V tejto knihe sa slovo „uhlík“ objavuje pomerne často: v príbehoch o zelených listoch a železe, o plastoch a kryštáloch a v mnohých ďalších. Uhlík – „zrodenie uhlia“ – je jedným z najúžasnejších chemické prvky. Jeho história je históriou vzniku a vývoja života na Zemi, pretože je súčasťou všetkého živého na Zemi.

Ako vyzerá uhlík?

Urobme nejaké experimenty. Vezmeme cukor a zohrejeme ho bez vzduchu. Najprv sa roztopí, zhnedne a potom sčernie a zmení sa na uhlie, pričom sa uvoľní voda. Ak teraz toto uhlie zahrejete v prítomnosti , bude horieť bezo zvyšku a zmení sa na . Preto sa cukor skladal z uhlia a vody (cukor sa mimochodom nazýva uhľohydrát) a „cukrové“ uhlie je zjavne čistý uhlík, pretože oxid uhličitý je kombináciou uhlíka a kyslíka. To znamená, že uhlík je čierny, mäkký prášok.

Vezmime si šedý mäkký grafitový kameň, ktorý je vám dobre známy vďaka ceruzkám. Ak ho zohrejete v kyslíku, bude tiež horieť bezo zvyšku, aj keď o niečo pomalšie ako uhlie, a oxid uhličitý zostane v zariadení, kde horel. Znamená to, že grafit je tiež čistý uhlík? Samozrejme, ale to nie je všetko.

Ak sa diamant, priehľadný trblietavý drahokam a najtvrdší zo všetkých minerálov, zahrieva v kyslíku v tom istom zariadení, horí a mení sa na oxid uhličitý. Ak diamant zahrejete bez prístupu kyslíka, zmení sa na grafit, a to veľmi vysoké tlaky a teplotách je možné získať diamant z grafitu.

Takže uhlie, grafit a diamant sú rôzne formy existencie toho istého prvku - uhlíka.

Ešte úžasnejšia je schopnosť uhlíka „podieľať sa“ na obrovskom množstve rôznych zlúčenín (preto sa v tejto knihe tak často objavuje slovo „uhlík“).

104 prvkov periodickej tabuľky tvorí viac ako štyridsaťtisíc študovaných zlúčenín. A už je známych viac ako milión zlúčenín, ktorých základom je uhlík!

Dôvodom tejto rozmanitosti je, že atómy uhlíka môžu byť spojené medzi sebou a s inými atómami silnými väzbami, pričom vytvárajú zložité vo forme reťazcov, kruhov a iných tvarov. Žiadny prvok v tabuľke okrem uhlíka to nedokáže.

Existuje nekonečné množstvo tvarov, ktoré možno zostaviť z atómov uhlíka, a teda nekonečné množstvo možných zlúčenín. Môžu to byť veľmi jednoduché látky, napríklad osvetľovací plyn metán, v molekule ktorého sú štyri atómy viazané na jeden atóm uhlíka, a také zložité, že štruktúra ich molekúl ešte nie je stanovená. Medzi takéto látky patria

Nie je možné stručne opísať, čo je uhlík. Veď on je základom života. Tento prvok sa nachádza vo všetkých organických zlúčeninách a iba on môže vytvárať molekuly DNA z miliónov atómov. Jeho vlastnosti sú početné, takže stojí za to hovoriť o tom podrobnejšie.

Vzorec, zápis, vlastnosti

Tento prvok, nachádzajúci sa v tabuľke pod poradovým číslom šesť, je označený symbolom „C“. Elektronické štruktúrny vzorec uhlík vyzerá takto: 1s 2 2s 2 2p 2. Jeho hmotnosť je 12,0107 amu. Táto látka má:

• Dva nepárové elektróny v základnom stave. Ukazuje valenciu II.
• Štyri nepárové elektróny v excitovanom stave. Ukazuje valenciu IV.

Je potrebné poznamenať, že určitá hmotnosť uhlíka je obsiahnutá v zemskej kôre. Presnejšie 0,023 %. Akumuluje sa hlavne v hornej časti, v biosfére. Väčšina z Hmota uhlíka v litosfére sa hromadí v dolomitoch a vápencoch vo forme uhličitanov.

fyzicka charakteristika

Čo je teda uhlík? Ide o látku, ktorá existuje v obrovskom množstve alotropných modifikácií a ich fyzikálne vlastnosti Zoznam môže trvať dlho. A rozmanitosť látok je určená schopnosťou uhlíka vytvárať chemické väzby rôznych typov.

