Organinė chemija yra anglies atomo chemija. Skaičius organiniai junginiai dešimtis kartų daugiau nei neorganinių, ką galima tik paaiškinti anglies atomo ypatybės :
a) jis yra elektronegatyvumo skalės vidurys ir antrasis periodas, todėl jam nenaudinga atiduoti savuosius ir priimti svetimus elektronus bei įgyti teigiamą ar neigiamą krūvį;
b) ypatinga elektronų apvalkalo struktūra – Ne elektronų poros ir laisvosios orbitalės (yra tik vienas kitas panašios sandaros atomas – vandenilis, tikriausiai dėl to anglis ir vandenilis sudaro tiek daug junginių – angliavandenilių).
Anglies atomo elektroninė struktūra
C – 1s 2 2s 2 2p 2 arba 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0
Grafine forma:
Anglies atomas sužadintoje būsenoje turi tokią elektroninę formulę:
*C – 1s 2 2s 1 2p 3 arba 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1
Ląstelių pavidalu:
S- ir p-orbitalių forma
Atominė orbita - erdvės sritis, kurioje greičiausiai bus aptiktas elektronas, su atitinkamais kvantiniais skaičiais.
Tai trimatis elektronų „kontūrinis žemėlapis“, kuriame bangų funkcija nustato santykinę tikimybę rasti elektroną tame konkrečiame orbitos taške.
Santykiniai atominių orbitų dydžiai didėja didėjant jų energijai ( pagrindinis kvantinis skaičius- n), o jų formą ir orientaciją erdvėje lemia kvantiniai skaičiai l ir m. Orbitose esantys elektronai apibūdinami sukimosi kvantiniu skaičiumi. Kiekvienoje orbitoje gali būti ne daugiau kaip 2 elektronai su priešingais sukiniais.
Formuodamas ryšius su kitais atomais, anglies atomas transformuoja savo elektroninį apvalkalą taip, kad susiformuotų stipriausi ryšiai ir dėl to išsiskiria kuo daugiau energijos, o sistema įgauna didžiausią stabilumą.
Norint pakeisti atomo elektroninį apvalkalą, reikia energijos, kuri vėliau kompensuojama susidarant stipresniems ryšiams.
Elektronų apvalkalo transformacija (hibridizacija) gali būti daugiausia 3 tipų, priklausomai nuo atomų, su kuriais anglies atomas sudaro ryšius, skaičiaus.
Hibridizacijos tipai:
sp 3 – atomas sudaro ryšius su 4 gretimais atomais (tetraedrinė hibridizacija):
Elektroninė sp 3 formulė – hibridinis anglies atomas:
*С –1s 2 2(sp 3) 4 ląstelių pavidalu
Ryšio kampas tarp hibridinių orbitų yra ~109°.
Stereocheminė anglies atomo formulė:
sp 2 – hibridizacija ( valentingumo būsena) – atomas sudaro ryšius su 3 gretimais atomais (trigonalinė hibridizacija):
Elektroninė sp 2 formulė – hibridinis anglies atomas:
*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 ląstelių pavidalu
Ryšio kampas tarp hibridinių orbitų yra ~120°.
Stereocheminė sp 2 formulė – hibridinis anglies atomas:
sp– Hibridizacija (valentinė būsena) – atomas sudaro ryšius su 2 gretimais atomais (tiesinė hibridizacija):
Elektroninė sp – hibridinio anglies atomo formulė:
*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 ląstelių pavidalu
Ryšio kampas tarp hibridinių orbitų yra ~180°.
Stereocheminė formulė:
S-orbitalė dalyvauja visų tipų hibridizacijoje, nes jis turi minimalią energiją.
Elektronų debesies restruktūrizavimas leidžia susidaryti kuo stipresniems ryšiams ir minimaliai atomų sąveikai susidariusioje molekulėje. Kuriame hibridinės orbitalės gali būti netapačios, bet ryšio kampai gali skirtis, pavyzdžiui, CH2Cl2 ir CCl4
2. Kovalentiniai ryšiai anglies junginiuose
Kovalentiniai ryšiai, savybės, formavimo būdai ir priežastys – mokyklinė programa.
Leisk man tik priminti:
1. Švietimo komunikacijos Tarp atomų galima laikyti jų atominių orbitalių persidengimo rezultatą, ir kuo jis efektyvesnis (kuo didesnis persidengimo integralas), tuo stipresnis ryšys.
Apskaičiuotais duomenimis, santykiniai atominių orbitų persidengimo efektyvumai S rel didėja taip:
Todėl naudojant hibridines orbitales, tokias kaip sp 3 anglies orbitalės, ryšiams su keturiais vandenilio atomais sudaryti, ryšiai yra stipresni.
2. Kovalentiniai ryšiai anglies junginiuose susidaro dviem būdais:
A)Jei dvi atominės orbitalės persidengia išilgai savo pagrindinių ašių, gaunamas ryšys vadinamas - σ ryšys.
Geometrija. Taigi, kai metane susidaro ryšiai su vandenilio atomais, keturios hibridinės anglies atomo sp 3 ~ orbitalės persidengia su keturių vandenilio atomų s-orbitalės, sudarydamos keturias vienodas stiprias σ jungtis, esančias 109°28" kampu kiekvienai. kita (standartinis tetraedrinis kampas) Panaši griežtai simetriška tetraedrinė struktūra taip pat susidaro, pavyzdžiui, formuojantis CCl 4; jei atomai, sudarantys ryšius su anglimi, yra nelygūs, pvz., CH 2 C1 2 atveju, erdvinė struktūra bus šiek tiek skiriasi nuo visiškai simetriškos, nors iš esmės išlieka tetraedrinis.
σ jungties ilgis tarp anglies atomų priklauso nuo atomų hibridizacijos ir mažėja pereinant nuo sp 3 - hibridizacijos į sp. Tai paaiškinama tuo, kad s orbitalė yra arčiau branduolio nei p orbitalė, todėl kuo didesnė jos dalis hibridinėje orbitoje, tuo ji trumpesnė, taigi ir susiformuoja trumpesnis ryšys.
B) Jei dvi atominės p -orbitos, esančios lygiagrečiai viena kitai, atlieka šoninį persidengimą virš ir žemiau plokštumos, kurioje yra atomai, tada susidariusi jungtis vadinama - π (pi) - bendravimas
Šoninis sutapimas atominės orbitalės yra mažiau efektyvios nei persidengimas išilgai pagrindinės ašies, taigi π - ryšiai yra ne tokie stiprūs σ - jungtys. Tai visų pirma pasireiškia tuo, kad dvigubos anglies-anglies jungties energija yra mažesnė nei dvigubai didesnė už vienos jungties energiją. Taigi, C-C jungties energija etane yra 347 kJ/mol, o C = C jungties energija etene yra tik 598 kJ/mol, o ne ~ 700 kJ/mol.
Dviejų atominių 2p orbitalių šoninio persidengimo laipsnis , taigi ir jėgos π -ryšiai yra didžiausi, jei yra du anglies atomai ir keturi su jais susiję atomai išsidėstę griežtai vienoje plokštumoje, t.y. jei jie koplanarinis , nes tik šiuo atveju atominės 2p orbitalės yra tiksliai lygiagrečios viena kitai ir todėl gali maksimaliai sutapti. Bet koks nukrypimas nuo koplaninės būsenos dėl sukimosi aplinkui σ - ryšys, jungiantis du anglies atomus, sumažins persidengimo laipsnį ir atitinkamai sumažės stiprumas π -ryšis, kuris taip padeda išlaikyti molekulės lygumą.
Rotacija aplink anglies-anglies dviguba jungtis neįmanoma.
Paskirstymas π -elektronai virš ir žemiau molekulės plokštumos reiškia egzistavimą neigiamo krūvio sritis, paruoštas sąveikauti su bet kokiais elektronų trūkumo reagentais.
Deguonies, azoto ir kt. atomai taip pat turi skirtingas valentines būsenas (hibridizaciją), o jų elektronų poros gali būti ir hibridinėje, ir p-orbitalėje.
ANGLIS, C, periodinės lentelės IV grupės cheminis elementas, atominė masė 12,00, serijos numeris 6. Dar visai neseniai buvo laikoma, kad anglis izotopų neturi; Tik neseniai, naudojant ypač jautrius metodus, buvo įmanoma aptikti C 13 izotopo egzistavimą. Anglis yra viena iš esminiai elementai dėl paplitimo, junginių gausos ir įvairovės, biologinės reikšmės (kaip organogeno), plačiu techniniu pačios anglies ir jos junginių panaudojimu (kaip žaliava ir kaip energijos šaltinis pramonės ir buities reikmėms) ir galiausiai dėl savo vaidmens chemijos mokslo raidoje. Laisvoje anglies būsenoje būdingas ryškus alotropijos reiškinys, žinomas daugiau nei pusantro šimtmečio, bet vis dar nėra iki galo ištirtas tiek dėl itin sudėtingų chemiškai grynos anglies gavimo sunkumų, tiek dėl daugelio konstantų. alotropinės anglies modifikacijos labai skiriasi priklausomai nuo jų struktūros morfologinių ypatybių, nulemtų gamybos būdo ir sąlygų.
