1. U svim organskim jedinjenjima atom ugljika ima valenciju 4.

2. Ugljik je u stanju da formira jednostavne i veoma složene molekule (visokomolekularna jedinjenja: proteini, gume, plastike).

3. Atomi ugljika se spajaju ne samo s drugim atomima, već i jedni s drugima, formirajući različite ugljične - ugljikove lance - ravne, razgranate, zatvorene:

4. Za jedinjenja ugljenika karakterističan je fenomen izomerizma, tj. kada supstance imaju isti kvalitativni i kvantitativni sastav, ali različitu hemijsku strukturu, a samim tim i različita svojstva. Na primjer: empirijska formula C 2 H 6 O odgovara dvije različite strukture tvari:

etil alkohol, dimetil etar,

tečnost, t 0 kip. \u003d +78 0 S plin, t 0 kip. \u003d -23,7 0 S

Stoga su etil alkohol i dimetil etar izomeri.

5. Vodeni rastvori većine organskih supstanci su neelektroliti, njihove molekule se ne razlažu na jone.

Izomerizam.

Fenomen je otkriven 1823 izomerizam- postojanje supstanci sa istim sastavom molekula, ali sa različitim svojstvima. Koja je razlika između izomera? Budući da im je sastav isti, uzrok se može tražiti samo u drugačijem redoslijedu povezivanja atoma u molekulu.

Još prije stvaranja teorije hemijske strukture, A.M. Butlerov je predvidio da za C 4 H 10 butan, koji ima linearnu strukturu CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 t 0 (bp. -0,5 0 C), postojanje druge supstance sa istom molekulskom formulom, ali s drugačijim redoslijedom povezivanja atoma ugljika u molekuli:

izobutan

t 0 kip. - 11,7 0 S

dakle, izomeri- to su supstance koje imaju istu molekularnu formulu, ali drugačiju hemijsku strukturu, a samim tim i različita svojstva. Postoje dva glavna tipa izomerizma − strukturalni i prostorni.

Strukturno nazivaju izomeri, koji imaju drugačiji red povezanosti atoma u molekulu. Postoje tri vrste toga:

Izomerizam ugljeničnog skeleta:

C - C - C - C - C C - C - C - C

Izomerizam višestrukih veza:

C \u003d C - C - C C - C \u003d C - C

Međuklasni izomerizam:

propionska kiselina

Prostorni izomerizam. Prostorni izomeri imaju iste supstituente na svakom atomu ugljika. Ali razlikuju se po međusobnom rasporedu u prostoru. Postoje dvije vrste ovog izomerizma: geometrijski i optički. Geometrijska izomerija je karakteristična za spojeve koji imaju planarnu strukturu molekula (alkeni, cikloalkani, alkadieni, itd.). Ako su isti supstituenti kod atoma ugljika, na primjer, s dvostrukom vezom, na jednoj strani ravnine molekule, onda će to biti cis-izomer, na suprotnim stranama - trans-izomer:

Optički izomerizam- karakteristika jedinjenja sa asimetričnim atomom ugljenika, koji je povezan sa četiri različita supstituenta. Optički izomeri su zrcalne slike jedni drugih. Na primjer:

Elektronska struktura atoma.

Struktura atoma proučava se u neorganskoj hemiji i fizici. Poznato je da atom određuje svojstva hemijskog elementa. Atom se sastoji od pozitivno nabijenog jezgra, u kojem je koncentrirana sva njegova masa, i negativno nabijenih elektrona koji okružuju jezgro.

Budući da se jezgra reagujućih atoma ne mijenjaju tokom kemijskih reakcija, fizička i kemijska svojstva atoma zavise od strukture elektronske ljuske atoma. Elektroni se mogu kretati od jednog atoma do drugog, mogu se kombinovati i tako dalje. Stoga ćemo detaljno razmotriti pitanje raspodjele elektrona u atomu na osnovu kvantne teorije strukture atoma. Prema ovoj teoriji, elektron istovremeno ima svojstva čestice (masa, naboj) i valne funkcije. Za pokretne elektrone nemoguće je odrediti tačnu lokaciju. Oni se nalaze u svemiru blizu atomskog jezgra. Može se definisati vjerovatnoća pronalaženje elektrona u različitim dijelovima prostora. Elektron je, takoreći, "razmazan" u ovom prostoru u obliku oblaka (slika 1), čija se gustoća smanjuje.

Slika 1.

Područje prostora u kojem je vjerovatnoća pronalaska elektrona maksimalna (≈ 95%) naziva se orbitalni.

Prema kvantnoj mehanici, stanje elektrona u atomu određuju četiri kvantna broja: main (n), orbitalni (l), magnetna(m) i spin(s).

Glavni kvantni broj n - karakteriše energiju elektrona, udaljenost orbitale od jezgra, tj. energetski nivo i uzima vrijednosti 1, 2, 3, itd. ili K, L, M, N, itd. Vrijednost n = 1 odgovara najnižoj energiji. Sa povećanjem n energija elektrona se povećava. Maksimalni broj elektrona na energetskom nivou određen je formulom: N = 2n2, gdje je n broj nivoa, dakle, kada:

n=1 N=2 n=3 N=18

n = 2 N = 8 n = 4 N = 32 itd.