Čo sa týka vlastností uhlíka, ako jednoduchá látka? Možno ich zhrnúť takto:

• Za normálnych podmienok je hustota 2,25 g/cm³.
• Teplota varu je 3506,85 °C.
• Molárna tepelná kapacita - 8,54 J/(K.mol).
• Kritická teplota fázový prechod(keď plyn nekondenzuje pri žiadnom tlaku) - 4130 K, 12 MPa.
• Molárny objem 5,3 cm³/mol.

Za zmienku stoja aj karbónové modifikácie.

Najznámejšie kryštalické látky sú: diamant, karbín, grafit, nanodiamant, fullerit, lonsdaleit, fullerén a uhlíkové vlákna.

Medzi amorfné útvary patria: drevo, fosílie a Aktívne uhlie, antracit, koks, sklený uhlík, sadze, sadze a nanopeny.

Ale nič z vyššie uvedeného nie je čistou alotropickou formou diskutovanej látky. Sú to len chemické zlúčeniny, v ktorých je uhlík obsiahnutý vo vysokej koncentrácii.

Štruktúra

Je zaujímavé, že elektrónové orbitály atómu uhlíka nie sú rovnaké. Majú rôzne geometrie. Všetko závisí od stupňa hybridizácie. Existujú tri najbežnejšie geometrie:

• Tetraedrický. Vzniká zmiešaním troch p-elektrónov a jedného s-elektrónu. Táto geometria atómu uhlíka je pozorovaná v lonsdaleite a diamante. Metán a iné uhľovodíky majú podobnú štruktúru.
• Trigonálny. Táto geometria je tvorená zmiešaním dvoch p-elektrónových a jedného s-elektrónového orbitálu. Ďalší p-prvok sa nezúčastňuje hybridizácie, ale podieľa sa na tvorbe π-väzieb s inými atómami. Táto štruktúra je charakteristická pre fenol, grafit a iné modifikácie.
• Digonálny. Táto štruktúra sa vytvára v dôsledku miešania s- a p-elektrónov (jeden po druhom). Zaujímavé je, že elektrónové oblaky vyzerajú ako asymetrické činky. Sú natiahnuté týmto smerom. Dva ďalšie p elektróny tvoria notoricky známe π väzby. Táto geometria je typická pre karbín.

Nie je to tak dávno, v roku 2010, vedci z University of Nottingham objavili zlúčeninu, v ktorej boli štyri atómy v jednej rovine. Jeho názov je monomérny dilítiometándium.

Molekuly

Za zmienku stoja samostatne. Atómy diskutovanej látky sa môžu spájať, čo vedie k tvorbe zložitých molekúl uhlíka. Od nasýtených Na, C2 a H2, medzi ktorými je príťažlivosť príliš slabá, sa líšia svojou tendenciou kondenzovať do pevného stavu. Molekuly uhlíka môžu zostať v plynnom stave iba vtedy, ak sa udržiava vysoká teplota. V opačnom prípade látka okamžite stvrdne.

Pred časom v USA, v Berkeley National Laboratory, bol syntetizovaný nový formulár pevný uhlík. Toto je C36. A jeho molekula je tvorená 36 atómami uhlíka. Látka vzniká spolu s C60 fullerénmi. Toto sa deje medzi dvoma grafitovými elektródami v podmienkach plameňa oblúkového výboja. Vedci naznačujú, že molekuly novej látky majú zaujímavé chemicko-elektrické vlastnosti, ktoré ešte neboli preskúmané.

Grafit

Teraz môžeme podrobnejšie hovoriť o najznámejších modifikáciách látky, ako je uhlík.

Grafit je prírodný minerál s vrstvenou štruktúrou. Tu sú jeho vlastnosti:

• Veľmi dobre vedie prúd.
• Je to relatívne mäkká látka pre svoju nízku tvrdosť.
• Pri zahrievaní bez prístupu vzduchu vykazuje stabilitu.
• Netopí sa.
• Na pocit mastný a klzký.
• Prírodný grafit obsahuje 10-12% nečistôt. Spravidla ide o oxidy železa a hliny.