Anglis sudaro dvi kristalines formas - deimantą ir grafitą, taip pat žinoma amorfinėje būsenoje vadinamojo pavidalo. amorfinė anglis. Pastarųjų tapatybė buvo ginčijama dėl naujausių tyrimų: anglys buvo identifikuotos su grafitu, abu laikant tos pačios formos morfologinėmis atmainomis - „juodoji anglis“, ir paaiškintas jų savybių skirtumas. fizinė struktūra ir medžiagos sklaidos laipsnį. Tačiau pačioje Pastaruoju metu buvo gauti faktai, patvirtinantys anglies, kaip ypatingos alotropinės formos, egzistavimą (žr. toliau).
Natūralūs anglies šaltiniai ir atsargos. Pagal paplitimą gamtoje anglis užima 10 vietą tarp elementų ir sudaro 0,013% atmosferos, 0,0025% hidrosferos ir apie 0,35% visos žemės plutos masės. Didžioji dalis anglies yra deguonies junginių pavidalu: atmosferos ore yra ~800 milijardų tonų anglies CO 2 dioksido pavidalu; vandenynų ir jūrų vandenyje - iki 50 000 milijardų tonų anglies CO 2, anglies rūgšties jonų ir bikarbonatų pavidalu; uolienose – netirpūs karbonatai (kalcis, magnis ir kiti metalai), o vien CaCO 3 dalis sudaro ~160·10 6 milijardus tonų anglies. Tačiau šie milžiniški rezervai neatspindi jokios energetinės vertės; daug vertingesnės yra degios anglies medžiagos – iškastinės anglys, durpės, vėliau nafta, angliavandenilių dujos ir kiti natūralūs bitumai. Šių medžiagų atsargos žemės plutoje taip pat gana nemažos: bendra anglies masė iškastinėse anglies siekia ~6000 milijardų tonų, naftoje ~10 milijardų tonų ir tt Laisvoje būsenoje anglis yra gana reta (deimantas ir dalis grafito medžiaga). Fosilinėse anglies laisvosios anglies beveik arba visai nėra: jos susideda iš Ch. arr. didelės molekulinės masės (policikliniai) ir labai stabilūs anglies junginiai su kitais elementais (H, O, N, S) dar labai mažai tyrinėti. Gyvosios gamtos anglies junginiai (biosfera gaublys), sintetinami augalų ir gyvūnų ląstelėse, išsiskiria itin daugybe savybių ir sudėties kiekių; Energijos išteklių vaidmenį atlieka ir dažniausiai augalų pasaulyje paplitusios medžiagos – skaidulos ir ligninas. Anglis palaiko pastovų pasiskirstymą gamtoje dėl nenutrūkstamo ciklo, kurio ciklas susideda iš sudėtingų organinių medžiagų sintezės augalų ir gyvūnų ląstelėse ir atvirkštinio šių medžiagų skaidymosi oksidacinio skaidymosi (degimo, irimo, kvėpavimo) metu. iki CO 2 susidarymo, kuris vėl naudojamas augalų sintezei. Bendra šio ciklo schema galėtų būti pateikiama tokia forma:
Anglies gamyba. Augalinės ir gyvūninės kilmės anglies junginiai yra nestabilūs aukštoje temperatūroje ir kaitinami bent iki 150-400°C nepasiekiant oro, suyra, išskirdami vandenį ir lakiuosius anglies junginius ir palikdami kietą nelakią nuosėdą, kurioje gausu anglies ir dažniausiai. vadinama anglimi. Šis pirolitinis procesas vadinamas anglėjimu arba sausuoju distiliavimu ir plačiai naudojamas technologijoje. Aukštos temperatūros iškastinių anglių, naftos ir durpių pirolizė (450-1150°C temperatūroje) sukelia anglies išsiskyrimą grafito pavidalu (kokso, retortinės anglies). Kuo aukštesnė pradinių medžiagų apanglėjimo temperatūra, tuo anglis arba koksas yra artimesnės laisvosios anglies sudėties ir grafito savybėms.
Amorfinė anglis, susidariusi žemesnėje nei 800°C temperatūroje, negali. laikome laisvąja anglimi, nes joje yra daug chemiškai surištų kitų elementų, Ch. arr. vandenilis ir deguonis. Iš techninių produktų savo savybėmis artimiausios amorfinės anglies Aktyvuota anglis ir suodžių. Gali būti gryniausia anglis gaunamas sudeginant gryną cukrų arba piperonalą, specialus dujų suodžių apdorojimas ir kt. Dirbtinis grafitas, gaunamas elektroterminiu būdu, yra beveik grynos anglies sudėties. Natūralus grafitas visada yra užterštas mineralinėmis priemaišomis, taip pat turi tam tikrą kiekį surišto vandenilio (H) ir deguonies (O); santykinai grynoje būsenoje gali. gaunamas tik po kelių specialių apdorojimų: mechaninio sodrinimo, plovimo, apdorojimo oksiduojančiomis medžiagomis ir kalcinavimo aukštos temperatūros kol visiškai pasišalins lakiosios medžiagos. Anglies technologijoje niekada nedirbama su visiškai gryna anglimi; Tai taikoma ne tik natūralioms anglies žaliavoms, bet ir jos sodrinimo, tobulinimo ir terminio skilimo (pirolizės) produktams. Toliau pateikiamas kai kurių anglies turinčių medžiagų anglies kiekis (%):
Fizikinės anglies savybės. Laisva anglis yra beveik visiškai netirpsta, nelaki ir įprastoje temperatūroje netirpi jokiuose žinomuose tirpikliuose. Jis tirpsta tik kai kuriuose išlydytuose metaluose, ypač kai temperatūra artėja prie pastarųjų virimo temperatūros: geležyje (iki 5 %), sidabre (iki 6 %) | rutenis (iki 4%), kobaltas, nikelis, auksas ir platina. Trūkstant deguonies, anglis yra karščiui atspariausia medžiaga; skysta būsena nes gryna anglis nežinoma, o jos virsti garais prasideda tik esant aukštesnei nei 3000°C temperatūrai. Todėl anglies savybių nustatymas buvo atliktas tik kietai agregacijai. Iš anglies modifikacijų deimantas turi pastoviausias fizines savybes; grafito savybės įvairiuose jo pavyzdžiuose (net ir gryniausiuose) labai skiriasi; Amorfinės anglies savybės dar labiau skiriasi. Lentelėje palygintos svarbiausios įvairių anglies modifikacijų fizikinės konstantos.
Deimantas yra tipiškas dielektrikas, o grafitas ir anglis turi metalinį elektrinį laidumą. Absoliučia verte jų laidumas kinta labai plačiame diapazone, tačiau anglims jis visada mažesnis nei grafito; grafituose artėja tikrų metalų laidumas. Visų anglies modifikacijų šiluminė talpa esant >1000°C temperatūrai yra pastovi 0,47. Esant žemesnei nei -180°C temperatūrai, deimanto šiluminė talpa tampa nykstanti, o esant -27°C praktiškai tampa lygi nuliui.
Cheminės anglies savybės. Kaitinant virš 1000°C, tiek deimantas, tiek anglis palaipsniui virsta grafitu, todėl jį reikėtų laikyti stabiliausia (aukštoje temperatūroje) monotropine anglies forma. Amorfinės anglies transformacija į grafitą, matyt, prasideda apie 800°C ir baigiasi 1100°C temperatūroje (šiuo paskutiniu tašku anglis praranda adsorbcinį aktyvumą ir gebėjimą vėl aktyvuotis, o jos elektrinis laidumas smarkiai padidėja ir ateityje išliks beveik pastovus). Laisvoji anglis pasižymi inertiškumu įprastoje temperatūroje ir dideliu aktyvumu aukštoje temperatūroje. Amorfinė anglis yra chemiškai aktyviausia, o deimantas – atspariausias. Pavyzdžiui, fluoras reaguoja su akmens anglimis esant 15°C temperatūrai, su grafitu tik prie 500°C, o su deimantu – 700°C temperatūroje. Kaitinant ore, akytos anglys pradeda oksiduotis žemesnėje nei 100°C temperatūroje, grafitas – apie 650°C, o deimantas – aukštesnėje nei 800°C temperatūroje. Esant 300°C ir aukštesnei temperatūrai, anglis susijungia su siera, sudarydama anglies disulfidą CS 2. Esant aukštesnei nei 1800°C temperatūrai, anglis (anglis) pradeda sąveikauti su azotu, sudarydama (mažais kiekiais) cianogeną C 2 N 2. Anglies sąveika su vandeniliu prasideda 1200°C temperatūroje, o 1200-1500°C temperatūrų intervale susidaro tik metanas CH 4; virš 1500°C – metano, etileno (C 2 H 4) ir acetileno (C 2 H 2) mišinys; 3000°C temperatūroje gaunamas beveik vien acetilenas. Esant elektros lanko temperatūrai, anglis tiesiogiai susijungia su metalais, siliciu ir boru, sudarydama atitinkamus karbidus. Gali būti tiesioginiai arba netiesioginiai būdai. buvo gauti anglies junginiai su visais žinomais elementais, išskyrus nulinės grupės dujas. Anglis yra nemetalinis elementas, turintis tam tikrų amfoteriškumo požymių. Anglies atomo skersmuo yra 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm), o išorinėje sferoje yra 4 valentiniai elektronai, kurių vienodai lengvai atsisakoma arba pridedama prie 8; todėl normalus anglies, tiek deguonies, tiek vandenilio, valentingumas yra keturi. Didžiojoje daugumoje jo junginių anglis yra keturvalentė; Yra žinoma tik nedaug dvivalentės anglies junginių (anglies monoksidas ir jo acetaliai, izonitrilai, fulminato rūgštis ir jos druskos) ir trivalenčios anglies (vadinamasis „laisvasis radikalas“).
