אנו רואים בו פחמן חופשי, מכיוון שהוא מכיל כמויות משמעותיות של יסודות אחרים הקשורים כימית, Ch. arr. מימן וחמצן. מבין המוצרים הטכניים, המאפיינים הם הקרובים ביותר לפחם אמורפי פחמן פעילופיח. הפחם הטהור ביותר עשוי להיות מתקבל על ידי חריכת סוכר טהור או פיפרונל, טיפול מיוחד של פיח גז וכו'. גרפיט מלאכותי, המתקבל באמצעים אלקטרו-תרמיים, הוא פחמן כמעט טהור בהרכבו. גרפיט טבעי מזוהם תמיד בזיהומים מינרלים ומכיל גם כמות מסוימת של מימן קשור (H) וחמצן (O); במצב טהור יחסית זה עשוי. מתקבל רק לאחר מספר טיפולים מיוחדים: העשרה מכנית, כביסה, טיפול בחומרי חמצון והסתייד ב- טמפרטורה גבוההעד להסרה מלאה של חומרים נדיפים. בטכנולוגיית פחמן אף פעם לא עוסקים בפחמן טהור לחלוטין; זה חל לא רק על חומרי גלם טבעיים של פחמן, אלא גם על תוצרי העשרה, שדרוג ופירוק תרמי שלו (פירוליזה). להלן תכולת הפחמן של כמה חומרים פחמניים (ב%):

תכונות פיזיקליות של פחמן. הפחמן החופשי כמעט ואינו מתמזג לחלוטין, אינו נדיף, ובטמפרטורות רגילות אינו מסיס בכל אחד מהממיסים הידועים. הוא מתמוסס רק בחלק מהמתכות המותכות, במיוחד בטמפרטורות המתקרבות לנקודת הרתיחה של האחרונות: בברזל (עד 5%), כסף (עד 6%) | רותניום (עד 4%), קובלט, ניקל, זהב ופלטינה. בהיעדר חמצן, פחמן הוא החומר העמיד ביותר בחום; מצב נוזלישכן פחמן טהור אינו ידוע, והפיכתו לקיטור מתחילה רק בטמפרטורות מעל 3000 מעלות צלזיוס. לכן, קביעת תכונות הפחמן בוצעה אך ורק עבור מצב הצבירה המוצק. מבין השינויים בפחמן, ליהלום יש את התכונות הפיזיקליות הקבועות ביותר; תכונותיו של הגרפיט בדגימותיו השונות (אפילו הטהורות ביותר) משתנות באופן משמעותי; התכונות של פחם אמורפי משתנות אפילו יותר. הקבועים הפיזיקליים החשובים ביותר של שינויי פחמן שונים מושווים בטבלה.

יהלום הוא דיאלקטרי טיפוסי, בעוד שלגרפיט ופחמן יש מוליכות חשמלית מתכתית. בערך המוחלט, המוליכות שלהם משתנה על פני טווח רחב מאוד, אבל עבור פחמים היא תמיד נמוכה יותר מאשר עבור גרפיטים; בגרפיטים, המוליכות של מתכות אמיתיות מתקרבת. קיבולת החום של כל שינויי הפחמן בטמפרטורות מעל 1000 מעלות צלזיוס נוטה לערך קבוע של 0.47. בטמפרטורות מתחת ל-180 מעלות צלזיוס, קיבולת החום של היהלום נעשית קטנה ונעלמת וב-27 מעלות צלזיוס היא הופכת למעשה לאפס.

תכונות כימיות של פחמן. כאשר מחומם מעל 1000 מעלות צלזיוס, יהלום ופחם הופכים בהדרגה לגרפיט, ולכן יש לראות בו את הצורה המונוטרופית היציבה ביותר (בטמפרטורות גבוהות) של פחמן. הפיכת הפחם האמורפי לגרפיט מתחילה ככל הנראה בסביבות 800 מעלות צלזיוס ומסתיימת ב-1100 מעלות צלזיוס (בנקודה אחרונה זו, הפחם מאבד את פעילות הספיגה שלו ומיכולתו להפעיל מחדש, והמוליכות החשמלית שלו עולה בחדות, ונשארת כמעט קבועה בעתיד). פחמן חופשי מאופיין באינרטיות בטמפרטורות רגילות ובפעילות משמעותית בטמפרטורות גבוהות. פחם אמורפי הוא הפעיל ביותר מבחינה כימית, בעוד שהיהלום הוא העמיד ביותר. לדוגמה, פלואור מגיב עם פחם בטמפרטורה של 15 מעלות צלזיוס, עם גרפיט רק ב-500 מעלות צלזיוס ועם יהלום ב-700 מעלות צלזיוס. כאשר מחומם באוויר, פחם נקבובי מתחיל להתחמצן מתחת ל-100 מעלות צלזיוס, גרפיט בכ-650 מעלות צלזיוס ויהלום מעל 800 מעלות צלזיוס. בטמפרטורות של 300 מעלות צלזיוס ומעלה, פחם מתחבר עם גופרית ויוצר פחמן דיסולפיד CS 2. בטמפרטורות מעל 1800 מעלות צלזיוס, פחמן (פחם) מתחיל ליצור אינטראקציה עם חנקן, ויוצר (בכמויות קטנות) ציאנוגן C 2 N 2. האינטראקציה של פחמן עם מימן מתחילה ב-1200°C, ובטווח הטמפרטורות 1200-1500°C נוצר רק מתאן CH 4; מעל 1500 מעלות צלזיוס - תערובת של מתאן, אתילן (C 2 H 4) ואצטילן (C 2 H 2); בטמפרטורות בסדר גודל של 3000 מעלות צלזיוס מתקבל כמעט אך ורק אצטילן. בטמפרטורת הקשת החשמלית, פחמן נכנס לשילוב ישיר עם מתכות, סיליקון ובורון, ויוצר את הקרבידים המתאימים. דרכים ישירות או עקיפות עשויות. התקבלו תרכובות של פחמן עם כל היסודות הידועים, למעט גזים מקבוצת האפס. פחמן הוא יסוד לא מתכתי המציג כמה סימנים של אמפוטריות. לאטום הפחמן יש קוטר של 1.50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 ס"מ) והוא מכיל בכדור החיצוני 4 אלקטרונים ערכיים, שעליהם מוותרים בקלות באותה מידה או מתווספים ל-8; לכן, הערכיות הרגילה של פחמן, חמצן ומימן כאחד, היא ארבע. ברוב המכריע של התרכובות שלו, פחמן הוא ארבע-ערכי; ידועות רק מספר קטן של תרכובות של פחמן דו ערכי (חד חמצני פחמן והאצטלים שלו, איזוניטרילים, חומצה פולמינטית ומלחיה) ופחמן תלת ערכי (מה שנקרא "רדיקל חופשי").