Ak hovoríme o chemických vlastnostiach, stojí za zmienku, že táto látka tvorí takzvané inklúzne zlúčeniny so soľami a alkalickými kovmi. Grafit tiež reaguje s kyslíkom pri vysokých teplotách a horí na oxid uhličitý. Kontakt s neoxidačnými kyselinami však nespôsobuje žiadny výsledok - táto látka sa v nich jednoducho nerozpúšťa.

Grafit sa používa v rôznych oblastiach. Používa sa pri výrobe obkladových dosiek a taviacich téglikov, pri výrobe vykurovacích telies a elektród. Bez účasti grafitu nie je možné získať syntetické diamanty. V jadrových reaktoroch zohráva aj úlohu moderátora neutrónov. A samozrejme sa z neho vyrábajú tuhy na ceruzky zmiešaním s kaolínom. A to je len časť oblastí, kde sa využíva.

diamant

Je to metastabilný minerál, ktorý môže existovať neobmedzene, čiastočne kvôli sile a hustote uhlíka. Diamant je najtvrdšia látka na Mohsovej stupnici a ľahko reže sklo.

Má vysokú tepelnú vodivosť, disperziu a index lomu. Je odolný proti opotrebeniu a na jeho roztavenie je potrebná teplota 4000 °C a tlak asi 11 GPa. Jeho zvláštnosťou je luminiscencia, schopnosť svietiť rôznymi farbami.

Ide o vzácnu, aj keď bežnú látku. Vek minerálov sa podľa určitých štúdií môže pohybovať od 100 miliónov do 2,5 miliardy rokov. Boli objavené diamanty mimozemského pôvodu, možno aj presolárne.

Tento minerál našiel svoje uplatnenie v šperkoch. Brúsený diamant, nazývaný diamant, je drahý, no jeho vzácne postavenie a krása ho urobili ešte obľúbenejším. Mimochodom, táto látka sa používa aj pri výrobe fréz, vrtákov, nožov atď. Pre svoju výnimočnú tvrdosť sa minerál používa v mnohých priemyselných odvetviach.

Carbin

Ak budeme pokračovať v téme, čo je uhlík, musíme povedať pár slov o jeho modifikácii, akou je napríklad karbín. Vyzerá ako čierny, jemne kryštalický prášok a má polovodičové vlastnosti. Umelo ho získali začiatkom 60. rokov sovietski vedci.

Zvláštnosťou tejto látky je, že jej vodivosť sa zvyšuje pod vplyvom svetla. Preto sa začal používať vo fotovoltaických článkoch.

Grafén

Toto je prvý dvojrozmerný kryštál na svete. Táto modifikácia má väčšiu mechanickú tuhosť ako grafit a rekordne vysokú tepelnú vodivosť ~5,10 3 W.m−1.K−. Nosiče náboja grafénu majú vysokú mobilitu, a preto má látka perspektívu využitia v rôzne aplikácie. Predpokladá sa, že by sa mohla stať budúcim základom nanoelektroniky a dokonca nahradiť kremík v integrovaných obvodoch.

Grafén sa vyrába umelo vo vedeckých laboratóriách. Na to je potrebné uchýliť sa k mechanickému oddeleniu grafitových vrstiev od vysoko orientovanej látky. Takto sa získajú kvalitné vzorky s požadovanou mobilitou nosiča.

Jeho vlastnosti neboli úplne preskúmané, ale vedci už zaznamenali niečo zaujímavé. Napríklad v graféne neexistuje Wingerova kryštalizácia. A v dvojitej vrstve hmoty sa správanie elektrónov podobá vlastnostiam tekutých kryštálov. Ak sa pozorujú parametre štiepenia na kryštáli, bude možné získať nanoštruktúru v tvare grafénového boxu.

Toxicita

Táto téma stojí za povšimnutie na konci príbehu o tom, čo je uhlík. Faktom je, že táto látka sa uvoľňuje do atmosféry spolu s výfukovými plynmi automobilov. A tiež pri spaľovaní uhlia, podzemnom splyňovaní a mnohých ďalších procesoch.