Su deguonimi anglis sudaro du normalius oksidus: rūgštinį anglies dioksidą CO 2 ir neutralų anglies monoksidą CO. Be to, yra keletas anglies suboksidai turintys daugiau nei 1 anglies atomą ir neturintys techninės reikšmės; Iš jų geriausiai žinomas yra C 3 O 2 sudėties suboksidas (dujos, kurių virimo temperatūra yra +7 ° C, o lydymosi temperatūra -111 ° C). Pirmasis anglies ir jos junginių degimo produktas yra CO 2, susidarantis pagal lygtį:
C+O 2 = CO 2 +97600 kal.
CO susidarymas nepilno kuro degimo metu yra antrinio redukcijos proceso rezultatas; Reduktorius šiuo atveju yra pati anglis, kuri aukštesnėje nei 450°C temperatūroje reaguoja su CO 2 pagal lygtį:
CO 2 +C = 2СО -38800 cal;
ši reakcija yra grįžtama; aukštesnėje nei 950°C temperatūroje CO 2 virsta CO beveik visiškai, o tai atliekama dujas generuojančiose krosnyse. Energingas anglies redukcinis gebėjimas aukštoje temperatūroje taip pat naudojamas vandens dujų gamyboje (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) ir metalurgijos procesuose, siekiant gauti laisvą metalą iš jo oksido. Allotropinės anglies formos skirtingai reaguoja į kai kurių oksidatorių veikimą: pavyzdžiui, KCIO 3 + HNO 3 mišinys deimantui visiškai neveikia, amorfinė anglis visiškai oksiduojasi į CO 2, o grafitas gamina aromatinius junginius – grafito rūgštis. su empirine formule (C 2 OH) x ir toliau mellito rūgštis C 6 (COOH) 6 . Anglies junginių su vandeniliu – angliavandenilių – yra nepaprastai daug; iš jų genetiškai susidaro dauguma kitų organinių junginių, kuriuose, be anglies, dažniausiai yra H, O, N, S ir halogenai.
Išskirtinę organinių junginių įvairovę, kurių žinoma iki 2 mln., lemia tam tikros anglies, kaip elemento, savybės. 1) Anglis pasižymi stipriu cheminiu ryšiu su daugeliu kitų elementų, tiek metalinių, tiek nemetalinių, dėl kurių ji sudaro gana stabilius junginius su abiem. Kai anglis jungiasi su kitais elementais, ji labai mažai linkusi formuoti jonus. Dauguma organinių junginių yra homeopolinio tipo ir normaliomis sąlygomis nesiskiria; Norint nutraukti tarpmolekulinius ryšius jose, dažnai reikia išleisti daug energijos. Vertinant ryšių stiprumą, vis dėlto reikėtų atskirti; a) absoliutus jungties stiprumas, išmatuotas termochemiškai, ir b) jungties gebėjimas nutrūkti veikiant įvairiems reagentams; šios dvi savybės ne visada sutampa. 2) Anglies atomai itin lengvai (nepoliariškai) jungiasi vienas su kitu, sudarydami atviras arba uždaras anglies grandines. Tokių grandinių ilgiui, matyt, nėra taikomi jokie apribojimai; Taigi žinomos gana stabilios molekulės su atviromis 64 anglies atomų grandinėmis. Atvirų grandinių pailgėjimas ir sudėtingumas neturi įtakos jų grandžių sujungimo tarpusavyje ar su kitais elementais stiprumui. Iš uždarų grandinių lengviausiai susidaro 6 ir 5 narių žiedai, nors žinomos žiedinės grandinės, turinčios nuo 3 iki 18 anglies atomų. Anglies atomų gebėjimas tarpusavyje gerai jungtis paaiškina ypatingas grafito savybes ir anglėjimo procesų mechanizmą; tai taip pat aiškiai parodo faktą, kad anglis yra nežinoma kaip dviatominės C 2 molekulės, o to galima tikėtis pagal analogiją su kitais lengvaisiais nemetaliniais elementais (garų pavidalu anglis susideda iš monoatominių molekulių). 3) Dėl nepolinės ryšių prigimties daugelis anglies junginių turi cheminį inertiškumą ne tik išorėje (reakcijos lėtumas), bet ir viduje (vidumolekulinių pertvarkymų sunkumai). Didelių „pasyviųjų pasipriešinimų“ buvimas labai apsunkina spontanišką nestabilių formų transformaciją į stabilias, dažnai sumažindamas tokios transformacijos greitį iki nulio. To rezultatas – galimybė įgyvendinti didelis skaičius izomerinės formos, beveik vienodai stabilios įprastoje temperatūroje.
Anglies alotropija ir atominė struktūra. Rentgeno analizė leido patikimai nustatyti deimanto ir grafito atominę struktūrą. Tas pats tyrimo metodas atskleidė klausimą apie trečiosios alotropinės anglies modifikacijos egzistavimą, kuris iš esmės yra klausimas apie anglies amorfiškumą ar kristališkumą: jei anglis yra amorfinis darinys, tai negali. netapatinamas nei su grafitu, nei su deimantu, bet turi būti laikomas specialia anglies forma, kaip atskira paprasta medžiaga. Deimante anglies atomai yra išdėstyti taip, kad kiekvienas atomas yra tetraedro centre, kurio viršūnės yra 4 gretimi atomai; kiekvienas iš pastarųjų savo ruožtu yra kito panašaus tetraedro centras; atstumai tarp gretimų atomų yra 1,54 Ᾰ (kristalinės gardelės elementariojo kubo kraštas yra 3,55 Ᾰ). Ši konstrukcija yra kompaktiškiausia; jis atitinka didelį deimanto kietumą, tankį ir cheminį inertiškumą (vienodas valentinių jėgų pasiskirstymas). Anglies atomų tarpusavio ryšys deimantinėje gardelėje yra toks pat kaip ir daugumos riebalų serijos organinių junginių molekulėse (tetraedrinis anglies modelis). Grafito kristaluose anglies atomai išsidėstę tankiais sluoksniais, nutolę vienas nuo kito 3,35-3,41 Ᾰ atstumu; šių sluoksnių kryptis mechaninių deformacijų metu sutampa su skilimo plokštumomis ir slydimo plokštumomis. Kiekvieno sluoksnio plokštumoje atomai sudaro tinklelį su šešiakampėmis ląstelėmis (kompanijomis); tokio šešiakampio kraštinė yra 1,42-1,45 Ᾰ. Gretimuose sluoksniuose šešiakampiai guli vienas po kito: vertikalus jų sutapimas pasikartoja tik po 2 sluoksnių trečiajame. Trys kiekvieno anglies atomo ryšiai yra toje pačioje plokštumoje ir sudaro 120° kampus; 4-asis ryšys nukreipiamas pakaitomis viena ar kita kryptimi iš plokštumos į gretimų sluoksnių atomus. Atstumai tarp atomų sluoksnyje yra griežtai pastovūs, tačiau atstumas tarp atskirų sluoksnių gali būti pasikeitė išorinių poveikių: taigi, spaudžiant slėgiu iki 5000 atm, sumažėja iki 2,9 Ᾰ, o grafitui išsipučiant koncentruotame HNO 3 padidėja iki 8 Ᾰ. Vieno sluoksnio plokštumoje anglies atomai yra sujungti homeopoliškai (kaip angliavandenilių grandinėse), tačiau ryšiai tarp gretimų sluoksnių atomų yra gana metalinio pobūdžio; tai matyti iš to, kad grafito kristalų elektrinis laidumas statmenai sluoksniams yra ~100 kartų didesnis už laidumą sluoksnio kryptimi. Tai. grafitas turi metalo savybes viena kryptimi, o nemetalo savybes kita. Anglies atomų išsidėstymas kiekviename grafito gardelės sluoksnyje yra lygiai toks pat kaip sudėtingų branduolinių aromatinių junginių molekulėse. Ši konfigūracija gerai paaiškina aštrią grafito anizotropiją, išskirtinai išvystytą skilimą, antifrikcines savybes ir aromatinių junginių susidarymą jo oksidacijos metu. Amorfinė juodosios anglies modifikacija, matyt, egzistuoja kaip nepriklausoma forma(O. Ruffas). Jai labiausiai tikėtina, kad yra putų pavidalo ląstelinė struktūra, neturinti jokio taisyklingumo; tokių ląstelių sieneles sudaro aktyvių atomų sluoksniai anglies apie 3 atomų storio. Praktikoje anglies veiklioji medžiaga paprastai yra po grafiškai orientuotu, glaudžiai išdėstytų neaktyvių anglies atomų apvalkalu ir prasiskverbia labai mažų grafito kristalitų intarpais. Konkretaus anglies → grafito virsmo taško tikriausiai nėra: tarp abiejų modifikacijų vyksta nenutrūkstamas perėjimas, kurio metu atsitiktinai susikaupusi amorfinės anglies C atomų masė virsta taisyklinga grafito kristaline gardele. Dėl atsitiktinio išsidėstymo anglies atomai amorfinėje anglyje turi didžiausią liekamąjį afinitetą, kuris (pagal Langmuiro idėjas apie adsorbcijos jėgų tapatumą su valentinėmis jėgomis) atitinka didelę anglims būdingą adsorbciją ir katalizinį aktyvumą. Anglies atomai, orientuoti į kristalinę gardelę, visą savo afinitetą (deimantą) praleidžia abipusiam sukibimui arba dauguma jam (grafite); Tai atitinka cheminio aktyvumo ir adsorbcijos aktyvumo sumažėjimą. Deimante adsorbcija įmanoma tik vieno kristalo paviršiuje, o grafite liekamasis valentas gali atsirasti abiejuose kiekvienos plokščios gardelės paviršiuose ("plyšiuose" tarp atomų sluoksnių), ką patvirtina faktas, kad grafitas gali išsipūsti skysčiuose (HNO 3) ir jo oksidacijos iki grafito rūgšties mechanizmas.