עם חמצן, פחמן יוצר שתי תחמוצות נורמליות: פחמן דו חמצני חומצי CO 2 ופחמן חד חמצני נייטרלי CO. בנוסף, ישנם מספר תת חמצני פחמןמכיל יותר מ-1 אטום C ואין לו משמעות טכנית; מבין אלה, הידוע ביותר הוא תת חמצון בהרכב C 3 O 2 (גז עם נקודת רתיחה של +7 מעלות צלזיוס ונקודת התכה של -111 מעלות צלזיוס). התוצר הראשון של בעירה של פחמן ותרכובותיו הוא CO 2, שנוצר על פי המשוואה:

C+O 2 = CO 2 +97600 cal.

היווצרות CO במהלך בעירה לא מלאה של דלק היא תוצאה של תהליך הפחתה משני; הגורם המפחית במקרה זה הוא הפחמן עצמו, שבטמפרטורות מעל 450 מעלות צלזיוס מגיב עם CO 2 לפי המשוואה:

CO 2 +C = 2СО -38800 קלוריות;

תגובה זו הפיכה; מעל 950 מעלות צלזיוס, ההמרה של CO 2 ל-CO נעשית כמעט מלאה, המתבצעת בתנורים לייצור גז. יכולת ההפחתה האנרגטית של פחמן בטמפרטורות גבוהות משמשת גם בייצור גז מים (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) ובתהליכים מתכתיים להשגת מתכת חופשית מהתחמוצת שלה. צורות אלוטרופיות של פחמן מגיבות בצורה שונה לפעולתם של חומרי חמצון מסוימים: לדוגמה, לתערובת של KCIO 3 + HNO 3 אין השפעה על יהלום כלל, פחם אמורפי מתחמצן לחלוטין ל-CO 2, בעוד שגרפיט מייצר תרכובות ארומטיות - חומצות גרפיטיות עם הנוסחה האמפירית (C 2 OH) x ואילך חומצה מליטית C 6 (COOH) 6 . תרכובות של פחמן עם מימן - פחמימנים - הן רבות ביותר; מהם, רוב התרכובות האורגניות האחרות מיוצרות גנטית, אשר בנוסף לפחמן, לרוב כוללות H, O, N, S והלוגנים.

המגוון יוצא הדופן של תרכובות אורגניות, שמהן ידועות עד 2 מיליון, נובע מתכונות מסוימות של פחמן כיסוד. 1) פחמן מאופיין בקשר כימי חזק עם רוב היסודות האחרים, מתכתיים ולא מתכתיים, בשל כך הוא יוצר תרכובות יציבות למדי עם שניהם. כאשר הוא מתחבר עם יסודות אחרים, לפחמן יש נטייה קטנה מאוד ליצור יונים. רוב התרכובות האורגניות הן מהסוג ההומיאופולארי ואינן מתנתקות בתנאים רגילים; שבירת קשרים תוך מולקולריים בהם מצריכה פעמים רבות הוצאה של כמות משמעותית של אנרגיה. כאשר שופטים את עוצמתם של קשרים, יש, עם זאת, להבחין; א) חוזק הקשר המוחלט, נמדד תרמוכימית, וב) יכולת הקשר להישבר בהשפעת ריאגנטים שונים; שני המאפיינים האלה לא תמיד חופפים. 2) אטומי פחמן מתחברים זה לזה בקלות יוצאת דופן (לא קוטבי), יוצרים שרשראות פחמן, פתוחות או סגורות. אורכן של שרשראות כאלה אינו כפוף ככל הנראה למגבלות כלשהן; לפיכך, ידועות מולקולות יציבות למדי עם שרשראות פתוחות של 64 אטומי פחמן. ההתארכות והמורכבות של שרשראות פתוחות אינן משפיעות על חוזק החיבור של הקישורים שלהן זה עם זה או עם אלמנטים אחרים. בין שרשראות סגורות נוצרות הכי קלות טבעות בנות 6 ו-5 איברים, אם כי ידועות שרשראות טבעות המכילות בין 3 ל-18 אטומי פחמן. היכולת של אטומי פחמן להתחבר היטב מסבירה את התכונות המיוחדות של הגרפיט ואת מנגנון תהליכי החריכה; זה גם מבהיר את העובדה שפחמן אינו ידוע בצורה של מולקולות C 2 דו-אטומיות, מה שניתן לצפות באנלוגיה עם יסודות קלים אחרים שאינם מתכתיים (בצורת אדים, פחמן מורכב ממולקולות חד-אטומיות). 3) בשל האופי הלא קוטבי של הקשרים, לתרכובות פחמן רבות יש אינרטיות כימית לא רק חיצונית (אטיות תגובה), אלא גם פנימית (קושי בסידורים תוך מולקולריים). נוכחותן של "התנגדויות פסיביות" גדולות מסבכת מאוד את ההפיכה הספונטנית של צורות לא יציבות לאלו יציבות, ולעתים קרובות מפחיתה את קצב הטרנספורמציה כזו לאפס. התוצאה של זה היא האפשרות ליישום מספר גדולצורות איזומריות, יציבות כמעט באותה מידה בטמפרטורות רגילות.