Unutar energetskih nivoa, elektroni su raspoređeni u podnivoe (ili podljuske). Njihov broj odgovara broju energetskog nivoa, ali su karakterizirani orbitalni kvantni broj l, koji određuje oblik orbitale. Uzima vrijednosti od 0 do n-1. At

n=1 l= 0 n = 2 l= 0, 1 n = 3 l= 0, 1, 2 n = 4 l= 0, 1, 2, 3

Maksimalni broj elektrona u podnivou određen je formulom: 2(2l + 1). Za podnivoe se prihvataju slovne oznake:

l = 1, 2, 3, 4

Stoga, ako je n = 1, l= 0, podnivo s.

n = 2 l= 0, 1, podnivo s, str.

Maksimalni broj elektrona u podnivoima:

N s = 2 N d = 10

N p = 6 N f = 14, itd.

Ne može biti više od ovog broja elektrona na podnivoima. Oblik elektronskog oblaka je određen vrijednosti l. At
l= 0 (s-orbitala) oblak elektrona ima sferni oblik i nema prostornu orijentaciju.

Slika 2.

Na l = 1 (p-orbitala), elektronski oblak ima oblik bučice ili oblik "osmice":

Slika 3

Magnetski kvantni broj m karakteriše
raspored orbitala u prostoru. Može poprimiti vrijednosti bilo kojeg broja od –l do +l, uključujući 0. Broj mogućih vrijednosti magnetskog kvantnog broja za datu vrijednost l jednako (2 l+ 1). Na primjer:

l= 0 (s-orbitala) m = 0, tj. S orbitala ima samo jednu poziciju u prostoru.

l= 1 (p-orbitala) m = -1, 0, +1 (3 vrijednosti).

l= 2 (d-orbitala) m = -2, -1, 0, +1, +2, itd.

p i d orbitale imaju 3 odnosno 5 stanja.

Orbitale p su izdužene duž koordinatnih ose i označene su sa px, p y, p z -orbitalama.

Spin kvantni broj s- karakterizira rotaciju elektrona oko vlastite ose u smjeru kazaljke na satu i suprotno od kazaljke na satu. Može imati samo dvije vrijednosti +1/2 i -1/2. Struktura elektronske ljuske atoma predstavljena je elektronskom formulom koja pokazuje distribuciju elektrona po energetskim nivoima i podnivoima. U ovim formulama energetski nivoi su označeni brojevima 1, 2, 3, 4 ..., podnivoi - slovima s, p, d, f. Broj elektrona u podnivou zapisuje se kao stepen. Na primjer: maksimalni broj elektrona po s 2 , p 6 , d 10 , f 14 .

Elektronske formule se često prikazuju grafički, koje pokazuju distribuciju elektrona ne samo po nivoima i podnivoima, već i po orbitalama, označenim pravokutnikom. Podnivoi su podijeljeni na kvantne ćelije.

Besplatna kvantna ćelija

Ćelija sa nesparenim elektronom

Ćelija sa uparenim elektronima

Postoji jedna kvantna ćelija na s-podnivou.

Postoje 3 kvantne ćelije na p-podnivou.

Postoji 5 kvantnih ćelija na d-podnivou.

Na f-podnivou postoji 7 kvantnih ćelija.

Određuje se distribucija elektrona u atomima Paulijev princip i Gundovo pravilo. Po Paulijevom principu: atom ne može imati elektrone sa istim vrijednostima sva četiri kvantna broja. U skladu sa Paulijevim principom, u energetskoj ćeliji može biti jedan, maksimalno dva elektrona sa suprotnim spinovima. Punjenje ćelija odvija se prema Hundovom principu, prema kojem se elektroni prvo lociraju jedan po jedan u svakoj pojedinačnoj ćeliji, a zatim, kada su sve ćelije datog podnivoa zauzete, počinje uparivanje elektrona.

Redoslijed popunjavanja orbitala atoma elektrona određen je pravilima V. Klečkovskog, ovisno o zbroju (n + l):

prvo se popunjavaju oni podnivoi za koje je ovaj iznos manji;

za iste vrijednosti zbira (n + l) prvo, podnivo se popunjava manjom vrijednošću n.

Na primjer:

a) razmotrite popunjavanje podnivoa 3d i 4s. Hajde da definišemo zbir (n + l):

y 3d(n + l) = 3 + 2 = 5, y 4s (n + l) = 4 + 0 = 4, tako da se prvo popunjava 4s podnivo, a zatim 3d podnivo.

b) za podnivoe 3d, 4p, 5s, zbir vrijednosti (n + l) = 5. U skladu sa pravilom Klečkovskog, punjenje počinje manjom vrijednošću n, tj. 3d → 4p → 5s. Punjenje energetskih nivoa i podnivoa atoma elektronima se odvija u sledećem redosledu: valencija n = 2 n = 1

Be ima upareni par elektrona na 2s 2 podnivou. Da bi se energija dovela izvana, ovaj par elektrona se može razdvojiti i atom se može učiniti valentnim. U tom slučaju dolazi do prijelaza elektrona s jednog podnivoa na drugi podnivo. Ovaj proces se zove pobuđenje elektrona. Grafička formula Be u uzbuđenom stanju će izgledati ovako:

a valencija je 2.