Techninė anglies reikšmė. Kalbant apie b. arba m laisvos anglies, gautos anglinimo ir koksavimo procesų metu, tuomet jos panaudojimas technologijoje pagrįstas tiek cheminėmis (inertiškumu, redukavimo gebėjimu), tiek fizikinėmis savybėmis (atsparumas karščiui, elektrinis laidumas, adsorbcijos geba). Taigi koksas ir medžio anglis, be jų dalinio tiesioginio panaudojimo kaip beliepsnio kuro, naudojami dujiniam kurui (generatoriaus dujoms) gaminti; juodųjų ir spalvotųjų metalų metalurgijoje - metalų oksidams (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi) redukuoti; chemijos technologijoje - kaip reduktorius gaminant sulfidus (Na, Ca, Ba) iš sulfatų, bevandenių chlorido druskų (Mg, Al), iš metalų oksidų, gaminant tirpų stiklą ir fosforą - kaip žaliava kalcio karbido, karborundo ir kitų karbidų anglies disulfido gamyba ir kt.; statybos pramonėje - kaip šilumą izoliuojanti medžiaga. Retortinės anglys ir koksas naudojami kaip elektros krosnių, elektrolitinių vonių ir galvaninių elementų elektrodų, lankinių anglių, reostatų, komutatorių šepečių, lydymosi tiglių ir kt. gamybai, taip pat kaip antgalis bokšto tipo chemijos įrangoje. Be pirmiau minėtų paskirčių, medžio anglis naudojama koncentruotam anglies monoksidui, cianido druskoms gaminti, plienui cementuoti, plačiai naudojama kaip adsorbentas, kaip kai kurių sintetinių reakcijų katalizatorius ir galiausiai įtraukiama į juoduosius miltelius ir kitas sprogstamąsias medžiagas. ir pirotechnikos kompozicijos.
Analitinis anglies nustatymas. Anglis kokybiškai nustatoma suanglint medžiagos pavyzdį be prieigos prie oro (tai netinka visoms medžiagoms) arba, kas yra daug patikimiau, jį visiškai oksiduojant, pavyzdžiui, kalcinuojant mišinyje su vario oksidu ir CO 2 susidarymą įrodo įprastos reakcijos. Norint nustatyti anglies kiekį, medžiagos mėginys sudeginamas deguonies atmosferoje; susidaręs CO 2 sulaikomas šarmo tirpalu ir nustatomas pagal svorį arba tūrį, naudojant įprastinius kiekybinės analizės metodus. Šis metodas tinka anglies nustatymui ne tik organiniuose junginiuose ir techninėse anglies, bet ir metaluose.
Šiame straipsnyje apžvelgsime elementą, kuris yra periodinės lentelės D.I. Mendelejevas, būtent anglis. Šiuolaikinėje nomenklatūroje jis žymimas simboliu C, yra įtrauktas į keturioliktą grupę ir yra antrojo laikotarpio „dalyvis“, turi šeštą eilės numerį ir jo a.u.m. = 12,0107.
Atominės orbitos ir jų hibridizacija
Pradėkime pažvelgti į anglį su jos orbitomis ir jų hibridizacija – pagrindiniais jos bruožais, kurių dėka ji vis dar stebina mokslininkus visame pasaulyje. Kokia jų struktūra?
Anglies atomo hibridizacija yra išdėstyta taip, kad valentiniai elektronai užima vietas trijose orbitalėse, būtent: vienas yra 2s orbitoje, o du yra 2p orbitose. Paskutinės dvi iš trijų orbitalių viena kitos atžvilgiu sudaro 90 laipsnių kampą, o 2s orbitalė turi sferinę simetriją. Tačiau tokia nagrinėjamų orbitų išdėstymo forma neleidžia suprasti, kodėl anglis, patekusi į organinius junginius, sudaro 120, 180 ir 109,5 laipsnių kampus. Anglies atomo elektroninės struktūros formulė išreiškiama tokia forma: (He) 2s 2 2p 2.
Kilęs prieštaravimas buvo išspręstas į apyvartą įvedant atominių orbitų hibridizacijos koncepciją. Norint suprasti trikampę, variantinę C prigimtį, reikėjo sukurti tris jo hibridizacijos vaizdavimo formas. Pagrindinį indėlį į šios koncepcijos atsiradimą ir plėtrą įnešė Linusas Paulingas.
Fizinės savybės
Anglies atomo struktūra lemia tam tikrų fizinių savybių buvimą. Šio elemento atomai sudaro paprastą medžiagą – anglį, kuri turi modifikacijų. Jos struktūros pokyčių svyravimai gali suteikti gautai medžiagai skirtingas kokybines savybes. Daugelio anglies modifikacijų buvimo priežastis yra jos gebėjimas užmegzti ir formuoti įvairių tipų cheminio pobūdžio ryšius.
Anglies atomo struktūra gali skirtis, todėl jis gali turėti tam tikrą skaičių izotopinių formų. Gamtoje randama anglis susidaro naudojant du stabilios būsenos izotopus – 12 C ir 13 C – ir radioaktyviųjų savybių turintį izotopą – 14 C. Pastarasis izotopas koncentruojasi viršutiniai sluoksniaiŽemės plutoje ir atmosferoje. Dėl kosminės spinduliuotės, būtent jos neutronų, įtakos azoto atomų branduoliui susidaro radioaktyvusis izotopas 14 C. Po XX amžiaus šeštojo dešimtmečio vidurio jis pradėjo kristi į aplinką kaip žmogaus sukurtas produktas, susidaręs veikiant atominėms elektrinėms, ir dėl vandenilinės bombos panaudojimo. Radioaktyviosios anglies datavimo metodas yra pagrįstas 14 C irimo procesu, kuris plačiai pritaikytas archeologijoje ir geologijoje.
Anglies modifikacija alotropine forma
Gamtoje yra daug anglies turinčių medžiagų. Žmogus kurdamas naudoja anglies atomo struktūrą savo tikslams įvairių medžiagų, tarp kurių:
- Kristalinės anglies (deimantai, anglies nanovamzdeliai, pluoštai ir laidai, fullerenai ir kt.).
- Amorfinės anglies (aktyvinta anglis ir anglis, Skirtingos rūšys koksas, suodžiai, suodžiai, nanoputos ir antracitas).
- Anglies klasterinės formos (dikarbonai, nanokonusai ir astralen junginiai).
Atominės sandaros struktūriniai ypatumai
Anglies atomo elektroninė struktūra gali turėti skirtingą geometriją, kuri priklauso nuo jo turimų orbitų hibridizacijos lygio. Yra 3 pagrindiniai geometrijos tipai:
- Tetraedrinis – sukurtas dėl keturių elektronų poslinkio, iš kurių vienas yra s-elektronai, o trys priklauso p-elektronams. C atomas užima centrinę vietą tetraedre ir yra sujungtas keturiais lygiaverčiais sigma ryšiais su kitais atomais, užimančiais šio tetraedro viršūnę. Šis geometrinis anglies išdėstymas gali gaminti alotropus, tokius kaip deimantas ir lonsdaleitas.
- Trigonalis – savo išvaizdą lėmė trijų orbitalių poslinkis, iš kurių viena yra s, o dvi – p. Čia yra trys sigma obligacijos, kurios yra lygiavertėje padėtyje viena su kita; jie guli bendroje plokštumoje ir išlaiko 120 laipsnių kampą vienas kito atžvilgiu. Laisvoji p-orbitalė yra statmena sigma ryšio plokštumai. Grafitas turi panašią struktūrinę geometriją.