אלוטרופיה ומבנה אטומי של פחמן. ניתוח קרני רנטגן אפשר לבסס בצורה מהימנה את המבנה האטומי של יהלום וגרפיט. אותה שיטת מחקר שפכה אור על שאלת קיומו של שינוי אלוטרופי שלישי של פחמן, שהיא בעצם שאלה על אמורפיות או גבישיות של פחם: אם פחם הוא צורה אמורפית, אז הוא לא יכול. לא מזוהה לא עם גרפיט ולא עם יהלום, אבל חייב להיחשב כצורה מיוחדת של פחמן, כחומר פשוט אינדיבידואלי. ביהלום, אטומי פחמן מסודרים כך שכל אטום שוכן במרכזו של טטרהדרון, שקודקודיו הם 4 אטומים סמוכים; כל אחד מהאחרונים בתורו הוא מרכזו של טטרהדרון דומה אחר; המרחקים בין אטומים סמוכים הם 1.54 Ᾰ (הקצה של קובייה יסודית של סריג הגביש הוא 3.55 Ᾰ). מבנה זה הוא הקומפקטי ביותר; הוא תואם את הקשיות הגבוהה, הצפיפות והאינרטיות הכימית של היהלום (חלוקה אחידה של כוחות הערכיות). החיבור ההדדי של אטומי פחמן בסריג היהלום זהה למולקולות של רוב התרכובות האורגניות מסדרת השומנים (דגם טטרהדרלי של פחמן). בגבישי גרפיט, אטומי פחמן מסודרים בשכבות צפופות, המרוחקות 3.35-3.41 Ᾰ אחד מהשני; הכיוון של שכבות אלה עולה בקנה אחד עם מישורי המחשוף ומטוסי הזזה במהלך עיוותים מכניים. במישור של כל שכבה, האטומים יוצרים רשת עם תאים משושה (חברות); הצד של משושה כזה הוא 1.42-1.45 Ᾰ. בשכבות סמוכות, המשושים אינם מונחים אחד מתחת לשני: צירוף המקרים האנכי שלהם חוזר על עצמו רק לאחר 2 שכבות בשלישית. שלושת הקשרים של כל אטום פחמן נמצאים באותו מישור, ויוצרים זוויות של 120°; הקשר הרביעי מכוון לסירוגין בכיוון זה או אחר מהמישור אל האטומים של שכבות שכנות. המרחקים בין אטומים בשכבה הם קבועים בהחלט, אך המרחק בין שכבות בודדות יכול להיות השתנה השפעות חיצוניות: לפיכך, בלחיצה תחת לחץ עד 5000 atm, הוא יורד ל-2.9 Ᾰ, וכאשר גרפיט מתנפח ב-HNO 3 מרוכז, הוא עולה ל-8 Ᾰ. במישור של שכבה אחת, אטומי פחמן קשורים באופן הומיאופולארי (כמו בשרשראות פחמימנים), אך הקשרים בין אטומים של שכבות סמוכות הם מתכתיים למדי באופיים; זה ברור מהעובדה שהמוליכות החשמלית של גבישי גרפיט בכיוון הניצב לשכבות גבוהה פי 100 מהמוליכות בכיוון השכבה. זֶה. לגרפיט יש תכונות של מתכת בכיוון אחד ותכונות של לא מתכת בכיוון השני. סידור אטומי הפחמן בכל שכבה של סריג הגרפיט זהה לחלוטין למולקולות של תרכובות ארומטיות גרעיניות מורכבות. תצורה זו מסבירה היטב את האניזוטרופיה החדה של גרפיט, מחשוף מפותח במיוחד, תכונות אנטי חיכוך והיווצרות תרכובות ארומטיות במהלך החמצון שלו. השינוי האמורפי של פחמן שחור קיים ככל הנראה כ צורה עצמאית(או. ראף). מבחינתו, הסביר ביותר הוא מבנה סלולרי דמוי קצף, נטול כל סדירות; הקירות של תאים כאלה נוצרים על ידי שכבות של אטומים פעיליםפַּחמָן עובי של כ-3 אטומים. בפועל, החומר הפעיל של הפחם נמצא בדרך כלל מתחת למעטפת של אטומי פחמן לא פעילים הממוקמים קרוב, בכיוון גרפי, והוא חודר על ידי תכלילים של גבישי גרפיט קטנים מאוד. כנראה שאין נקודת טרנספורמציה ספציפית של פחם → גרפיט: בין שני השינויים יש מעבר מתמשך, שבמהלכו המסה הצפופה באקראי של אטומי C של פחם אמורפי הופכת לסריג גבישי רגיל של גרפיט. בשל סידורם האקראי, אטומי פחמן בפחם אמורפי מפגינים זיקה שיורית מקסימלית, אשר (על פי רעיונותיו של לנגמייר לגבי זהות כוחות ספיחה עם כוחות ערכיות) תואמת את הספיחה הגבוהה והפעילות הקטליטית האופיינית כל כך לפחם. אטומי פחמן המכוונים בסריג הגביש מוציאים את כל הזיקה שלהם (ביהלום) על הידבקות הדדית, או רובאותו (בגרפיט); זה מתאים לירידה בפעילות הכימית ובפעילות הספיחה. ביהלום, ספיחה אפשרית רק על פני גביש בודד, בעוד שבגרפיט, ערכיות שיורית יכולה להופיע בשני המשטחים של כל סריג שטוח (ב"סדקים" בין שכבות אטומים), מה שמאושר על ידי העובדה שגרפיט יכול להתנפח בנוזלים (HNO 3) ומנגנון החמצון שלו לחומצה גרפית.

משמעות טכנית של פחמן. לגבי ב. או מ' של פחמן חופשי המתקבל במהלך תהליכי החריכה והקוקינג, אז השימוש בו בטכנולוגיה מבוסס הן על הכימיקלים שלו (אינרטיות, יכולת הפחתת) והן על התכונות הפיזיקליות שלו (התנגדות לחום, מוליכות חשמלית, יכולת ספיחה). לפיכך, קוק ופחם, בנוסף לניצול חלקי ישיר שלהם כדלק נטול להבה, משמשים לייצור דלק גזי (גזי מחולל); במטלורגיה של מתכות ברזליות ולא ברזליות - להפחתת תחמוצות מתכות (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); בטכנולוגיה כימית - כחומר מפחית בייצור סולפידים (Na, Ca, Ba) מסולפטים, מלחי כלוריד נטול מים (Mg, Al), מתחמוצות מתכות, בייצור זכוכית מסיס וזרחן - כחומר גלם עבור ייצור סידן קרביד, קרבונדום וקרבידים אחרים פחמן דיסולפיד וכו'; בענף הבנייה - כחומר מבודד תרמי. פחם רטורט וקולה משמשים כחומרים לאלקטרודות של תנורים חשמליים, אמבטיות אלקטרוליטיות ותאים גלווניים, לייצור פחמי קשת, ריאוסטטים, מברשות קומוטטור, כור היתוך וכו', וגם כזרבובית בציוד כימי מסוג מגדל. בנוסף ליישומים שלעיל, פחם משמש לייצור חד חמצני מרוכז, מלחי ציאניד, לצמנטציה של פלדה, נמצא בשימוש נרחב כסופח, כזרז לתגובות סינתטיות מסוימות, ולבסוף נכלל באבקה שחורה וחומרי נפץ אחרים והרכבים פירוטכניים.

קביעה אנליטית של פחמן. פחמן נקבע בצורה איכותית על ידי חריכה של דגימה של חומר ללא גישה לאוויר (שלא מתאים לכל החומרים) או, שהוא הרבה יותר אמין, על ידי חמצון ממצה, למשל, על ידי הסתיידות בתערובת עם תחמוצת נחושת, וכן היווצרות CO 2 מוכחת על ידי תגובות רגילות. כדי לכמת פחמן, דגימה של החומר נשרפת באווירת חמצן; ה-CO 2 המתקבל נלכד על ידי תמיסה אלקלית ונקבע לפי משקל או נפח באמצעות שיטות קונבנציונליות של ניתוח כמותי. שיטה זו מתאימה לקביעת פחמן לא רק בתרכובות אורגניות ובפחמים טכניים, אלא גם במתכות.