Zvýšená hladina tejto látky v ovzduší vedie k nárastu počtu ochorení. Týka sa to najmä pľúc a horných dýchacích ciest. A toxický účinok je dôsledkom interakcie radiačnej povahy s β-časticami, čo vedie k tomu, že chemické zloženie molekuly sa menia a menia sa aj vlastnosti látky.

Charakteristika prvku

6 C 1s 2 2s 2 2p 2

Izotopy: 12C (98,892 %); 13C (1,108 %); 14 C (rádioaktívny)

Clarke v zemskej kôre je 0,48 % hmotnosti. Formy umiestnenia:

vo voľnej forme (uhlie, diamanty);

v zložení uhličitanov (CaC03, MgC03 atď.);

ako súčasť fosílnych palív (uhlie, ropa, plyn);

vo forme CO 2 - v atmosfére (0,03 % obj.);

vo Svetovom oceáne - vo forme HCO 3 - aniónov;

v zložení živej hmoty (-18 % uhlíka).

Chémia zlúčenín uhlíka je hlavne organická chémia. Nevedomý organická chémia Skúmajú sa tieto látky obsahujúce C: voľný uhlík, oxidy (CO a CO 2), kyselina uhličitá, uhličitany a hydrogénuhličitany.

Voľný uhlík. Alotropia.

Vo voľnom stave uhlík tvorí 3 alotropické modifikácie: diamant, grafit a umelo vyrobený karbín. Tieto modifikácie uhlíka sa líšia v kryštalickej štruktúre a fyzikálnych vlastnostiach.

diamant

V diamantovom kryštáli je každý atóm uhlíka spojený silnými kovalentnými väzbami so štyrmi ďalšími, ktoré sú okolo neho umiestnené v rovnakých vzdialenostiach.

Všetky atómy uhlíka sú v stave hybridizácie sp3. Atómová kryštálová mriežka diamantu má štvorstennú štruktúru.

Diamant je bezfarebná, priehľadná, vysoko lámavá látka. Má najväčšiu tvrdosť spomedzi všetkých známych látok. Diamant je krehký, žiaruvzdorný a nevedie dobre teplo ani elektrinu. Malé vzdialenosti medzi susednými atómami uhlíka (0,154 nm) určujú pomerne vysokú hustotu diamantu (3,5 g/cm3).

Grafit

V kryštálovej mriežke grafitu je každý atóm uhlíka v stave hybridizácie sp2 a tvorí tri silné kovalentné väzby s atómami uhlíka umiestnenými v tej istej vrstve. Na tvorbe týchto väzieb sa podieľajú tri elektróny z každého atómu uhlíka a štvrté valenčné elektróny tvoria n-väzby a sú relatívne voľné (pohyblivé). Určujú elektrickú a tepelnú vodivosť grafitu.

Dĺžka kovalentnej väzby medzi susednými atómami uhlíka v rovnakej rovine je 0,152 nm a vzdialenosť medzi atómami C v rôznych vrstvách je 2,5-krát väčšia, takže väzby medzi nimi sú slabé.

Grafit je nepriehľadná, jemná, na dotyk mastná hmota šedo-čiernej farby s kovovým leskom; dobre vedie teplo a elektrinu. Grafit má v porovnaní s diamantom nižšiu hustotu a ľahko sa štiepi na tenké vločky.

Základom štruktúry je neusporiadaná štruktúra jemne kryštalického grafitu rôzne formy amorfné uhlie, z ktorých najdôležitejšie sú koks, hnedé a čierne uhlie, sadze, aktívne (aktívne) uhlie.

Carbin

Táto alotropická modifikácia uhlíka sa získava katalytickou oxidáciou (dehydropolykondenzáciou) acetylénu. Carbyne je reťazový polymér, ktorý sa dodáva v dvoch formách:

С=С-С=С-... a...=С=С=С=

Carbyne má polovodičové vlastnosti.

Chemické vlastnosti uhlíka

Pri bežných teplotách sú obe modifikácie uhlíka (diamant aj grafit) chemicky inertné. Jemné kryštalické formy grafitu - koks, sadze, aktívne uhlie - sú reaktívnejšie, ale spravidla po ich predhriatí na vysokú teplotu.

C - aktívne redukčné činidlo:

1. Interakcia s kyslíkom

C + O 2 = CO 2 + 393,5 kJ (nadbytok O 2)

2C + O 2 = 2CO + 221 kJ (s nedostatkom O 2)

Spaľovanie uhlia je jedným z najdôležitejších zdrojov energie.