- Įstrižainė – atsiranda dėl s- ir p-elektronų maišymosi (sp hibridizacija). Elektronų debesys driekiasi bendra kryptimi ir įgauna asimetrinio hantelio formą. Laisvieji elektronai sukuria π ryšius. Dėl šios geometrinės anglies struktūros atsiranda karbinas, ypatinga modifikacijos forma.
Anglies atomai gamtoje
Anglies atomo sandarą ir savybes žmogus jau seniai svarstė ir iš jų gaunama daug įvairių medžiagų. Šio elemento atomai dėl savo unikalaus gebėjimo sudaryti skirtingus cheminius ryšius ir orbitinės hibridizacijos, sukuria daugybę skirtingų alotropinių modifikacijų, dalyvaujant tik vienam elementui, iš to paties tipo atomų - anglies.
Gamtoje anglies randama žemės plutoje; yra deimantų, grafito, įvairių degių gamtos išteklių, pavyzdžiui, naftos, antracito, rudųjų anglių, skalūnų, durpių ir kt., pavidalu. Tai yra dujų, kurias žmonės naudoja energetikos pramonėje, dalis. Anglies dioksidas užpildo Žemės hidrosferą ir atmosferą, ore pasiekia iki 0,046%, o vandenyje - iki šešiasdešimt kartų daugiau.
Žmogaus organizme C yra maždaug 21% ir daugiausia išsiskiria su šlapimu ir iškvepiamu oru. Tas pats elementas dalyvauja biologiniame cikle, jį pasisavina augalai ir sunaudoja fotosintezės procesų metu.
Anglies atomai dėl savo gebėjimo užmegzti įvairius kovalentinius ryšius ir sudaryti iš jų grandines ir net ciklus, gali sukurti daugybę organinių medžiagų. Be to, šis elementas yra saulės atmosferos dalis, kartu su vandeniliu ir azotu.
Cheminės prigimties savybės
Dabar pažvelkime į anglies atomo struktūrą ir savybes cheminiu požiūriu.
Svarbu žinoti, kad anglis pasižymi inertinėmis savybėmis esant normaliai temperatūrai, tačiau gali parodyti redukuojančias savybes aukštoje temperatūroje. Pagrindinės oksidacijos būsenos yra: + - 4, kartais +2, taip pat +3.
Dalyvauja reakcijose su daugybe elementų. Gali reaguoti su vandeniu, vandeniliu, halogenais, šarminiais metalais, rūgštimis, fluoru, siera ir kt.
Dėl anglies atomo struktūros susidaro neįtikėtinai daug medžiagų, suskirstytų į atskirą klasę. Tokie junginiai vadinami organiniais ir yra pagrįsti C. Tai įmanoma dėl šio elemento atomų savybės sudaryti polimerines grandines. Tarp žinomiausių ir plačių grupių yra baltymai (baltymai), riebalai, angliavandeniai ir angliavandenių junginiai.
Veikimo būdai
Dėl unikalios anglies atomo struktūros ir jį lydinčių savybių elementas plačiai naudojamas žmonių, pavyzdžiui, kuriant pieštukus, lydant metalinius tiglius – čia naudojamas grafitas. Deimantai naudojami kaip abrazyvai, papuošalai, grąžtai ir kt.
Farmakologija ir medicina taip pat nagrinėja anglies naudojimą įvairiuose junginiuose. Šis elementas yra plieno dalis, yra kiekvienos organinės medžiagos pagrindas, dalyvauja fotosintezės procese ir kt.
Elemento toksiškumas
Elemento anglies atomo struktūra apima buvimą pavojingas poveikisį gyvąją materiją. Anglis į mus supantį pasaulį patenka deginant anglį šiluminėse elektrinėse, yra automobilių gaminamų dujų dalis, anglies koncentrato atveju ir kt.
Anglies kiekis aerozoliuose yra didelis, todėl didėja sergančiųjų procentas. Dažniausiai pažeidžiami viršutiniai kvėpavimo takai ir plaučiai. Kai kurias ligas galima priskirti prie profesinių, pavyzdžiui, dulkių bronchitas ir pneumokoniozės grupės ligos.
14 C yra toksiškas, o jo poveikio stiprumą lemia spinduliuotės sąveika su β-dalelėmis. Šis atomas yra įtrauktas į biologinių molekulių sudėtį, įskaitant tas, kurios yra deoksi- ir ribonukleino rūgštyse. Leidžiamas 14 C kiekis darbo zonos ore laikomas 1,3 Bq/l. Didžiausias anglies kiekis, patenkantis į organizmą kvėpuojant, atitinka 3,2*10 8 Bq/metus.
Straipsnio turinys
ANGLIES, C (carboneum), periodinės elementų lentelės IVA grupės (C, Si, Ge, Sn, Pb) nemetalinis cheminis elementas. Gamtoje jis randamas deimantų kristalų (1 pav.), grafito arba fullereno ir kitų formų pavidalu ir yra organinių (anglies, naftos, gyvūnų ir augalų organizmų ir kt.) dalis ir neorganinių medžiagų(kalkakmenis, kepimo soda ir pan.).
Anglis yra plačiai paplitusi, tačiau jos kiekis žemės plutoje yra tik 0,19%.
Anglis plačiai naudojama paprastų medžiagų pavidalu. Be brangių deimantų, kurie yra papuošalų objektas, didelę reikšmę turi pramoninių deimantų – šlifavimo ir pjovimo įrankių gamybai.
Medžio anglys ir kitos amorfinės anglies formos naudojamos spalvos šalinimui, valymui, dujų adsorbcijai ir technologijos srityse, kur reikalingi adsorbentai su išvystytu paviršiumi. Karbidai, anglies junginiai su metalais, taip pat su boru ir siliciu (pavyzdžiui, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) pasižymi dideliu kietumu ir yra naudojami abrazyviniams ir pjovimo įrankiams gaminti. Anglis yra plieno ir lydinių dalis elementinėje būsenoje ir karbidų pavidalu. Plieno liejinių paviršiaus prisotinimas anglimi esant aukštai temperatūrai (cementavimas) žymiai padidina paviršiaus kietumą ir atsparumą dilimui. taip pat žr LYDINIAI.
Gamtoje yra daug įvairių grafito formų; kai kurie gaunami dirbtinai; Yra amorfinių formų (pavyzdžiui, koksas ir anglis). Deginant angliavandenilius, kai nėra deguonies, susidaro suodžiai, kaulų anglis, lempos juodumas ir acetileno juodumas. Vadinamasis balta anglis gaunami sublimuojant pirolitinį grafitą sumažintame slėgyje – tai smulkūs skaidrūs grafito lapelių kristalai smailiais kraštais.
Istorinė nuoroda.
Grafitas, deimantas ir amorfinė anglis buvo žinomi nuo antikos laikų. Jau seniai žinoma, kad grafitu galima žymėti kitas medžiagas, o patį pavadinimą „grafitas“, kilusį iš graikų kalbos žodžio, reiškiančio „rašyti“, A. Werneris pasiūlė 1789 m. Tačiau grafito istorija. yra sudėtingas; medžiagos, turinčios panašias išorines fizines savybes, dažnai buvo supainiotos su ja, pavyzdžiui, molibdenitas (molibdeno sulfidas), kažkada laikytas grafitu. Kiti grafito pavadinimai yra „juodasis švinas“, „geležies karbidas“ ir „sidabro švinas“. 1779 metais K. Scheele nustatė, kad grafitas gali būti oksiduojamas oru, kad susidarytų anglies dioksidas.
Deimantai pirmą kartą buvo panaudoti Indijoje, o Brazilijoje brangakmeniai tapo komerciškai svarbūs 1725 m.; telkiniai Pietų Afrikoje buvo aptikti 1867. 20 a. Pagrindiniai deimantų gamintojai yra Pietų Afrika, Zairas, Botsvana, Namibija, Angola, Siera Leonė, Tanzanija ir Rusija. Dirbtiniai deimantai, kurių technologija sukurta 1970 m., gaminami pramoniniais tikslais.
Allotropija.
Jei medžiagos struktūriniai vienetai (monoatominių elementų atomai arba daugiaatominių elementų ir junginių molekulės) gali jungtis tarpusavyje daugiau nei viena kristaline forma, šis reiškinys vadinamas alotropija. Anglis turi tris alotropines modifikacijas: deimantą, grafitą ir fullereną. Deimante kiekvienas anglies atomas turi 4 tetraedriškai išsidėsčiusius kaimynus, kurie sudaro kubinę struktūrą (1 pav., A). Ši struktūra atitinka maksimalų jungties kovalentiškumą, ir visi 4 kiekvieno anglies atomo elektronai sudaro didelio stiprumo C–C ryšius, t.y. Struktūroje nėra laidumo elektronų. Todėl deimantui būdingas laidumo trūkumas, mažas šilumos laidumas ir didelis kietumas; tai kiečiausia žinoma medžiaga (2 pav.). C–C ryšiui (ryšio ilgis 1,54 Å, taigi kovalentinis spindulys 1,54/2 = 0,77 Å) nutraukti tetraedrinėje struktūroje reikia daug energijos, todėl deimantui, kartu su išskirtiniu kietumu, būdinga aukšta lydymosi temperatūra (3550 °). C).