במאמר זה נסתכל על יסוד שהוא חלק מהטבלה המחזורית D.I. מנדלייב, כלומר פחמן. במינוח המודרני, הוא מסומן על ידי הסמל C, נכלל בקבוצה הארבע עשרה והוא "משתתף" של התקופה השנייה, בעל המספר הסידורי השישי, וה-a.u.m. = 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. הסיבה לנוכחותם של מספר רב של שינויים בפחמן היא יכולתו 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-צינוריות 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. דרכי הנשימה העליונות והריאות נפגעות לרוב. 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.

תוכן המאמר

פַּחמָן, C (קרבונאום), יסוד כימי לא מתכתי מקבוצת IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) של הטבלה המחזורית של היסודות. הוא נמצא בטבע בצורה של גבישי יהלומים (איור 1), גרפיט או פולרן וצורות אחרות והוא חלק מאורגניזמים (פחם, שמן, אורגניזמים של בעלי חיים וצמחים וכו') ו חומרים אנאורגניים(אֶבֶן גִיר, אבקת סודה לשתייהוכו.).

פחמן נפוץ, אך תכולתו בקרום כדור הארץ היא רק 0.19%.

פחמן נמצא בשימוש נרחב בצורה של חומרים פשוטים. בנוסף ליהלומים יקרי ערך, שהם נושא התכשיטים, חשיבות רבהיש יהלומים תעשייתיים - לייצור כלי שחיקה וחיתוך.

פחם וצורות אמורפיות אחרות של פחמן משמשים להפחתת צבע, טיהור, ספיחת גזים ובתחומי טכנולוגיה בהם נדרשים סופחים בעלי משטח מפותח. קרבידים, תרכובות של פחמן עם מתכות, כמו גם עם בורון וסיליקון (לדוגמה, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) מאופיינים בקשיות גבוהה ומשמשים לייצור כלי שוחקים וחיתוך. פחמן הוא חלק מפלדות וסגסוגות במצב היסוד ובצורת קרבידים. רוויה של פני השטח של יציקות פלדה עם פחמן בטמפרטורות גבוהות (צמנטציה) מגבירה משמעותית את קשיות פני השטח ועמידות בפני שחיקה. ראה גםסגסוגות.

ישנן צורות רבות ושונות של גרפיט בטבע; חלקם מתקבלים באופן מלאכותי; יש צורות אמורפיות (לדוגמה, קולה ופחם). פיח, פחם עצם, שחור מנורה ואצטילן שחור נוצרים כאשר פחמימנים נשרפים בהיעדר חמצן. מה שנקרא פחמן לבןמתקבל על ידי סובלימציה של גרפיט פירוליטי בלחץ מופחת - אלו הם גבישים שקופים זעירים של עלי גרפיט עם קצוות מחודדים.

התייחסות היסטורית.

גרפיט, יהלום ופחמן אמורפי ידועים מאז ימי קדם. זה זמן רב ידוע שניתן להשתמש בגרפיט לסימון חומרים אחרים, והשם "גרפיט" עצמו, שמקורו במילה היוונית שמשמעותה "לכתוב", הוצע על ידי א. ורנר בשנת 1789. עם זאת, ההיסטוריה של הגרפיט הוא מסובך; חומרים בעלי מאפיינים פיזיקליים דומים טעו לעתים קרובות עבורו, כגון מוליבדניט (מוליבדן גופרתי), שנחשב בעבר לגרפיט. שמות אחרים לגרפיט כוללים "עופרת שחורה", "קרביד ברזל" ו"עופרת כסף". בשנת 1779, K. Scheele קבע שניתן לחמצן גרפיט עם אוויר ליצירת פחמן דו חמצני.

יהלומים מצאו שימוש לראשונה בהודו, ובברזיל אבני חן הפכו חשובות מבחינה מסחרית בשנת 1725; מרבצים בדרום אפריקה התגלו בשנת 1867. במאה ה-20. יצרניות היהלומים העיקריות הן דרום אפריקה, זאיר, בוצואנה, נמיביה, אנגולה, סיירה לאון, טנזניה ורוסיה. יהלומים מעשה ידי אדם, שהטכנולוגיה שלהם נוצרה ב-1970, מיוצרים למטרות תעשייתיות.

אלוטרופיה.

אם היחידות המבניות של חומר (אטומים ליסודות מונואטומיים או מולקולות ליסודות ותרכובות פוליאטומיות) מסוגלות להתחבר זו עם זו ביותר מצורה גבישית אחת, תופעה זו נקראת אלוטרופיה. לפחמן יש שלושה שינויים אלוטרופיים: יהלום, גרפיט ופולרן. ביהלום, לכל אטום פחמן יש 4 שכנים מסודרים טטרהדרלית, היוצרים מבנה מעוקב (איור 1, א). מבנה זה מתאים לקוולנטיות המקסימלית של הקשר, וכל 4 האלקטרונים של כל אטום פחמן יוצרים קשרי C-C בעלי חוזק גבוה, כלומר. אין אלקטרוני הולכה במבנה. לכן, יהלום מאופיין בחוסר מוליכות, מוליכות תרמית נמוכה וקשיות גבוהה; זהו החומר הקשה ביותר הידוע (איור 2). שבירת הקשר C-C (אורך הקשר 1.54 Å, ומכאן רדיוס קוולנטי 1.54/2 = 0.77 Å) במבנה טטרהדרלי דורשת כמויות גדולות של אנרגיה, ולכן היהלום, יחד עם קשיות יוצאת דופן, מאופיין בנקודת התכה גבוהה (3550 מעלות ג).

צורה אלוטרופית נוספת של פחמן היא גרפיט, שיש לו תכונות שונות מאוד מיהלום. גרפיט הוא חומר שחור רך העשוי מגבישים מתקלפים בקלות, המאופיין במוליכות חשמלית טובה ( התנגדות חשמלית 0.0014 אוהם ס"מ). לכן, גרפיט משמש מנורות קשת ותנורים (איור 3), שבו יש צורך ליצור טמפרטורות גבוהות. גרפיט טוהר גבוה משמש בכורים גרעיניים כמנחה נויטרונים. נקודת ההיתוך שלו ב לחץ דם גבוהשווה ל-3527°C. בלחץ רגיל, הגרפיט עובר סובלימציה (מעבר ממוצק לגז) ב-3780°C.