Karbon(lat. Carboneum), C, hemijski element IV grupe Mendeljejevskog periodnog sistema, atomski broj 6, atomska masa 12.011. Poznata su dva stabilna izotopa: 12 C (98,892%) i 13 C (1,108%). Od radioaktivnih izotopa najvažniji je 14 C s vremenom poluraspada (T ½ \u003d 5,6 10 3 godine). Male količine 14 C (oko 2 10 -10% po masi) konstantno nastaju u gornjoj atmosferi pod dejstvom neutrona kosmičkog zračenja na izotop azota 14 N. Njihova starost je određena specifičnom aktivnošću izotopa 14 C u ostaci biogenog porekla. 14 C se široko koristi kao tragač izotopa.

Istorijat. Ugljik je poznat od davnina. Drveni ugalj je služio za dobijanje metala iz ruda, dijamant - kao dragi kamen. Mnogo kasnije, grafit je korišten za izradu lonaca i olovaka.

Godine 1778. K. Scheele je, zagrijavajući grafit salitrom, otkrio da se u ovom slučaju, kao i pri zagrijavanju uglja salitrom, oslobađa ugljični dioksid. Hemijski sastav dijamanta ustanovljen je kao rezultat eksperimenata A. Lavoisier-a (1772) o sagorevanju dijamanta u vazduhu i studija S. Tennanta (1797), koji je dokazao da jednake količine dijamanta i uglja daju jednake količine ugljen-dioksida tokom oksidacije. Lavoisier je 1789. godine priznao ugljenik kao hemijski element. Latinski naziv carboneum carbon dobio je od carbo - uglja.

Rasprostranjenost ugljika u prirodi. Prosečan sadržaj ugljenika u zemljinoj kori je 2,3 10 -2% mase (1 10 -2 u ultrabazičnim, 1 10 -2 - u bazičnim, 2 10 -2 - u srednjim, 3 10 -2 - u kiselim stenama) . Ugljik se akumulira u gornjem dijelu zemljine kore (biosfera): u živoj tvari 18% ugljika, drvu 50%, uglju 80%, nafti 85%, antracitu 96%. Značajan dio ugljika u litosferi koncentrisan je u krečnjacima i dolomitima.

Broj vlastitih minerala Ugljik - 112; izuzetno veliki broj organskih spojeva ugljika - ugljovodonika i njihovih derivata.

Sa akumulacijom ugljika u zemljinoj kori povezano je i akumulacija mnogih drugih elemenata koje apsorbuje organska materija i talože u obliku nerastvorljivih karbonata itd. CO 2 i ugljena kiselina igraju važnu geohemijsku ulogu u zemljinoj kori. Ogromna količina CO 2 se oslobađa tokom vulkanizma - u istoriji Zemlje bio je glavni izvor ugljika za biosferu.

U poređenju sa prosječnim sadržajem u zemljinoj kori, čovječanstvo vadi ugljik iz dubina (ugalj, nafta, prirodni plin) u izuzetno velikim količinama, budući da su ovi fosili glavni izvor energije.

Ciklus ugljenika je od velike geohemijske važnosti.

Ugljik je također široko rasprostranjen u svemiru; na Suncu zauzima 4. mesto posle vodonika, helijuma i kiseonika.

Fizička svojstva ugljika. Poznato je nekoliko kristalnih modifikacija ugljika: grafit, dijamant, karabin, lonsdaleit i druge. Grafit - sivo-crna, neprozirna, masna na dodir, ljuskava, vrlo mekana masa metalnog sjaja. Izgrađen od kristala heksagonalne strukture: a = 2,462Å, c = 6,701Å. Na sobnoj temperaturi i normalnom pritisku (0,1 MN/m2, ili 1 kgf/cm2), grafit je termodinamički stabilan. Dijamant je vrlo tvrda, kristalna supstanca. Kristali imaju kubičnu rešetku usmjerenu na lice: a = 3.560Å. Na sobnoj temperaturi i normalnom pritisku, dijamant je metastabilan. Primetna transformacija dijamanta u grafit se primećuje na temperaturama iznad 1400 °C u vakuumu ili u inertnoj atmosferi. Pri atmosferskom pritisku i temperaturi od oko 3700°C grafit sublimira. Tečni ugljik se može dobiti pri pritiscima iznad 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) i temperaturama iznad 3700°C. Čvrsti ugljik (koks, čađ, drveni ugljen) također karakterizira stanje s neuređenom strukturom - takozvani "amorfni" ugljik, koji nije nezavisna modifikacija; njegova struktura je zasnovana na strukturi sitnozrnog grafita. Zagrijavanje nekih vrsta "amorfnog" ugljika iznad 1500-1600°C bez pristupa zraka uzrokuje njihovu transformaciju u grafit. Fizička svojstva "amorfnog" ugljika jako zavise od finoće čestica i prisutnosti nečistoća. Gustina, toplinski kapacitet, toplinska provodljivost i električna provodljivost "amorfnog" ugljika uvijek su veći od onih kod grafita. Karbin dobijen umjetno. To je fino kristalni crni prah (gustine 1,9-2 g/cm3). Sastoji se od dugih lanaca atoma C koji su naslagani paralelno jedan s drugim. Lonsdaleit se nalazi u meteoritima i dobiva se umjetno.