Kita alotropinė anglies forma yra grafitas, kurio savybės labai skiriasi nuo deimanto. Grafitas yra minkšta juoda medžiaga, pagaminta iš lengvai išsisluoksniuojančių kristalų, pasižyminti geru elektros laidumu ( elektrinė varža 0,0014 Ohm cm). Todėl grafitas naudojamas lankinėse lempose ir krosnyse (3 pav.), kuriose būtina sukurti aukštą temperatūrą. Didelio grynumo grafitas naudojamas branduoliniuose reaktoriuose kaip neutronų stabdiklis. Jo lydymosi temperatūra esant aukštas kraujo spaudimas lygus 3527° C. Esant normaliam slėgiui, grafitas sublimuojasi (pereina iš kieto į dujinį) esant 3780° C.
Grafito struktūra (1 pav., b) yra sujungtų šešiakampių žiedų sistema, kurios jungties ilgis yra 1,42 Å (daug trumpesnis nei deimante), tačiau kiekvienas anglies atomas turi tris (o ne keturis, kaip deimantuose) kovalentinius ryšius su trimis kaimynais ir ketvirtą ryšį (3,4). Å) yra per ilgas kovalentiniam ryšiui ir silpnai suriša lygiagrečius grafito sluoksnius vienas su kitu. Tai ketvirtasis anglies elektronas, nulemiantis grafito šilumos ir elektros laidumą – šis ilgesnis ir ne toks stiprus ryšys sudaro mažesnį grafito kompaktiškumą, o tai atsispindi mažesniame jo kietime, lyginant su deimantu (grafito tankis 2,26 g/cm 3, deimantas - 3,51 g /cm 3). Dėl tos pačios priežasties grafitas liečiant yra slidus ir lengvai atskiria medžiagos dribsnius, todėl iš jo gaminami lubrikantai ir pieštukų laideliai. Į šviną panašus švino blizgesys daugiausia atsiranda dėl grafito.
Anglies pluoštai pasižymi dideliu stiprumu ir gali būti naudojami viskozės ar kitiems daug anglies turintiems siūlams gaminti.
At aukštas spaudimas ir temperatūra, esant katalizatoriui, pavyzdžiui, geležiui, grafitas gali virsti deimantu. Šis procesas įgyvendinamas pramoninei dirbtinių deimantų gamybai. Katalizatoriaus paviršiuje auga deimantiniai kristalai. Grafito ir deimantų pusiausvyra egzistuoja esant 15 000 atm ir 300 K arba 4000 atm ir 1500 K. Dirbtinius deimantus taip pat galima gauti iš angliavandenilių.
Amorfinėms anglies formoms, kurios nesudaro kristalų, priskiriama anglis, gaunama kaitinant medieną be oro, lempos ir dujų suodžių, susidaranti angliavandenilių degimo metu žemoje temperatūroje, kai trūksta oro, ir kondensuota šaltas paviršius, kaulų anglis – kalcio fosfato priemaiša naikinimo proceso metu kaulinis audinys, taip pat anglys (natūrali medžiaga su priemaišomis) ir koksas – sausas likutis, gaunamas koksuojant kurą sausuoju anglių arba naftos likučių (bituminių anglių) distiliavimu, t.y. šildymas be oro prieigos. Koksas naudojamas ketaus lydymui, juodųjų ir spalvotųjų metalų metalurgijoje. Koksuojant taip pat susidaro dujiniai produktai – kokso krosnių dujos (H 2, CH 4, CO ir kt.) bei chemijos produktai, kurie yra žaliavos benzinui, dažams, trąšoms gaminti, vaistai, plastikai ir kt. Pagrindinio kokso gamybos aparato - kokso krosnies - schema parodyta fig. 3.
Įvairių rūšių anglis ir suodžiai turi išvystytą paviršių, todėl yra naudojami kaip adsorbentai dujoms ir skysčiams valyti, taip pat kaip katalizatoriai. Norėdami gauti įvairių formų anglies, jie naudoja specialius metodus cheminė technologija. Dirbtinis grafitas gaminamas deginant antracitą arba naftos koksą tarp anglies elektrodų 2260 °C temperatūroje (Acheson procesas) ir naudojamas tepalų ir elektrodų gamyboje, ypač metalų elektrolitinei gamybai.
Anglies atomo sandara.
Stabiliausio anglies izotopo, masės 12 (98,9 % gausa) branduolys turi 6 protonus ir 6 neutronus (12 nukleonų), išsidėsčiusius į tris kvartetus, kurių kiekviename yra 2 protonai ir du neutronai, panašūs į helio branduolį. Kitas stabilus anglies izotopas yra 13 C (apie 1,1 %), o gamtoje nedideliais kiekiais yra nestabilus 14 C izotopas, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 5730 metų. b- radiacija. Visi trys izotopai dalyvauja normaliame gyvosios medžiagos anglies cikle CO 2 pavidalu. Po gyvo organizmo mirties anglies suvartojimas sustoja, o C turinčius objektus galima datuoti išmatavus 14 C radioaktyvumo lygį. b-14 CO 2 spinduliuotė yra proporcinga laikui, praėjusiam nuo mirties. 1960 metais W. Libby buvo apdovanotas Nobelio premija už radioaktyviosios anglies tyrimus.
Pradinėje būsenoje 6 anglies elektronai sudaro 1 elektronų konfigūraciją s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0 . Keturi antrojo lygio elektronai yra valentingumas, kuris atitinka anglies padėtį periodinės lentelės IVA grupėje ( cm. PERIODINĖ ELEMENTŲ SISTEMA). Kadangi elektronui pašalinti iš atomo dujų fazėje reikia didelės energijos (apie 1070 kJ/mol), anglis nesudaro joninių ryšių su kitais elementais, nes tam, kad susidarytų teigiamas jonas, reikėtų pašalinti elektroną. Turėdama 2,5 elektronegatyvumą, anglis neturi stipraus elektronų afiniteto ir, atitinkamai, nėra aktyvus elektronų akceptorius. Todėl jis nėra linkęs sudaryti dalelių su neigiamas krūvis. Tačiau egzistuoja kai kurie anglies junginiai, kurių ryšys yra iš dalies joninis, pavyzdžiui, karbidai. Junginiuose anglies oksidacijos būsena yra 4. Kad keturi elektronai dalyvautų formuojant ryšius, būtinas poravimas 2 s-elektronai ir vieno iš šių elektronų šuolis 2 p z-orbitinė; šiuo atveju susidaro 4 tetraedriniai ryšiai, kurių kampas tarp jų yra 109°. Junginiuose anglies valentiniai elektronai iš jo pasitraukia tik iš dalies, todėl anglis sudaro stiprius kovalentinius ryšius tarp gretimų C–C atomų, naudodama bendrą elektronų porą. Tokio ryšio trūkimo energija yra 335 kJ/mol, o Si–Si jungties tik 210 kJ/mol, todėl ilgos –Si–Si– grandinės yra nestabilios. Kovalentinis ryšio pobūdis išsaugomas net labai reaktyvių halogenų junginiuose su anglimi, CF 4 ir CCl 4. Anglies atomai gali paaukoti daugiau nei vieną elektroną iš kiekvieno anglies atomo, kad sudarytų ryšį; Taip susidaro dvigubi C=C ir trigubi CєC ryšiai. Kiti elementai taip pat sudaro ryšius tarp savo atomų, tačiau gali susidaryti tik anglis ilgos grandinės. Todėl anglies atžvilgiu yra žinomi tūkstančiai junginių, vadinamų angliavandeniliais, kuriuose anglis yra prijungta prie vandenilio ir kitų anglies atomų, sudarydama ilgas grandines arba žiedo struktūras. Cm. ORGANINĖ CHEMIJA.
Šiuose junginiuose vandenilį galima pakeisti kitais atomais, dažniausiai deguonimi, azotu ir halogenais, kad susidarytų įvairūs organiniai junginiai. Tarp jų svarbūs fluorangliavandeniliai – angliavandeniliai, kuriuose vandenilis pakeistas fluoru. Tokie junginiai yra itin inertiški ir naudojami kaip plastikas ir tepalai (fluorangliavandeniliai, t. y. angliavandeniliai, kuriuose visi vandenilio atomai pakeisti fluoro atomais) ir kaip žemos temperatūros šaltnešiai (chlorfluorangliavandeniliai arba freonai).