מבנה של גרפיט (איור 1, ב) היא מערכת של טבעות משושה מאוחדות עם אורך קשר של 1.42 Å (קצר בהרבה מאשר ביהלום), אך לכל אטום פחמן יש שלושה (ולא ארבעה, כמו ביהלום) קשרים קוולנטיים עם שלושה שכנים, והקשר הרביעי (3.4) Å) ארוך מדי עבור קשר קוולנטי וקושר באופן חלש שכבות גרפיט מקבילות זו לזו. האלקטרון הרביעי של הפחמן הוא שקובע את המוליכות התרמית והחשמלית של הגרפיט - הקשר הארוך והחזק פחות יוצר את הקומפקטיות הפחותה של הגרפיט, מה שמתבטא בקשיותו הנמוכה יותר בהשוואה ליהלום (צפיפות גרפיט 2.26 גרם/ס"מ 3, יהלום - 3.51 גרם / ס"מ 3). מאותה סיבה, הגרפיט חלקלק למגע ומפריד בקלות פתיתי חומר, ולכן הוא משמש לייצור חומר סיכה ומובילי עיפרון. הברק דמוי העופרת של העופרת נובע בעיקר מנוכחות גרפיט.

סיבי פחמן הם בעלי חוזק גבוה וניתן להשתמש בהם לייצור rayon או חוטי פחמן אחרים.

בְּ לחץ גבוהוטמפרטורה בנוכחות זרז כמו ברזל, גרפיט יכול להפוך ליהלום. תהליך זה מיושם לייצור תעשייתי של יהלומים מלאכותיים. גבישי יהלומים גדלים על פני הזרז. שיווי המשקל של גרפיט-יהלום קיים ב-15,000 atm ו-300 K או ב-4000 atm ו-1500 K. ניתן להשיג יהלומים מלאכותיים גם מפחמימנים.

צורות אמורפיות של פחמן שאינן יוצרות גבישים כוללות פחם, המתקבל על ידי חימום עץ ללא גישה לאוויר, מנורה ופיח גז, הנוצרים במהלך בעירה בטמפרטורה נמוכה של פחמימנים עם מחסור באוויר ומתעבות על משטח קר, char עצם - תערובת לסידן פוספט בתהליך ההרס רקמת עצם, וכן פחם (חומר טבעי עם זיהומים) וקוקס, שארית יבשה המתקבלת על ידי דלק קוקינג על ידי זיקוק יבש של פחם או שאריות נפט (פחמים ביטומניות), כלומר. חימום ללא גישה לאוויר. קולה משמש להיתוך ברזל יצוק ובמתכות ברזליות ולא ברזליות. במהלך הקוקינג נוצרים גם מוצרים גזים - גז תנורי קוק (H 2, CH 4, CO ועוד) ומוצרים כימיים שהם חומרי גלם לייצור בנזין, צבעים, דשנים, תרופות, פלסטיק וכו'. תרשים של המנגנון העיקרי לייצור קוק - תנור קוק - מוצג באיור. 3.

לסוגים שונים של פחם ופיח משטח מפותח ולכן משמשים כסופחים לטיהור גזים ונוזלים, וגם כזרזים. כדי להשיג צורות שונות של פחמן הם משתמשים שיטות מיוחדותטכנולוגיה כימית. גרפיט מלאכותי מיוצר על ידי סידוד אנטראציט או קולה נפט בין אלקטרודות פחמן ב-2260 מעלות צלזיוס (תהליך אצ'סון) ומשמש לייצור חומרי סיכה ואלקטרודות, במיוחד לייצור אלקטרוליטי של מתכות.

מבנה אטום הפחמן.

לגרעין של איזוטופ הפחמן היציב ביותר, מסה 12 (98.9% שפע), יש 6 פרוטונים ו-6 נויטרונים (12 נוקלונים), המסודרים בשלוש רביעיות, שכל אחת מהן מכילה 2 פרוטונים ושני נויטרונים, בדומה לגרעין ההליום. איזוטופ יציב נוסף של פחמן הוא 13 C (כ-1.1%), ובכמויות עקבות קיים בטבע איזוטופ לא יציב 14 C עם זמן מחצית חיים של 5730 שנים, אשר יש לו. ב- קרינה. כל שלושת האיזוטופים משתתפים במחזור הפחמן הרגיל של חומר חי בצורה של CO 2 . לאחר מותו של אורגניזם חי, צריכת הפחמן נפסקת וניתן לתארך עצמים המכילים C על ידי מדידת רמת הרדיואקטיביות של 14 C. ירידה ב-14 קרינת CO 2 פרופורציונלית לזמן שחלף מאז המוות. בשנת 1960, זכה וו. ליבי בפרס נובל על מחקרו עם פחמן רדיואקטיבי.

במצב הקרקע, 6 אלקטרונים של פחמן יוצרים תצורת אלקטרונים 1 ס 2 2ס 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0 . ארבעה אלקטרונים מהרמה השנייה הם ערכיות, התואמת את מיקומו של פחמן בקבוצה IVA של הטבלה המחזורית ( ס"מ. מערכת תקופתית של אלמנטים). מכיוון שנדרשת אנרגיה גדולה כדי להסיר אלקטרון מאטום בשלב הגז (כ-1070 קילו ג'ל/מול), פחמן אינו יוצר קשרים יוניים עם יסודות אחרים, שכן הדבר ידרוש הסרה של אלקטרון ליצירת יון חיובי. בעל אלקטרושליליות של 2.5, פחמן אינו מפגין זיקה אלקטרונית חזקה, ובהתאם, אינו מקבל אלקטרונים פעיל. לכן, זה לא נוטה ליצור חלקיק עם מטען שלילי. אבל קיימות תרכובות פחמן עם אופי יוני חלקי של הקשר, למשל קרבידים. בתרכובות, פחמן מציג מצב חמצון של 4. על מנת שארבעה אלקטרונים ישתתפו ביצירת קשרים, יש צורך בזוג 2 ס-אלקטרונים וקפיצת אחד מאלקטרונים אלה ב-2 p z-אֲרוּבַּתִי; במקרה זה, נוצרים 4 קשרים טטרהדרלים עם זווית ביניהם של 109°. בתרכובות, אלקטרוני הערכיות של פחמן נמשכים ממנו רק באופן חלקי, ולכן פחמן יוצר קשרים קוולנטיים חזקים בין אטומי C–C שכנים באמצעות זוג אלקטרונים משותף. אנרגיית השבירה של קשר כזה היא 335 קילו-ג'יי/מול, בעוד שעבור הקשר Si-Si היא רק 210 קילו-ג'יי-מול, ולכן שרשראות –Si-Si- ארוכות אינן יציבות. הטבע הקוולנטי של הקשר נשמר אפילו בתרכובות של הלוגנים תגובתיים מאוד עם פחמן, CF 4 ו-CCl 4. אטומי פחמן מסוגלים לתרום יותר מאלקטרון אחד מכל אטום פחמן ליצירת קשר; כך נוצרים קשרי C=C כפולים ו-CєC משולשים. גם יסודות אחרים יוצרים קשרים בין האטומים שלהם, אך רק פחמן מסוגל להיווצר שרשראות ארוכות. לכן, עבור פחמן, ידועות אלפי תרכובות, המכונות פחמימנים, שבהן הפחמן נקשר למימן ואטומי פחמן אחרים ליצירת שרשראות ארוכות או מבני טבעות. ס"מ. כימיה אורגנית.