2. Interakcia s fluórom a sírou.

C + 2F2 = CF4 fluorid uhličitý

C + 2S = sírouhlík CS2

3. Koks je jedným z najdôležitejších redukčných činidiel používaných v priemysle. V metalurgii sa používa na získavanie kovov z oxidov, napr.

ZS + Fe203 = 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. Keď uhlík interaguje s oxidmi alkalických kovov a kovov alkalických zemín, redukovaný kov sa spojí s uhlíkom za vzniku karbidu. Napríklad: 3S + CaO = CaC 2 + CO karbid vápnika

5. Koks sa používa aj na výrobu kremíka:

2C + Si02 = Si + 2СО

6. Pri nadbytku koksu vzniká karbid kremíka (karborundum) SiC.

Výroba „vodného plynu“ (splyňovanie tuhého paliva)

Prechodom vodnej pary cez horúce uhlie sa získa horľavá zmes CO a H2, nazývaná vodný plyn:

C + H20 = CO + H2

7. Reakcie s oxidačnými kyselinami.

Pri zahrievaní aktívne uhlie alebo drevené uhlie redukuje anióny NO 3 - a SO 4 2 - z koncentrovaných kyselín:

C + 4HN03 = C02 + 4N02 + 2H20

C + 2H2S04 = C02 + 2S02 + 2H20

8. Reakcie s roztavenými dusičnanmi alkalických kovov

Pri tavení KNO 3 a NaNO 3 drvené uhlie intenzívne horí za vzniku oslňujúceho plameňa:

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

C - nízkoaktívne oxidačné činidlo:

1. Vznik soli podobných karbidov s aktívnymi kovmi.

Výrazné oslabenie nekovových vlastností uhlíka je vyjadrené v tom, že jeho funkcie ako oxidačného činidla sa prejavujú v oveľa menšej miere ako jeho redukčné funkcie.

2. Iba pri reakciách s aktívnymi kovmi sa atómy uhlíka transformujú na negatívne nabité ióny C -4 a (C=C) 2-, pričom vznikajú karbidy podobné soli:

ZS + 4Al = Al 4 C 3 karbid hliníka

2C + Ca = CaC2 karbid vápnika

3. Iónové karbidy sú veľmi nestabilné zlúčeniny, ľahko sa rozkladajú pôsobením kyselín a vody, čo poukazuje na nestabilitu záporne nabitých aniónov uhlíka:

Al4C3 + 12H20 = ZSN4 + 4Al(OH)3

CaC2 + 2H20 = C2H2 + Ca(OH)2

4. Vznik kovalentných zlúčenín s kovmi

V taveninách zmesí uhlíka s prechodnými kovmi vznikajú karbidy prevažne s kovalentným typom väzby. Ich molekuly majú premenlivé zloženie a látky ako celok sú blízke zliatinám. Takéto karbidy sú vysoko stabilné, sú chemicky inertné voči vode, kyselinám, zásadám a mnohým ďalším činidlám.

5. Interakcia s vodíkom

Pri vysokých T a P v prítomnosti niklového katalyzátora sa uhlík spája s vodíkom:

C + 2НН 2 → СНН 4

Reakcia je vysoko reverzibilná a nemá praktický význam.

V tomto článku sa pozrieme na prvok, ktorý je súčasťou periodickej tabuľky D.I. Mendelejev, a to uhlík. V modernej nomenklatúre je označený symbolom C, je zaradený do štrnástej skupiny a je „účastníkom“ druhého obdobia, má šiesty sériové číslo, a jeho a.e.m. = 12,0107.

Atómové orbitály a ich hybridizácia

Začnime sa zaoberať uhlíkom s jeho orbitálmi a ich hybridizáciou – jeho hlavnými vlastnosťami, vďaka ktorým dodnes udivuje vedcov po celom svete. Aká je ich štruktúra?