Devintajame dešimtmetyje JAV fizikai atrado labai įdomių ryšių anglis, kurioje anglies atomai yra sujungti į 5 arba 6 gonus ir sudaro tuščiavidurio kamuolio formos C 60 molekulę, turinčią tobulą futbolo kamuolio simetriją. Kadangi šis dizainas yra „geodezinio kupolo“, kurį išrado amerikiečių architektas ir inžinierius Buckminster Fuller, pagrindas, nauja klasė junginiai buvo vadinami "buckminsterfullerenais" arba "fullerenais" (o taip pat trumpiau - "phasyballs" arba "buckyballs"). Fullerenai – trečioji grynos anglies modifikacija (išskyrus deimantą ir grafitą), susidedanti iš 60 ar 70 (ar net daugiau) atomų – buvo gauti lazerio spinduliuote veikiant mažiausias anglies daleles. Sudėtingesnių formų fullerenai susideda iš kelių šimtų anglies atomų. C molekulės skersmuo yra 60 ~ 1 nm. Tokios molekulės centre yra pakankamai vietos dideliam urano atomui sutalpinti.
Standartinė atominė masė.
1961 m. Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga (IUPAC) ir fizika priėmė anglies izotopo 12 C masę kaip atominės masės vienetą, panaikindama anksčiau egzistavusią atominių masių deguonies skalę. Atominė masė anglies kiekis šioje sistemoje yra 12,011, nes tai yra trijų natūralių anglies izotopų vidurkis, atsižvelgiant į jų gausumą gamtoje. Cm. ATOMINĖ MASĖ.
Anglies ir kai kurių jos junginių cheminės savybės.
Kai kurie fiziniai ir Cheminės savybės anglis pateikiami straipsnyje CHEMINIAI ELEMENTAI. Anglies reaktyvumas priklauso nuo jos modifikacijos, temperatūros ir dispersijos. At žemos temperatūros visos anglies formos yra gana inertiškos, tačiau kaitinamos oksiduojasi atmosferos deguonimi, sudarydamos oksidus:
Smulkiai išsklaidyta anglis deguonies perteklyje gali sprogti kaitinant arba nuo kibirkšties. Be tiesioginės oksidacijos, yra ir daugiau šiuolaikiniai metodai gauti oksidus.
Anglies suboksidas
C 3 O 2 susidaro dehidratuojant malono rūgštį virš P 4 O 10:
C 3 O 2 turi Blogas kvapas, lengvai hidrolizuojasi, vėl susidaro malono rūgštis.
Anglies (II) monoksidas CO susidaro oksiduojant bet kokią anglies modifikaciją deguonies trūkumo sąlygomis. Reakcija egzoterminė, išsiskiria 111,6 kJ/mol. Koksas reaguoja su vandeniu baltos šilumos temperatūroje: C + H 2 O = CO + H 2 ; atsirandantis dujų mišinys vadinamas „vandens dujomis“ ir yra dujinis kuras. CO susidaro ir nepilno naftos produktų degimo metu, pastebimais kiekiais randama automobilių išmetamosiose dujose, gaunamas terminės skruzdžių rūgšties disociacijos metu:
Anglies oksidacijos būsena CO yra +2, o kadangi anglis yra stabilesnė esant +4 oksidacijos būsenai, CO lengvai oksiduojamas deguonimi iki CO 2: CO + O 2 → CO 2, ši reakcija yra labai egzoterminė (283 kJ). /mol). CO naudojamas pramonėje mišinyje su H2 ir kitomis degiosiomis dujomis kaip kuras arba dujinis reduktorius. Kaitinamas iki 500°C, CO susidaro pastebimai C ir CO 2, tačiau 1000°C temperatūroje pusiausvyra nusistovi esant mažoms CO 2 koncentracijoms. CO reaguoja su chloru, susidaro fosgenas - COCl 2, reakcijos su kitais halogenais vyksta panašiai, reaguojant su sieros karbonilo sulfidu gaunamas COS, su metalais (M) CO sudaro įvairios sudėties karbonilus M(CO) x, kurie yra sudėtingi junginiai. Geležies karbonilas susidaro, kai kraujo hemoglobinas reaguoja su CO, užkertant kelią hemoglobino reakcijai su deguonimi, nes geležies karbonilas yra stipresnis junginys. Dėl to blokuojama hemoglobino, kaip deguonies nešiklio į ląsteles, funkcija, kurios vėliau miršta (ir pirmiausia pažeidžiamos smegenų ląstelės). (Iš čia ir kitas CO pavadinimas – „anglies monoksidas“). Jau 1 % (tūrio) CO yra ore pavojingas žmonėms, jei jie tokioje atmosferoje būna ilgiau nei 10 minučių. Kai kurios fizikinės CO savybės pateiktos lentelėje.
Anglies dioksidas arba anglies monoksidas (IV) CO 2 susidaro degant elementinei anglies pertekliui deguoniui, išsiskiriant šilumai (395 kJ/mol). CO 2 (trivialus pavadinimas yra „anglies dioksidas“) taip pat susidaro visiškai oksiduojantis CO, naftos produktams, benzinui, alyvoms ir kitiems organiniams junginiams. Karbonatams ištirpus vandenyje, dėl hidrolizės taip pat išsiskiria CO 2:
Ši reakcija dažnai naudojama laboratorinėje praktikoje gaminant CO 2 . Šios dujos taip pat gali būti gaunamos kalcinuojant metalų bikarbonatus:
perkaitintų garų dujinės fazės sąveikos su CO metu:
deginant angliavandenilius ir jų deguonies darinius, pavyzdžiui:
Jie oksiduojasi panašiai maisto produktai gyvame organizme išskirdamas šiluminę ir kitų rūšių energiją. Šiuo atveju oksidacija vyksta švelniomis sąlygomis per tarpinius etapus, bet galutiniai produktai tas pats - CO 2 ir H 2 O, kaip, pavyzdžiui, skaidant cukrų veikiant fermentams, ypač fermentuojant gliukozę:
Didelio masto anglies dioksido ir metalų oksidų gamyba pramonėje vykdoma termiškai skaidant karbonatus:
CaO dideliais kiekiais naudojamas cemento gamybos technologijoje. Karbonatų terminis stabilumas ir šilumos suvartojimas jiems skaidyti pagal šią schemą didėja serijoje CaCO 3 ( taip pat žr PRIEŠGAISRINĖ PREVENCIJA IR PRIEŠGAISRINĖ APSAUGA).
Anglies oksidų elektroninė struktūra.
Bet kurio anglies monoksido elektroninę struktūrą galima apibūdinti trimis vienodai tikėtinomis schemomis su skirtingu elektronų porų išdėstymu - trimis rezonansinėmis formomis:
Visi anglies oksidai turi linijinę struktūrą.
Anglies rūgštis.
Kai CO 2 reaguoja su vandeniu, susidaro anglies rūgštis H 2 CO 3. Sočiame CO 2 tirpale (0,034 mol/l) tik dalis molekulių sudaro H 2 CO 3, o didžioji dalis CO 2 yra hidratuotos būsenos CO 2 CHH 2 O.
Karbonatai.
Karbonatai susidaro sąveikaujant metalų oksidams su CO 2, pavyzdžiui, Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.
Išskyrus šarminių metalų karbonatus, likusieji praktiškai netirpsta vandenyje, o kalcio karbonatas iš dalies tirpsta anglies rūgštyje arba CO 2 tirpale vandenyje esant slėgiui:
Šie procesai vyksta požeminiame vandenyje, tekančiame per klinčių sluoksnį. Esant sąlygoms žemas spaudimas ir išgarinant iš požeminio vandens, kuriame yra Ca(HCO 3) 2, CaCO 3 nusėda. Taip urvuose auga stalaktitai ir stalagmitai. Šių įdomių geologinių darinių spalva paaiškinama tuo, kad vandenyse yra geležies, vario, mangano ir chromo jonų priemaišų. Anglies dioksidas reaguoja su metalų hidroksidais ir jų tirpalais, sudarydamas bikarbonatus, pavyzdžiui:
CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S
CCl 4 tetrachloridas yra nedegi medžiaga, naudojama kaip tirpiklis cheminio valymo procesuose, tačiau nerekomenduojama jo naudoti kaip liepsnos slopintuvą, nes aukštoje temperatūroje susidaro toksiškas fosgenas (dujinė nuodinga medžiaga). Pats CCl 4 taip pat yra nuodingas ir, įkvėptas pastebimais kiekiais, gali sukelti kepenų apsinuodijimą. CCl 4 taip pat susidaro fotocheminės reakcijos metu tarp metano CH 4 ir Cl 2; tokiu atveju galimas nepilno metano chlorinimo produktų - CHCl 3, CH 2 Cl 2 ir CH 3 Cl - susidarymas. Reakcijos vyksta panašiai ir su kitais halogenais.
Grafito reakcijos.
Grafitas kaip anglies modifikacija, kuriai būdingi dideli atstumai tarp šešiakampių žiedų sluoksnių, vyksta neįprastose reakcijose, pavyzdžiui, tarp sluoksnių prasiskverbia šarminiai metalai, halogenai ir kai kurios druskos (FeCl 3), sudarydami junginius, tokius kaip KC 8, KC. 16 (vadinamas intersticiniu, įtraukimu arba klatratais). Stiprūs oksidatoriai, tokie kaip KClO 3 rūgščioje aplinkoje (sieros arba azoto rūgštyje), sudaro medžiagas, turinčias didelį kristalinės gardelės tūrį (tarp sluoksnių iki 6 Å), o tai paaiškinama deguonies atomų įvedimu ir junginių susidarymu. kurių paviršiuje dėl oksidacijos susidaro karboksilo grupės (–COOH) – junginiai, tokie kaip oksiduotas grafitas arba melitinė (benzeno heksakarboksirūgštis) C 6 (COOH) 6. Šiuose junginiuose C:O santykis gali svyruoti nuo 6:1 iki 6:2,5.