בתרכובות אלו ניתן להחליף מימן באטומים אחרים, לרוב בחמצן, חנקן והלוגנים ליצירת מגוון תרכובות אורגניות. פחמימני פלואור חשובים ביניהם - פחמימנים שבהם מימן מוחלף בפלואור. תרכובות כאלה אינרטיות ביותר, והן משמשות כפלסטיק וחומרי סיכה (פחמימנים פלואורו, כלומר פחמימנים שבהם כל אטומי המימן מוחלפים באטומי פלואור) וכחומרי קירור בטמפרטורה נמוכה (כלורופלואורופחמנים, או פריאונים).

בשנות ה-80, פיזיקאים אמריקאים גילו מאוד קשרים מענייניםפחמן, שבו אטומי הפחמן מחוברים ל-5 או 6 גונים, ויוצרים מולקולת C 60 בצורת כדור חלול בעל סימטריה מושלמת של כדור כדורגל. מכיוון שעיצוב זה הוא הבסיס ל"כיפה הגיאודזית" שהומצאה על ידי האדריכל והמהנדס האמריקאי באקמינסטר פולר, מחלקה חדשהתרכובות נקראו "buckminsterfullerenes" או "fullerenes" (וגם בקצרה יותר - "phasyballs" או "buckyballs"). פולרנים - השינוי השלישי של פחמן טהור (פרט ליהלום וגרפיט), המורכב מ-60 או 70 (או אפילו יותר) אטומים - התקבלו על ידי פעולת קרינת לייזר על חלקיקי הפחמן הקטנים ביותר. פולרנים בעלי צורות מורכבות יותר מורכבים מכמה מאות אטומי פחמן. הקוטר של מולקולת C הוא 60 ~ 1 ננומטר. במרכזה של מולקולה כזו יש מספיק מקום כדי להכיל אטום אורניום גדול.

מסה אטומית סטנדרטית.

בשנת 1961, האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית (IUPAC) ופיזיקה אימץ את המסה של איזוטופ הפחמן 12 C כיחידה של מסה אטומית, וביטל את סולם החמצן שהיה קיים בעבר של מסות אטומיות. מסה אטומיתהפחמן במערכת זו הוא 12.011, מכיוון שהוא הממוצע לשלושת האיזוטופים הטבעיים של פחמן, תוך התחשבות בשכיחותם בטבע. ס"מ. מסה אטומית.

תכונות כימיות של פחמן וחלק מהתרכובות שלו.

כמה פיזי ו תכונות כימיותפחמן ניתנים במאמר כימיקלים אלמנטים. התגובתיות של פחמן תלויה בשינוי שלו, בטמפרטורה ובפיזור שלו. בְּ טמפרטורות נמוכותכל צורות הפחמן אינרטיות למדי, אך כאשר הן מחוממות הן מתחמצנות על ידי חמצן אטמוספרי, ויוצרות תחמוצות:

פחמן מפוזר דק בחמצן עודף עלול להתפוצץ כאשר הוא מחומם או מניצוץ. בנוסף לחמצון ישיר, יש עוד שיטות מודרניותהשגת תחמוצות.

תת חמצני פחמן

C 3 O 2 נוצר על ידי התייבשות של חומצה מאלונית מעל P 4 O 10:

C 3 O 2 יש ריח רע, הופך בקלות להידרוליזה, שוב יוצר חומצה מאלונית.

חד תחמוצת הפחמן (II). CO נוצר במהלך החמצון של כל שינוי של פחמן בתנאים של חוסר חמצן. התגובה היא אקסותרמית, משתחרר 111.6 קילו ג'ל/מול. קולה מגיב עם מים בטמפרטורת חום לבן: C + H 2 O = CO + H 2 ; מתהווה תערובת גזנקרא "גז מים" והוא דלק גז. CO נוצר גם במהלך בעירה לא מלאה של מוצרי נפט; הוא נמצא בכמויות ניכרות בפליטות מכוניות; הוא מתקבל במהלך פירוק תרמי של חומצה פורמית:

מצב החמצון של פחמן ב-CO הוא +2, ומכיוון שפחמן יציב יותר במצב חמצון +4, CO מתחמצן בקלות על ידי חמצן ל-CO 2: CO + O 2 → CO 2, תגובה זו היא מאוד אקסותרמית (283 קילו-ג'יי). /מול). CO משמש בתעשייה בתערובת עם H2 וגזים דליקים אחרים כחומר דלק או מפחית גזים. כאשר מחומם ל-500°C, CO יוצר C ו-CO 2 במידה ניכרת, אך ב-1000°C נוצר שיווי משקל בריכוזים נמוכים של CO 2. CO מגיב עם כלור, יוצר פוסגן - COCl 2, תגובות עם הלוגנים אחרים מתרחשים באופן דומה, בתגובה עם גופרית קרבוניל גופרתי מתקבל COS, עם מתכות (M) CO יוצר קרבונילים בהרכבים שונים M(CO) איקס, שהן תרכובות מורכבות. קרבוניל ברזל נוצר כאשר המוגלובין בדם מגיב עם CO, ומונע את התגובה של המוגלובין עם חמצן, שכן קרבוניל ברזל הוא תרכובת חזקה יותר. כתוצאה מכך נחסמת תפקוד ההמוגלובין כנשא של חמצן לתאים, שלאחר מכן מתים (ותאי המוח מושפעים בעיקר). (ומכאן שם נוסף ל-CO - "חד חמצני פחמן"). כבר 1% (נפח) CO באוויר מסוכן לבני אדם אם הם נמצאים באטמוספירה כזו יותר מ-10 דקות. כמה תכונות פיזיקליות של CO ניתנות בטבלה.