Hemijska svojstva ugljika. Konfiguracija vanjske elektronske ljuske atoma ugljika je 2s 2 2p 2 . Ugljenik je karakteriziran formiranjem četiri kovalentne veze uslijed pobuđivanja vanjske elektronske ljuske u 2sp 3 stanje. Stoga je ugljik podjednako sposoban i za privlačenje i za doniranje elektrona. Hemijska veza se može izvesti zahvaljujući sp 3 -, sp 2 - i sp-hibridnim orbitalama, koje odgovaraju koordinacijskim brojevima 4, 3 i 2. Broj valentnih elektrona Ugljika i broj valentnih orbitala su isti ; ovo je jedan od razloga stabilnosti veze između atoma ugljika.

Jedinstvena sposobnost atoma ugljika da se međusobno kombinuju kako bi formirali jake i dugačke lance i cikluse dovela je do pojave ogromnog broja različitih jedinjenja ugljenika koje proučava organska hemija.

U jedinjenjima, ugljenik pokazuje oksidaciona stanja -4; +2; +4. Atomski radijus 0,77Å, kovalentni radijusi 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å u jednostrukim, dvostrukim i trostrukim vezama; jonski radijus C 4- 2.60Å, C 4+ 0.20Å. U normalnim uslovima, ugljenik je hemijski inertan; na visokim temperaturama se kombinuje sa mnogim elementima, pokazujući snažna redukciona svojstva. Hemijska aktivnost opada u nizu: "amorfni" ugljenik, grafit, dijamant; interakcija sa atmosferskim kiseonikom (sagorevanje) se javlja na temperaturama iznad 300-500°C, 600-700°C i 850-1000°C sa stvaranjem ugljen monoksida (IV) CO 2 i ugljen monoksida (II) CO.

CO2 se otapa u vodi i formira ugljičnu kiselinu. 1906. O. Diels je dobio ugljični suboksid C 3 O 2 . Svi oblici ugljika su otporni na alkalije i kiseline i polako se oksidiraju samo vrlo jakim oksidantima (smjesa hroma, smjesa koncentriranog HNO 3 i KClO 3 i dr.). "Amorfni" ugljenik reaguje sa fluorom na sobnoj temperaturi, grafitom i dijamantom - kada se zagreje. Direktna veza ugljika sa hlorom javlja se u električnom luku; sa bromom i jodom Ugljik ne reaguje, pa se indirektno sintetiziraju brojni halogenidi ugljika. Od oksihalida opće formule COX 2 (gdje je X halogen), najpoznatiji je COCl hlorid (fozgen). Vodik ne stupa u interakciju sa dijamantom; reaguje sa grafitom i "amorfnim" ugljenikom na visokim temperaturama u prisustvu katalizatora (Ni, Pt): na 600-1000 °C nastaje uglavnom metan CH 4, na 1500-2000 °C - acetilen C 2 H 2 ; drugi ugljovodonici mogu takođe biti prisutni u proizvodima, na primer C 2 H 6 etan, C 6 H 6 benzen. Interakcija sumpora sa "amorfnim" ugljenikom i grafitom počinje na 700-800°C, sa dijamantom na 900-1000°C; u svim slučajevima nastaje ugljen-disulfid CS 2. Ostala jedinjenja ugljenika koja sadrže sumpor (CS tioksid, C 3 S 2 tion oksid, COS sulfid i CSCl 2 tiofosgen) dobijaju se indirektno. Kada CS 2 stupi u interakciju sa metalnim sulfidima, nastaju tiokarbonati - soli slabe tiokarbonske kiseline. Interakcija ugljika s dušikom za proizvodnju cijanogena (CN) 2 događa se kada se električno pražnjenje prođe između ugljičnih elektroda u atmosferi dušika. Od jedinjenja ugljenika koji sadrže azot, veliki praktični značaj imaju cijanovodonik HCN (pruska kiselina) i njeni brojni derivati: cijanidi, halocijanidi, nitrili i dr. Na temperaturama iznad 1000 °C ugljenik stupa u interakciju sa mnogim metalima dajući karbide. Svi oblici ugljika, kada se zagrijavaju, reduciraju okside metala sa stvaranjem slobodnih metala (Zn, Cd, Cu, Pb i drugi) ili karbida (CaC 2 , Mo 2 C, WC, TaC i drugi). Ugljik reagira na temperaturama iznad 600-800 °C sa vodenom parom i ugljičnim dioksidom (Gasifikacija goriva). Karakteristična karakteristika grafita je sposobnost, pri umjerenom zagrijavanju na 300-400 ° C, da stupi u interakciju s alkalnim metalima i halogenidima da formira inkluzijska jedinjenja tipa C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (gdje je X halogen , ja sam metal). Poznata su jedinjenja za inkluziju grafita sa HNO 3 , H 2 SO 4 , FeCl 3 i drugim (na primjer, grafit bisulfat C 24 SO 4 H 2 ). Svi oblici ugljika su nerastvorljivi u uobičajenim neorganskim i organskim rastvaračima, ali su rastvorljivi u nekim rastopljenim metalima (npr. Fe, Ni, Co).