Karbidai.
Anglis su metalais, boru ir siliciu sudaro įvairius junginius, vadinamus karbidais. Aktyviausi metalai (IA–IIIA pogrupiai) sudaro į druskas panašius karbidus, pavyzdžiui, Na 2 C 2, CaC 2, Mg 4 C 3, Al 4 C 3. Pramonėje kalcio karbidas gaunamas iš kokso ir kalkakmenio naudojant šias reakcijas:
Karbidai yra nelaidūs elektrai, beveik bespalviai, hidrolizuojasi sudarydami angliavandenilius, pvz.
CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca(OH) 2
Reakcijos metu susidaręs acetilenas C 2 H 2 yra pradinė medžiaga daugelio organinių medžiagų gamyboje. Šis procesas yra įdomus tuo, kad jis reiškia perėjimą nuo neorganinių žaliavų prie organinių junginių sintezės. Karbidai, kurie hidrolizės metu sudaro acetileną, vadinami acetilenidais. Silicio ir boro karbiduose (SiC ir B 4 C) ryšys tarp atomų yra kovalentinis. Pereinamieji metalai (B pogrupių elementai), kaitinami su anglimi, metalo paviršiaus plyšiuose taip pat sudaro kintamos sudėties karbidus; ryšys juose artimas metaliniam. Kai kurie šio tipo karbidai, pavyzdžiui, WC, W 2 C, TiC ir SiC, pasižymi dideliu kietumu ir atsparumu ugniai bei turi gerą elektros laidumą. Pavyzdžiui, NbC, TaC ir HfC yra ugniai atspariausios medžiagos (mp = 4000–4200° C), diniobio karbidas Nb 2 C yra superlaidininkas 9,18 K temperatūroje, TiC ir W 2 C kietumas yra artimas deimantui, o kietumas B 4 C (deimanto struktūrinis analogas) yra 9,5 pagal Moso skalę ( cm. ryžių. 2). Inertiniai karbidai susidaro, jei pereinamojo metalo spindulys
Anglies azoto dariniai.
Šiai grupei priklauso karbamidas NH 2 CONH 2 – azoto trąšos, naudojamos tirpalo pavidalu. Karbamidas gaunamas iš NH 3 ir CO 2 kaitinant esant slėgiui:
Cianogenas (CN) 2 turi daug savybių, panašių į halogenus ir dažnai vadinamas pseudohalogenu. Cianidas gaunamas švelniai oksiduojant cianido joną deguonimi, vandenilio peroksidu arba Cu 2+ jonu: 2CN – ® (CN) 2 + 2e.
Cianido jonas, būdamas elektronų donoru, lengvai sudaro sudėtingus junginius su pereinamųjų metalų jonais. Kaip ir CO, cianido jonas yra nuodas, jungiantis gyvybiškai svarbius geležies junginius gyvame organizme. Cianido kompleksiniai jonai turi bendrą formulę –0,5 x, Kur X– metalo (kompleksuojančio agento) koordinacinis skaičius, empiriškai lygus dvigubam metalo jono oksidacijos laipsniui. Tokių sudėtingų jonų pavyzdžiai yra (kai kurių jonų struktūra pateikta žemiau) tetracianokelato (II) jonai 2–, heksacianoferatas (III) 3–, dicianoargentatas:
Karbonilai.
Anglies monoksidas gali tiesiogiai reaguoti su daugeliu metalų arba metalo jonų, sudarydamas sudėtingus junginius, vadinamus karbonilais, pavyzdžiui, Ni(CO) 4, Fe(CO) 5, Fe 2 (CO) 9, 3, Mo(CO) 6, 2 . Ryšys šiuose junginiuose yra panašus į aukščiau aprašytą ciano kompleksų ryšį. Ni(CO) 4 yra laki medžiaga, naudojama nikeliui atskirti nuo kitų metalų. Ketaus ir plieno struktūros pablogėjimas konstrukcijose dažnai siejamas su karbonilų susidarymu. Vandenilis gali būti karbonilų dalis, sudarydamas karbonilhidridus, tokius kaip H 2 Fe (CO) 4 ir HCo (CO) 4, rūgščių savybių ir reaguoja su šarmu:
H 2 Fe(CO) 4 + NaOH → NaHFe(CO) 4 + H 2 O
Taip pat žinomi karbonilo halogenidai, pavyzdžiui, Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, kur X yra bet koks halogenas.
Angliavandeniliai.
Yra žinoma daugybė anglies-vandenilio junginių
Anglis yra bene pagrindinis ir nuostabiausias cheminis elementas Žemėje, nes jos pagalba susidaro didžiulis kiekis įvairių junginių, tiek neorganinių, tiek organinių. Anglis yra visų gyvų būtybių pagrindas; galime sakyti, kad anglis kartu su vandeniu ir deguonimi yra gyvybės mūsų planetoje pagrindas! Anglis turi įvairių formų, kurios nėra panašios nei savo fizikinėmis, nei cheminėmis savybėmis išvaizda. Bet visa tai yra anglis!
Anglies atradimo istorija
Anglis žmonijai buvo žinoma nuo seniausių laikų. Grafitą ir anglį naudojo senovės graikai, o deimantai buvo naudojami Indijoje. Tiesa, panašios išvaizdos junginiai dažnai buvo supainioti su grafitu. Tačiau grafitas senovėje buvo plačiai naudojamas, ypač rašant. Net jo pavadinimas kilęs iš graikiško žodžio „grapho“ – „rašau“. Grafitas dabar naudojamas pieštukuose. Pirmą kartą deimantais Brazilijoje pradėta prekiauti XVIII amžiaus pirmoje pusėje, nuo to laiko buvo aptikta daug telkinių, o 1970 metais buvo sukurta dirbtinio deimantų gamybos technologija. Tokie dirbtiniai deimantai naudojami pramonėje, o natūralūs – papuošaluose.
Anglis gamtoje
Didžiausias anglies kiekis surenkamas atmosferoje ir hidrosferoje anglies dioksido pavidalu. Atmosferoje yra apie 0,046 % anglies, o Pasaulio vandenyne yra ištirpusi dar daugiau.
Be to, kaip matėme aukščiau, anglis yra gyvų organizmų pagrindas. Pavyzdžiui, 70 kg sveriančiame žmogaus kūne yra apie 13 kg anglies! Tai tik viename asmenyje! O anglies taip pat yra visuose augaluose ir gyvūnuose. Taigi apsvarstykite...
Anglies ciklas gamtoje
Allotropinės anglies modifikacijos
Anglis yra unikalus cheminis elementas, kuris sudaro vadinamąsias alotropines modifikacijas, arba, paprasčiau, įvairių formų. Šios modifikacijos skirstomos į kristalines, amorfines ir klasterių pavidalo.
Kristalų modifikacijos turi taisyklingą kristalinę gardelę. Šiai grupei priklauso: deimantas, fulleritas, grafitas, lonsdaleitas, anglies pluoštai ir vamzdeliai. Didžioji dauguma kristalinių anglies modifikacijų yra pirmoje vietoje reitinge „Kiečiausios medžiagos pasaulyje“.
Alotropinės anglies formos: a) lonsdaleitas; b) deimantas;c) grafitas; d) amorfinė anglis; e) C60 (fullerenas); e) grafenas;
g) vienasienis nanovamzdelis
Amorfines formas sudaro anglis su nedidelėmis kitų priemaišomis cheminiai elementai. Pagrindiniai šios grupės atstovai: anglis (akmuo, mediena, aktyvuota), suodžiai, antracitas.
Sudėtingiausi ir pažangiausi junginiai yra anglies junginiai klasterių pavidalu. Klasteriai yra speciali struktūra, kurioje anglies atomai yra išdėstyti taip, kad sudarytų tuščiavidurę formą, kuri iš vidaus užpildyta kitų elementų, pavyzdžiui, vandens, atomais. Šioje grupėje nėra daug atstovų, ji apima anglies nanokonusus, astralenus ir dikarboną.
Grafitas – deimanto „tamsioji pusė“.Anglies panaudojimas
Anglis ir jos junginiai turi didelę reikšmę žmogaus gyvenime. Pagrindinės kuro rūšys Žemėje – gamtinės dujos ir nafta – susidaro iš anglies. Anglies junginiai plačiai naudojami chemijos ir metalurgijos pramonėje, statyboje, mechaninėje inžinerijoje ir medicinoje. Alotropinės modifikacijos deimantų pavidalu naudojamos papuošaluose, fulleritas ir lonsdaleitas raketų moksle. Iš anglies junginių gaminami įvairūs tepalai mechanizmams, techninei įrangai ir daug daugiau. Šiuo metu pramonė neapsieina be anglies, ji naudojama visur!