Hybridizácia atómu uhlíka je usporiadaná tak, že valenčné elektróny obsadzujú pozície v troch orbitáloch, a to: jeden je v orbitále 2s a dva sú v orbitáloch 2p. Posledné dva z troch orbitálov zvierajú voči sebe uhol 90 stupňov a orbitál 2s má sférickú symetriu. Táto forma usporiadania uvažovaných orbitálov nám však neumožňuje pochopiť, prečo uhlík pri vstupe do organických zlúčenín vytvára uhly 120, 180 a 109,5 stupňov. Vzorec pre elektrónovú štruktúru atómu uhlíka sa vyjadruje v tejto forme: (He) 2s 2 2p 2.

Rozpor, ktorý vznikol, sa vyriešil zavedením konceptu hybridizácie atómových orbitálov do obehu. Aby sme pochopili trojuholníkovú, variantnú povahu C, bolo potrebné vytvoriť tri formy reprezentácie o jeho hybridizácii. Hlavný príspevok k vzniku a rozvoju tohto konceptu mal Linus Pauling.

Fyzikálne vlastnosti

Štruktúra atómu uhlíka určuje prítomnosť množstva určitých fyzikálnych vlastností. Atómy tohto prvku tvoria jednoduchú látku - uhlík, ktorý má modifikácie. Variácie zmien v jej štruktúre môžu výslednej látke poskytnúť rôzne kvalitatívne charakteristiky. Dôvod dostupnosti veľká kvantita modifikácie uhlíka spočíva v jeho schopnosti vytvárať a vytvárať rôzne typy väzieb chemickej povahy.

Štruktúra atómu uhlíka sa môže meniť, čo mu umožňuje mať určitý počet izotopových foriem. Uhlík nachádzajúci sa v prírode vzniká pomocou dvoch izotopov v stabilnom stave – 12 C a 13 C – a izotopu s rádioaktívnymi vlastnosťami – 14 C. Posledný izotop sa koncentruje v horné vrstvy v zemskej kôre a v atmosfére. Vplyvom kozmického žiarenia, konkrétne jeho neutrónov, na jadro atómov dusíka vzniká rádioaktívny izotop 14 C. Po polovici päťdesiatych rokov dvadsiateho storočia začal upadať do životné prostredie ako umelý produkt vytvorený počas prevádzky jadrových elektrární a v dôsledku použitia vodíkovej bomby. Práve na procese rozpadu 14 C je založená technika rádiokarbónového datovania, ktorá našla svoje široké uplatnenie v archeológii a geológii.

Modifikácia uhlíka v alotropickej forme

V prírode existuje veľa látok, ktoré obsahujú uhlík. Človek pri tvorbe využíva štruktúru atómu uhlíka pre svoje účely rôzne látky, medzi ktorymi:

1. Kryštalické uhlíky (diamanty, uhlíkové nanorúrky vlákna a drôty, fulerény atď.).
2. Amorfné uhlie (aktívne uhlie a drevené uhlie, rôzne druhy koks, sadze, sadze, nanopeny a antracit).
3. Klastrové formy uhlíka (diuhlíky, nanokóny a zlúčeniny astralénu).

Štrukturálne vlastnosti atómovej štruktúry

Elektrónová štruktúra atómu uhlíka môže mať rôzne geometrie, ktoré závisia od úrovne hybridizácie orbitálov, ktoré má. Existujú 3 hlavné typy geometrie:

1. Tetraedrický - vytvorený v dôsledku posunutia štyroch elektrónov, z ktorých jeden je s-elektrón a tri patria k p-elektrónom. Atóm C zaujíma centrálnu polohu v štvorstene a je spojený štyrmi ekvivalentnými sigma väzbami s inými atómami, ktoré zaberajú vrchol tohto štvorstenu. Toto geometrické usporiadanie uhlíka môže produkovať allotropy, ako je diamant a lonsdaleit.
2. Trigonálny - za svoj vzhľad vďačí posunutiu troch orbitálov, z ktorých jeden je s- a dva sú p-. Sú tu tri sigma väzby, ktoré sú navzájom v ekvivalentnej polohe; ležia v spoločnej rovine a udržiavajú voči sebe uhol 120 stupňov. Voľný p-orbitál je umiestnený kolmo na rovinu sigma väzby. Grafit má podobnú konštrukčnú geometriu.
3. Diagonálna - objavuje sa v dôsledku miešania s- a p-elektrónov (sp hybridizácia). Elektrónové oblaky sa tiahnu všeobecným smerom a nadobúdajú tvar asymetrickej činky. Voľné elektróny vytvárajú π väzby. Táto geometrická štruktúra z uhlíka dáva vznik vzhľadu karbínu, špeciálnej forme modifikácie.