Ekonomski značaj ugljika određen je činjenicom da preko 90% svih primarnih izvora energije koji se troše u svijetu su fosilna goriva, čija će dominantna uloga ostati i narednih decenija, uprkos intenzivnom razvoju nuklearne energije. Samo oko 10% ekstrahovanog goriva koristi se kao sirovina za osnovnu organsku sintezu i petrohemijsku sintezu, za proizvodnju plastike i dr.

ugljenik u telu. Ugljik je najvažniji biogeni element koji čini osnovu života na Zemlji, strukturna jedinica ogromnog broja organskih spojeva uključenih u izgradnju organizama i osiguravanje njihove vitalne aktivnosti (biopolimeri, kao i brojne niskomolekularne biološki aktivne tvari - vitamini , hormoni, medijatori i drugi). Značajan dio energije potrebne organizmima nastaje u stanicama zbog oksidacije ugljika. Pojava života na Zemlji se u modernoj nauci smatra složenim procesom evolucije jedinjenja ugljenika.

Jedinstvena uloga ugljika u živoj prirodi je zbog njegovih svojstava, koja u zbiru ne posjeduje nijedan drugi element periodnog sistema. Između atoma ugljika, kao i između ugljika i drugih elemenata, nastaju jake kemijske veze, koje se, međutim, mogu prekinuti u relativno blagim fiziološkim uvjetima (ove veze mogu biti jednostruke, dvostruke i trostruke). Sposobnost ugljika da formira 4 ekvivalentne valentne veze s drugim atomima ugljika omogućava izgradnju ugljičnih skeleta različitih tipova - linearnih, razgranatih, cikličkih. Značajno je da samo tri elementa - C, O i H - čine 98% ukupne mase živih organizama. Time se postiže određena ekonomičnost u živoj prirodi: uz gotovo neograničenu strukturnu raznolikost ugljikovih spojeva, mali broj vrsta kemijskih veza omogućava značajno smanjenje broja enzima potrebnih za razgradnju i sintezu organskih tvari. Strukturne karakteristike atoma ugljika leže u osnovi različitih tipova izomerizma u organskim spojevima (ispostavilo se da je sposobnost optičkog izomerizma presudna u biohemijskoj evoluciji aminokiselina, ugljikohidrata i nekih alkaloida).

Prema općeprihvaćenoj hipotezi AI Oparina, prva organska jedinjenja na Zemlji bila su abiogenog porijekla. Metan (CH 4 ) i vodonik cijanid (HCN) sadržani u zemljinoj primarnoj atmosferi služili su kao izvori ugljika. Nastankom života, jedini izvor anorganskog ugljika, zbog kojeg nastaje sva organska materija biosfere, je ugljen monoksid (IV) (CO 2), koji se nalazi u atmosferi, a takođe je rastvoren u prirodnim vodama u oblik HCO 3 . Najmoćniji mehanizam asimilacije (asimilacije) ugljika (u obliku CO 2 ) - fotosintezu - svuda provode zelene biljke (godišnje se asimiluje oko 100 milijardi tona CO 2 ). Na Zemlji postoji i evolucijski stariji način asimilacije CO 2 kemosintezom; u ovom slučaju kemosintetski mikroorganizmi ne koriste energiju zračenja sunca, već energiju oksidacije neorganskih spojeva. Većina životinja konzumira ugljik hranom u obliku gotovih organskih spojeva. Ovisno o načinu asimilacije organskih spojeva, uobičajeno je razlikovati autotrofne organizme i heterotrofne organizme. Upotreba mikroorganizama za biosintezu proteina i drugih nutrijenata, koristeći naftne ugljovodonike kao jedini izvor ugljika, jedan je od važnih savremenih naučnih i tehničkih problema.

Sadržaj ugljika u živim organizmima na bazi suhe tvari iznosi: 34,5-40% za vodene biljke i životinje, 45,4-46,5% za kopnene biljke i životinje i 54% za bakterije. U procesu vitalne aktivnosti organizama, uglavnom zahvaljujući tkivnom disanju, dolazi do oksidativne razgradnje organskih jedinjenja sa oslobađanjem CO 2 u spoljašnju sredinu. Ugljik se također oslobađa kao dio složenijih krajnjih proizvoda metabolizma. Nakon uginuća životinja i biljaka, dio ugljika se ponovo pretvara u CO 2 kao rezultat procesa raspadanja koje provode mikroorganizmi. Ovako kruži ugljenik u prirodi. Značajan dio ugljika je mineraliziran i formira naslage fosilnog ugljika: ugalj, naftu, krečnjak i dr. Pored svoje glavne funkcije – izvora ugljika – CO 2 otopljen u prirodnim vodama i biološkim tekućinama je uključen u održavanje kiselosti okoliša koja je optimalna za životne procese. Kao dio CaCO 3, ugljik čini vanjski skelet mnogih beskičmenjaka (na primjer, školjke mekušaca), a nalazi se i u koraljima, ljusci ptičjih jaja i dr. Jedinjenja ugljika kao što su HCN, CO, CCl 4, koja su preovladavala u Primarne Zemlje dalje, u procesu biološke evolucije, pretvorile su se u jake antimetabolite metabolizma.