פחמן דו חמצני, או פחמן חד חמצני (IV) CO 2 נוצר על ידי בעירה של פחמן יסודי בעודף חמצן עם שחרור חום (395 קילו ג'ל/מול). CO 2 (השם הטריוויאלי הוא "פחמן דו חמצני") נוצר גם במהלך חמצון מוחלט של CO, מוצרי נפט, בנזין, שמנים ותרכובות אורגניות אחרות. כאשר קרבונטים מומסים במים, CO 2 משתחרר גם כתוצאה מהידרוליזה:

תגובה זו משמשת לעתים קרובות במעבדה לייצור CO 2. ניתן להשיג גז זה גם על ידי סידוד של ביקרבונט מתכת:

במהלך אינטראקציה בשלבי גז של קיטור מחומם עם CO:

בעת שריפת פחמימנים ונגזרות החמצן שלהם, למשל:

הם מתחמצנים באופן דומה מוצרי מזוןבאורגניזם חי עם שחרור של אנרגיה תרמית ואחרת. במקרה זה, חמצון מתרחש בתנאים קלים דרך שלבי ביניים, אבל מוצרים סופייםאותו הדבר - CO 2 ו- H 2 O, כמו, למשל, במהלך פירוק סוכרים תחת פעולת אנזימים, במיוחד במהלך התסיסה של גלוקוז:

ייצור בקנה מידה גדול של פחמן דו חמצני ותחמוצות מתכות מתבצע בתעשייה על ידי פירוק תרמי של קרבונטים:

CaO משמש בכמויות גדולות בטכנולוגיית ייצור מלט. היציבות התרמית של קרבונטים וצריכת החום לפירוקם לפי תכנית זו גדלות בסדרת CaCO 3 ( ראה גםמניעת שריפות והגנה מפני שריפות).

מבנה אלקטרוני של תחמוצות פחמן.

ניתן לתאר את המבנה האלקטרוני של כל פחמן חד חמצני על ידי שלוש תוכניות סבירות באותה מידה עם סידורים שונים של זוגות אלקטרונים - שלוש צורות תהודה:

לכל תחמוצות הפחמן יש מבנה ליניארי.

חומצה פחמנית.

כאשר CO 2 מגיב עם מים, נוצרת חומצה פחמית H 2 CO 3. בתמיסה רוויה של CO 2 (0.034 מול/ליטר), רק חלק מהמולקולות יוצרות H 2 CO 3, ורוב ה-CO 2 נמצא במצב hydrated CO 2 CHH 2 O.

קרבונטים.

קרבונטים נוצרים על ידי אינטראקציה של תחמוצות מתכות עם CO 2, למשל, Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

למעט פחמתי מתכת אלקלי, השאר כמעט בלתי מסיסים במים, וסידן פחמתי מסיס חלקית בחומצה פחמית או בתמיסה של CO 2 במים בלחץ:

תהליכים אלו מתרחשים במי תהום הזורמים בשכבת אבן הגיר. בתנאים לחץ נמוךואידוי ממי תהום המכילים Ca(HCO 3) 2, CaCO 3 מושקע. כך גדלים נטיפים וזקיפים במערות. הצבע של תצורות גיאולוגיות מעניינות אלה מוסבר על ידי נוכחות של זיהומים במימי ברזל, נחושת, מנגן וכרום יוני. פחמן דו חמצני מגיב עם הידרוקסידי מתכת ותמיסותיהם ליצירת ביקרבונטים, למשל:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

CCl 4 טטרכלוריד הוא חומר לא דליק, המשמש כממס בתהליכי ניקוי יבש, אך לא מומלץ להשתמש בו כמעכב להבה, שכן בטמפרטורות גבוהות נוצר פוסגן רעיל (חומר רעיל בגז). CCl 4 עצמו הוא גם רעיל, ובשאיפה בכמויות ניכרות, עלול לגרום להרעלת כבד. CCl 4 נוצר גם על ידי התגובה הפוטוכימית בין מתאן CH 4 ו- Cl 2; במקרה זה, היווצרות של מוצרים של הכלרה לא מלאה של מתאן - CHCl 3, CH 2 Cl 2 ו-CH 3 Cl - אפשרי. תגובות מתרחשות באופן דומה עם הלוגנים אחרים.

תגובות של גרפיט.

גרפיט כשינוי של פחמן, המאופיין במרחקים גדולים בין שכבות הטבעות המשושה, נכנס לתגובות חריגות, למשל, מתכות אלקליות, הלוגנים וכמה מלחים (FeCl 3) חודרים בין השכבות ויוצרים תרכובות כמו KC 8, KC 16 (נקרא interstitial, inclusion או clathrates). חומרי חמצון חזקים כגון KClO 3 בסביבה חומצית (חומצה גופרתית או חנקתית) יוצרים חומרים בעלי נפח גדול של סריג הגביש (עד 6 Å בין שכבות), אשר מוסבר על ידי החדרת אטומי חמצן ויצירת תרכובות. שעל פני השטח שלהן, כתוצאה מחמצון, נוצרות קבוצות קרבוקסיל (–COOH) - תרכובות כגון גרפיט מחומצן או חומצה מליטית (בנזן הקסאקרבוקסילית) C 6 (COOH) 6. בתרכובות אלו, יחס C:O יכול להשתנות בין 6:1 ל-6:2.5.

קרבידים.

פחמן יוצר תרכובות שונות הנקראות קרבידים עם מתכות, בורון וסיליקון. המתכות הפעילות ביותר (תתי קבוצות IA–IIIA) יוצרות קרבידים דמויי מלח, למשל Na 2 C 2, CaC 2, Mg 4 C 3, Al 4 C 3. בתעשייה, סידן קרביד מתקבל מקוקה ואבן גיר באמצעות התגובות הבאות:

קרבידים אינם מוליכים חשמלית, כמעט חסרי צבע, עוברים הידרוליזה ליצירת פחמימנים, למשל

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

האצטילן C 2 H 2 הנוצר מהתגובה משמש כחומר המוצא בייצור של חומרים אורגניים רבים. תהליך זה מעניין כי הוא מייצג מעבר מחומרי גלם בעלי אופי אנאורגני לסינתזה של תרכובות אורגניות. קרבידים היוצרים אצטילן בהידרוליזה נקראים אצטילן. בסיליקון ובבורון קרבידים (SiC ו-B 4 C), הקשר בין האטומים הוא קוולנטי. מתכות מעבר (יסודות של תת-קבוצות B) כשהן מחוממות עם פחמן יוצרות גם קרבידים בעלי הרכב משתנה בסדקים על פני המתכת; הקשר בהם קרוב למתכתי. כמה קרבידים מסוג זה, למשל WC, W 2 C, TiC ו-SiC, נבדלים בקשיות ועמידות גבוהה, ובעלי מוליכות חשמלית טובה. לדוגמה, NbC, TaC ו-HfC הם החומרים העמידים ביותר (mp = 4000-4200°C), דיניוביום קרביד Nb 2 C הוא מוליך-על ב-9.18 K, TiC ו-W 2 C קרובים בקשיות ליהלום, וקשיות B 4 C (אנלוגי מבני של יהלום) הוא 9.5 בסולם Mohs ( ס"מ. אורז. 2). קרבידים אינרטיים נוצרים אם הרדיוס של מתכת המעבר

נגזרות חנקן של פחמן.