Atómy uhlíka v prírode

Štruktúra a vlastnosti atómu uhlíka boli dlho zvažované človekom a používajú sa na získanie veľkého množstva rôznych látok. Atómy tohto prvku vďaka svojej jedinečnej schopnosti vytvárať rôzne chemické väzby a prítomnosti orbitálnej hybridizácie vytvárajú mnoho rôznych alotropných modifikácií za účasti len jedného prvku, z atómov rovnakého typu - uhlíka.

V prírode sa uhlík nachádza v zemskej kôre; má formu diamantov, grafitov, rôznych horľavých prírodných zdrojov, napríklad ropy, antracitu, hnedého uhlia, bridlíc, rašeliny atď. Je súčasťou plynov používaných ľuďmi v energetickom priemysle. Uhlík vo svojom oxide vypĺňa hydrosféru a atmosféru Zeme, pričom vo vzduchu dosahuje až 0,046 % a vo vode až šesťdesiatkrát viac.

V ľudskom tele je C obsiahnutý v množstve rovnajúcom sa približne 21 % a vylučuje sa hlavne močom a vydychovaným vzduchom. Rovnaký prvok sa podieľa na biologickom cykle, je absorbovaný rastlinami a spotrebovaný počas procesov fotosyntézy.

Atómy uhlíka vďaka svojej schopnosti vytvárať rôzne kovalentné väzby a stavať z nich reťazce a dokonca cykly môžu vytvárať obrovské množstvo organických látok. Okrem toho je tento prvok súčasťou slnečnej atmosféry a je v kombinácii s vodíkom a dusíkom.

Vlastnosti chemickej povahy

Teraz sa pozrime na štruktúru a vlastnosti atómu uhlíka z chemického hľadiska.

Je dôležité vedieť, že uhlík vykazuje inertné vlastnosti pri normálnych teplotách, ale môže nám vykazovať redukčné vlastnosti pod vplyvom vysokých teplôt. Hlavné oxidačné stavy sú: + - 4, niekedy +2 a tiež +3.

Podieľa sa na reakciách s veľkým počtom prvkov. Môže reagovať s vodou, vodíkom, halogénmi, alkalickými kovmi, kyselinami, fluórom, sírou atď.

Štruktúra atómu uhlíka dáva vznik neuveriteľne veľkému množstvu látok rozdelených do samostatnej triedy. Takéto zlúčeniny sa nazývajú organické a sú založené na C. Je to možné vďaka vlastnosti atómov tohto prvku vytvárať polymérne reťazce. Medzi najznámejšie a najrozsiahlejšie skupiny patria bielkoviny (proteíny), tuky, sacharidy a uhľovodíkové zlúčeniny.

Spôsoby prevádzky

Pre jedinečnú štruktúru atómu uhlíka a jeho sprievodné vlastnosti je prvok človekom hojne využívaný, napríklad pri tvorbe ceruziek, taviacich kovových téglikov – tu sa používa grafit. Diamanty sa používajú ako brúsivá, šperky, vrtáky atď.

Farmakológia a medicína sa tiež zaoberajú využitím uhlíka v rôznych zlúčeninách. Tento prvok je súčasťou ocele, slúži ako základ pre každú organickú látku, zúčastňuje sa procesu fotosyntézy atď.

Toxicita prvku

Štruktúra atómu prvku uhlíka zahŕňa prítomnosť nebezpečný vplyv k živej hmote. Uhlík sa dostáva do sveta okolo nás v dôsledku spaľovania uhlia v tepelných elektrárňach, je súčasťou plynov produkovaných automobilmi, v prípade uhoľného koncentrátu atď.

Percento obsahu uhlíka v aerosóloch je vysoké, čo má za následok zvýšenie percenta ľudí, ktorí ochorejú. Najčastejšie sú postihnuté horné Dýchacie cesty a pľúca. Niektoré choroby možno klasifikovať ako profesionálne, napríklad prachovú bronchitídu a choroby zo skupiny pneumokonióz.