Osim stabilnih izotopa ugljika, u prirodi je rasprostranjen radioaktivni 14 C (u ljudskom tijelu sadrži oko 0,1 mikrokurija). Mnogi veliki pomaci u proučavanju metabolizma i ciklusa ugljika u prirodi povezani su s upotrebom izotopa ugljika u biološkim i medicinskim istraživanjima. Tako je uz pomoć radiokarbonske oznake dokazana mogućnost fiksiranja H 14 CO 3 - biljnim i životinjskim tkivima, utvrđen redoslijed reakcija fotosinteze, proučavana izmjena aminokiselina, putevi biosinteze mnogih biološki aktivnih jedinjenja, itd. Upotreba 14 C je doprinijela uspjehu molekularne biologije u proučavanju mehanizama biosinteze proteina i prijenosa nasljednih informacija. Određivanje specifične aktivnosti 14 C u organskim ostacima koji sadrže ugljik omogućava procjenu njihove starosti, što se koristi u paleontologiji i arheologiji.

(prvi elektron)

Karbon(hemijski simbol C) hemijski element 4. grupe glavne podgrupe 2. perioda periodnog sistema Mendeljejeva, redni broj 6, atomska masa prirodne mešavine izotopa 12,0107 g/mol.

Priča

Karbon u obliku drvenog uglja koristio se u antičko doba za topljenje metala. Alotropske modifikacije ugljika, dijamanta i grafita su odavno poznate. Elementarnu prirodu ugljika ustanovio je A. Lavoisier kasnih 1780-ih.

porijeklo imena

Međunarodni naziv: carbō - ugljen.

Physical Properties

Ugljik postoji u mnogim alotropskim modifikacijama s vrlo raznolikim fizičkim svojstvima. Raznolikost modifikacija je posljedica sposobnosti ugljika da formira kemijske veze različitih vrsta.

Izotopi ugljika

Prirodni ugljik se sastoji od dva stabilna izotopa - 12 C (98,892%) i 13 C (1,108%) i jednog radioaktivnog izotopa 14 C (β-emiter, T ½ = 5730 godina), koncentrisanih u atmosferi i gornjem dijelu Zemlje. kora. Stalno nastaje u nižim slojevima stratosfere kao rezultat dejstva neutrona kosmičkog zračenja na jezgra azota reakcijom: 14 N (n, p) 14 C, a takođe, od sredine 1950-ih, kao čovek -proizveden proizvod nuklearnih elektrana i kao rezultat testiranja hidrogenskih bombi.

Formiranje i raspad 14 C je osnova metode radiokarbonskog datiranja, koja se široko koristi u kvartarnoj geologiji i arheologiji.

Alotropske modifikacije ugljika

Sheme strukture različitih modifikacija ugljika
a: dijamant, b: grafit, c: lonsdaleite
d: fuleren - buckyball C 60 , e: fuleren C 540 , f: fuleren C 70
g: amorfni ugljenik, h: karbonska nanocijev

Alotropija ugljika

lonsdaleite

fulereni

ugljične nanocijevi

amorfni ugljenik

Čađa čađa

Elektronske orbitale atoma ugljenika mogu imati različite geometrije, u zavisnosti od stepena hibridizacije njegovih elektronskih orbitala. Postoje tri osnovne geometrije atoma ugljika.

tetraedarski - nastaje mešanjem jednog s- i tri p-elektrona (sp 3 hibridizacija). Atom ugljika se nalazi u središtu tetraedra, povezan je sa četiri ekvivalentne σ-veze sa atomima ugljika ili drugima na vrhovima tetraedra. Ova geometrija atoma ugljika odgovara alotropskim modifikacijama ugljičnog dijamanta i lonsdaleita. Ugljik ima takvu hibridizaciju, na primjer, u metanu i drugim ugljovodonicima.

trigonalni - nastaje miješanjem jedne s- i dvije p-elektronske orbitale (sp² hibridizacija). Atom ugljenika ima tri ekvivalentne σ-veze koje se nalaze u istoj ravni pod uglom od 120° jedna prema drugoj. P-orbitala, koja nije uključena u hibridizaciju i nalazi se okomito na ravan σ-veza, koristi se za formiranje π-veza s drugim atomima. Ova geometrija ugljika tipična je za grafit, fenol itd.