קבוצה זו כוללת אוריאה NH 2 CONH 2 - דשן חנקן המשמש בצורה של תמיסה. אוריאה מתקבלת מ-NH 3 ו-CO 2 על ידי חימום בלחץ:

לציאנוגן (CN) 2 תכונות רבות הדומות להלוגנים ולעתים קרובות נקרא פסאודוהלוגן. ציאניד מתקבל על ידי חמצון קל של יון ציאניד עם חמצן, מי חמצן או יון Cu 2+: 2CN – ® (CN) 2 + 2e.

יון ציאניד, בהיותו תורם אלקטרונים, יוצר בקלות תרכובות מורכבות עם יוני מתכת מעבר. כמו CO, יון ציאניד הוא רעל, הקושר תרכובות ברזל חיוניות באורגניזם חי. ליונים מורכבים של ציאניד יש את הנוסחה הכללית -0.5 איקס, איפה איקס- מספר קואורדינציה של המתכת (חומר מורכב), שווה מבחינה אמפירית לפי שניים ממצב החמצון של יון המתכת. דוגמאות ליונים מורכבות כאלה הן (המבנה של חלק מהיונים מובא להלן) יון טטרציאנוניקלט(II) 2–, hexacyanoferrate(III) 3–, dicyanoargentate –:

קרבונילים.

פחמן חד חמצני מסוגל להגיב ישירות עם מתכות או יוני מתכת רבים, וליצור תרכובות מורכבות הנקראות קרבונילים, למשל Ni(CO) 4, Fe(CO) 5, Fe 2 (CO) 9, 3, Mo(CO) 6, 2 . ההתקשרות בתרכובות אלו דומה להתקשרות במתחמי הציאנו שתוארו לעיל. Ni(CO) 4 הוא חומר נדיף המשמש להפרדת ניקל ממתכות אחרות. הידרדרות המבנה של ברזל יצוק ופלדה במבנים קשורה לעתים קרובות להיווצרות קרבונילים. מימן יכול להיות חלק מקרבונילים, ויוצרים קרבוניל הידרידים, כגון H 2 Fe (CO) 4 ו- HCo (CO) 4, המציגים תכונות חומצהומגיב עם אלקלי:

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

ידועים גם קרבוניל הלידים, למשל Fe(CO)X 2, Fe(CO) 2 X 2, Co(CO)I 2, Pt(CO)Cl 2, כאשר X הוא כל הלוגן.

פחמימנים.

ידוע על מספר עצום של תרכובות פחמן-מימן

פחמן הוא אולי היסוד הכימי העיקרי והמדהים ביותר בכדור הארץ, כי בעזרתו נוצרת כמות עצומה של תרכובות שונות, הן אורגניות והן אורגניות. פחמן הוא הבסיס של כל היצורים החיים; אנו יכולים לומר שפחמן, יחד עם מים וחמצן, הוא הבסיס לחיים על הפלנטה שלנו! לפחמן יש מגוון צורות שאינן דומות לא בתכונות הפיזיקליות והכימיות שלהן מראה חיצוני. אבל הכל פחמן!

היסטוריה של גילוי הפחמן

פחמן ידוע לאנושות מאז ימי קדם. גרפיט ופחם שימשו את היוונים הקדמונים, ויהלומים מצאו שימוש בהודו. נכון, תרכובות דומות במראה נראו לעתים קרובות בטעות כגרפיט. עם זאת, לגרפיט היה שימוש נרחב בימי קדם, במיוחד לכתיבה. אפילו שמו בא מהמילה היוונית "גרפו" - "אני כותב". גרפיט משמש כעת בעפרונות. יהלומים החלו להיסחר לראשונה בברזיל במחצית הראשונה של המאה ה-18, מאז התגלו מרבצים רבים, ובשנת 1970 פותחה הטכנולוגיה לייצור יהלומים באופן מלאכותי. יהלומים מלאכותיים כאלה משמשים בתעשייה, בעוד שיהלומים טבעיים, בתורם, משמשים בתכשיטים.

פחמן בטבע

הכמות המשמעותית ביותר של פחמן נאספת באטמוספירה ובהידרוספירה בצורה של פחמן דו חמצני. האטמוספירה מכילה כ-0.046% פחמן, ואף יותר מומס באוקיינוס ​​העולמי.

בנוסף, כפי שראינו לעיל, פחמן הוא הבסיס של אורגניזמים חיים. לדוגמה, גוף אדם במשקל 70 ק"ג מכיל כ-13 ק"ג פחמן! זה רק באדם אחד! ופחמן נמצא גם בכל הצמחים ובעלי החיים. אז קחו בחשבון...

מחזור פחמן בטבע

שינויים אלוטרופיים של פחמן

פחמן הוא יסוד כימי ייחודי שיוצר שינויים אלוטרופיים כביכול, או, יותר פשוט, צורות שונות. שינויים אלה מחולקים לגבישים, אמורפיים ובצורת אשכולות.

לשינויי קריסטל יש סריג קריסטל רגיל. קבוצה זו כוללת: יהלום, פולריט, גרפיט, לונסדלייט, סיבי פחמן וצינורות. הרוב המכריע של השינויים הגבישיים של פחמן נמצאים במקום הראשון בדירוג "החומרים הקשים בעולם".

צורות אלוטרופיות של פחמן: א) לונסדלייט; ב) יהלום;
ג) גרפיט; ד) פחמן אמורפי; ה) C60 (פולרן); ה) גרפן;
ז) ננו-צינור בעל דופן אחת

צורות אמורפיות נוצרות על ידי פחמן עם תערובות קטנות של אחרים יסודות כימיים. הנציגים העיקריים של קבוצה זו: פחם (אבן, עץ, מופעל), פיח, אנתרציט.

התרכובות המורכבות וההיי-טקיות ביותר הן תרכובות פחמן בצורת אשכולות. אשכולות הם מבנה מיוחד שבו אטומי פחמן מסודרים בצורה כזו שהם יוצרים צורה חלולה, שמתמלאת מבפנים באטומים של יסודות אחרים, למשל מים. אין הרבה נציגים בקבוצה זו; היא כוללת ננוקווני פחמן, אסטרלנים ודיקרבון.

גרפיט - ה"צד האפל" של היהלום

יישום של פחמן

לפחמן ולתרכובותיו חשיבות רבה בחיי האדם. סוגי הדלק העיקריים על פני כדור הארץ - גז טבעי ונפט - נוצרים מפחמן. תרכובות פחמן נמצאות בשימוש נרחב בתעשיות הכימיות והמטלורגיות, הבנייה, הנדסת המכונות והרפואה. שינויים אלוטרופיים בצורת יהלומים משמשים בתכשיטים, פולריט ולונסדלייט במדעי הטילים. חומרי סיכה שונים למנגנונים, ציוד טכני ועוד הרבה יותר עשויים מתרכובות פחמן. התעשייה כרגע לא יכולה בלי פחמן; הוא משמש בכל מקום!