14C je toxický a sila jeho vplyvu je určená interakciou žiarenia s β-časticami. Tento atóm je zahrnutý v zložení biologických molekúl, vrátane tých, ktoré sa nachádzajú v deoxy- a ribonukleových kyselinách. Za prijateľné množstvo 14 C vo vzduchu pracovného priestoru sa považuje 1,3 Bq/l. Maximálne množstvo uhlíka vstupujúceho do tela počas dýchania zodpovedá 3,2*10 8 Bq/rok.

Uhlík (C) je šiesty prvok periodickej tabuľky s atómovou hmotnosťou 12. Prvok je nekov a má izotop 14 C. Štruktúra atómu uhlíka je základom celej organickej chémie, pretože všetky organické látky zahŕňajú molekuly uhlíka .

atóm uhlíka

Pozícia uhlíka v periodickej tabuľke Mendelejeva:

• šieste sériové číslo;
• štvrtá skupina;
• druhé obdobie.

Ryža. 1. Pozícia uhlíka v periodickej tabuľke.

Na základe údajov z tabuľky môžeme konštatovať, že štruktúra atómu prvku uhlíka zahŕňa dve škrupiny, na ktorých je umiestnených šesť elektrónov. Valencia uhlíka zahrnutá v kompozícii organickej hmoty, je konštantná a rovná sa IV. To znamená, že vonkajšia elektronická hladina má štyri elektróny a vnútorná hladina má dva.

Zo štyroch elektrónov dva zaberajú sférický 2s orbitál a zvyšné dva zaberajú 2p orbitál činky. V excitovanom stave jeden elektrón z orbitálu 2s prechádza do jedného z orbitálov 2p. Keď sa elektrón pohybuje z jedného orbitálu do druhého, spotrebováva sa energia.

Takže excitovaný atóm uhlíka má štyri nepárové elektróny. Jeho konfiguráciu možno vyjadriť vzorcom 2s 1 2p 3. To umožňuje vytvoriť štyri kovalentné väzby s inými prvkami. Napríklad v molekule metánu (CH4) tvorí uhlík väzby so štyrmi atómami vodíka – jednou väzbou medzi orbitálmi s vodíka a uhlíka a tromi väzbami medzi orbitálmi p uhlíka a orbitálmi vodíka.

Štruktúra atómu uhlíka môže byť vyjadrená ako +6C) 2) 4 alebo 1 s 2 2 2 2 2p 2.

Ryža. 2. Štruktúra atómu uhlíka.

Fyzikálne vlastnosti

Uhlík sa prirodzene vyskytuje vo forme hornín. Je známych niekoľko alotropných modifikácií uhlíka:

• grafit;
• diamant;
• karabína;
• uhlie;
• sadze.

Všetky tieto látky sa líšia štruktúrou ich kryštálovej mriežky. Väčšina pevný- diamant - má kubickú formu uhlíka. O vysoké teploty diamant sa mení na grafit so šesťuholníkovou štruktúrou.

Ryža. 3. Kryštálové mriežky grafitu a diamantu.

Chemické vlastnosti

Určuje atómovú štruktúru uhlíka a jeho schopnosť pripojiť štyri atómy inej látky Chemické vlastnosti element. Uhlík reaguje s kovmi za vzniku karbidov:

• Ca + 2C -> CaC2;
• Cr + C → CrC;
• 3Fe + C → Fe3C.

Tiež reaguje s oxidmi kovov:

• 2ZnO + C -> 2Zn + C02;
• PbO + C → Pb + CO;
• Sn02 + 2C → Sn + 2CO.

Pri vysokých teplotách uhlík reaguje s nekovmi, najmä vodíkom, za vzniku uhľovodíkov:

C + 2H2 -> CH4.

S kyslíkom tvorí uhlík oxid uhličitý a oxid uhoľnatý:

• C + 02 -> C02;
• 2C + O2 → 2СО.

Oxid uhoľnatý vzniká aj pri interakcii s vodou:

C + H20 → CO + H2.

Koncentrované kyseliny oxidujú uhlík a vytvárajú oxid uhličitý:

• 2H2S04 + C -> C02 + 2S02 + 2H20;
• 4HN03 + C -> C02 + 4N02 + 2H20.

Vyhodnotenie správy

Priemerné hodnotenie: 4.1. Celkový počet získaných hodnotení: 75.