Digonal - nastaje miješanjem jednog s- i jednog p-elektrona (sp-hibridizacija). U ovom slučaju, dva elektronska oblaka su izdužena u istom smjeru i izgledaju kao asimetrične bučice. Druga dva p-elektrona formiraju π-veze. Ugljik s takvom geometrijom atoma formira posebnu alotropsku modifikaciju - karabin.

grafit i dijamant

Glavne i dobro proučene kristalne modifikacije ugljika su dijamant i grafit. U normalnim uslovima samo je grafit termodinamički stabilan, dok su dijamant i drugi oblici metastabilni. Pri atmosferskom pritisku i temperaturama iznad 1200 Kalmaz počinje da se transformiše u grafit, iznad 2100 K transformacija se odvija u sekundi. ΔH 0 prelaz - 1.898 kJ / mol. Pri normalnom pritisku, ugljenik sublimira na 3780 K. Tečni ugljenik postoji samo pri određenom spoljašnjem pritisku. Trostruke tačke: grafit-tečnost-para T = 4130 K, p = 10,7 MPa. Direktan prijelaz grafita u dijamant događa se na 3000 K i pritisku od 11-12 GPa.

Pri pritiscima iznad 60 GPa, pretpostavlja se formiranje vrlo guste modifikacije C III (gustina je 15-20% veća od dijamanta) sa metalnom provodljivošću. Pri visokim pritiscima i relativno niskim temperaturama (oko 1200 K), visoko orijentirani grafit formira heksagonalnu modifikaciju ugljika sa kristalnom rešetkom vurcit-lonsdaleita (a = 0,252 nm, c = 0,412 nm, prostorna grupa R6 3 /tts), gustoća 3. g / cm³, odnosno isto kao i dijamant. Lonsdaleit se također nalazi u meteoritima.

Ultrafini dijamanti (nanodijamanti)

1980-ih godina u SSSR-u je otkriveno da u uvjetima dinamičkog opterećenja materijala koji sadrže ugljik mogu nastati strukture nalik dijamantu, koje se nazivaju ultrafini dijamanti (UDD). Trenutno se sve više koristi termin "nanodijamanti". Veličina čestica u takvim materijalima je nekoliko nanometara. Uslovi za formiranje UDD mogu se ostvariti prilikom detonacije eksploziva sa značajnim negativnim balansom kiseonika, na primjer, mješavine TNT-a sa RDX-om. Ovakvi uslovi se mogu ostvariti i prilikom udara nebeskih tela na površinu Zemlje u prisustvu materijala koji sadrže ugljenik (organske materije, treset, ugalj itd.). Tako su u zoni pada Tunguskog meteorita UDD pronađeni u šumskoj legli.

Karabin

Kristalna modifikacija ugljika heksagonalne singonije sa lančanom strukturom molekula naziva se karbin. Lanci su ili polienski (—C≡C—) ili polikumulenski (=C=C=). Poznato je nekoliko oblika karabina, koji se razlikuju po broju atoma u jediničnoj ćeliji, veličini ćelije i gustoći (2,68-3,30 g/cm³). Karbin se u prirodi javlja u obliku minerala haoita (bijele žile i inkluzije u grafitu) i dobiva se umjetno oksidativnom dehidropolikondenzacijom acetilena, djelovanjem laserskog zračenja na grafit, iz ugljovodonika ili CCl 4 u niskotemperaturnoj plazmi.

Karabin je crni sitnozrnati prah (gustine 1,9-2 g/cm³) sa svojstvima poluprovodnika. Dobija se u veštačkim uslovima iz dugih lanaca atoma ugljenik položene paralelno jedna na drugu.

Carbyne je linearni polimer ugljika. U molekuli karbina, atomi ugljika su povezani u lance naizmjenično ili trostrukim i jednostrukim vezama (polienska struktura) ili trajno dvostrukim vezama (polikumulenska struktura). Ovu supstancu prvi su dobili sovjetski hemičari V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin i Yu.P. Kudryavtsev početkom 60-ih. in Institut za organoelementna jedinjenja Akademije nauka SSSR.Karbin ima poluprovodnička svojstva, a pod uticajem svetlosti njegova provodljivost se jako povećava. Prva praktična primjena zasnovana je na ovoj osobini - u fotoćelijama.

Fulereni i ugljične nanocijevi

Ugljik je poznat i u obliku klaster čestica C 60 , C 70 , C 80 , C 90 , C 100 i sličnih (fulereni), kao i grafena i nanocijevi.

amorfni ugljenik

Struktura amorfnog ugljenika zasniva se na neuređenoj strukturi monokristalnog (uvek sadrži nečistoće) grafita. To su koks, mrki i kameni ugalj, čađa, čađ, aktivni ugljen.

Biti u prirodi

Sadržaj ugljika u zemljinoj kori iznosi 0,1% mase. Slobodni ugljik se u prirodi nalazi u obliku dijamanta i grafita. Glavna masa ugljenika u obliku prirodnih karbonata (vapnenci i dolomiti), fosilna goriva - antracit (94-97% C), mrki ugalj (64-80% C), crni ugalj (76-95% C), nafta škriljac (56-97% C), 78% C), nafta (82-87% C), zapaljivi prirodni gasovi (do 99% metana), treset (53-56% C), kao i bitumen itd. U atmosferi i hidrosferi je u obliku ugljičnog dioksida CO 2 , u zraku 0,046% CO 2 po masi, u vodama rijeka, mora i okeana ~ 60 puta više. Ugljik je prisutan u biljkama i životinjama (~18%).
Ugljik ulazi u ljudsko tijelo s hranom (normalno oko 300 g dnevno). Ukupan sadržaj ugljika u ljudskom tijelu dostiže oko 21% (15 kg na 70 kg tjelesne težine). Ugljik čini 2/3 mišićne mase i 1/3 koštane mase. Izlučuje se iz organizma uglavnom izdahnutim zrakom (ugljični dioksid) i urinom (urea)
Ciklus ugljika u prirodi uključuje biološki ciklus, oslobađanje CO 2 u atmosferu tokom sagorevanja fosilnih goriva, iz vulkanskih gasova, toplih mineralnih izvora, iz površinskih slojeva okeanskih voda, itd. Biološki ciklus se sastoji u tome što da biljke upijaju ugljenik u obliku CO 2 iz troposfere . Zatim se iz biosfere ponovo vraća u geosferu: s biljkama ugljik ulazi u organizme životinja i ljudi, a zatim, kada se životinjski i biljni materijali raspadnu, u tlo i u obliku CO 2 u atmosferu.

U parnom stanju iu obliku jedinjenja sa azotom i vodonikom, ugljenik se nalazi u atmosferi Sunca, planeta, nalazi se u kamenim i gvozdenim meteoritima.

Većina jedinjenja ugljenika, a pre svega ugljovodonika, imaju izražen karakter kovalentnih jedinjenja. Jačina jednostrukih, dvostrukih i trostrukih veza C atoma među sobom, sposobnost formiranja stabilnih lanaca i ciklusa od C atoma određuju postojanje ogromnog broja spojeva koji sadrže ugljik koje proučava organska hemija.

Hemijska svojstva

Na uobičajenim temperaturama, ugljenik je hemijski inertan, na dovoljno visokim temperaturama kombinuje se sa mnogim elementima i pokazuje jaka redukciona svojstva. Hemijska aktivnost različitih oblika ugljika opada u nizu: amorfni ugljik, grafit, dijamant; na zraku se pale na temperaturama iznad 300–500 °C, 600–700 °C, odnosno 850–1000 °C.

Oksidacijska stanja +4, −4, rijetko +2 (CO, metalni karbidi), +3 (C 2 N 2, halocijanati); afinitet prema elektronu 1,27 eV; energija jonizacije tokom sukcesivnog prelaza sa C 0 na C 4+ je 11,2604, 24,383, 47,871 i 64,19 eV, respektivno.

neorganska jedinjenja

Ugljik reagira s mnogim elementima i formira karbide.

Proizvodi sagorevanja su ugljen monoksid CO i ugljen dioksid CO 2 . Poznat je i nestabilni oksid C 3 O 2 (tačka topljenja -111°C, tačka ključanja 7°C) i neki drugi oksidi. Grafit i amorfni ugljenik počinju da reaguju sa H 2 na 1200°C, sa F 2 na 900°C, respektivno.

CO 2 sa vodom stvara slabu ugljičnu kiselinu - H 2 CO 3, koja formira soli - karbonate. Na Zemlji su najrasprostranjeniji karbonati kalcij (kreda, mermer, kalcit, krečnjak i drugi minerali) i magnezij (dolomit).

Grafit stvara spojeve inkluzije sa halogenima, alkalnim metalima i drugim supstancama. Kada se električno pražnjenje prođe između ugljičnih elektroda u N 2 mediju, nastaje cijanid, a na visokim temperaturama cijanovodonična kiselina se dobiva interakcijom ugljika sa mješavinom H 2 i N 2. Sa sumporom, ugljenik daje ugljen-disulfid CS 2 , poznati su i CS i C 3 S 2 . Sa većinom metala, bora i silicijuma, ugljenik stvara karbide. Reakcija ugljika s vodenom parom važna je u industriji: C + H 2 O \u003d CO + H 2 (Gasifikacija čvrstih goriva). Kada se zagrije, ugljen reducira metalne okside u metale, što se široko koristi u metalurgiji.

organska jedinjenja

Zbog sposobnosti ugljika da formira polimerne lance, postoji ogromna klasa spojeva na bazi ugljika, koji su mnogo brojniji od neorganskih, a koji se bave proučavanjem organske hemije. Među njima su najopsežnije grupe: ugljovodonici, proteini, masti itd.

Jedinjenja ugljika čine osnovu zemaljskog života, a njihova svojstva u velikoj mjeri određuju raspon uslova u kojima takvi oblici života mogu postojati. U pogledu broja atoma u živim ćelijama, udio ugljenika je oko 25%, u odnosu na maseni udio, oko 18%.

Aplikacija

Grafit se koristi u industriji olovaka. Također se koristi kao mazivo na posebno visokim ili niskim temperaturama.

Dijamant je zbog svoje izuzetne tvrdoće nezamjenjiv abrazivni materijal. Mlaznice za brušenje bušilica imaju dijamantski premaz. Osim toga, fasetirani dijamanti se koriste kao drago kamenje u nakitu. Zbog svoje rijetkosti, visokih dekorativnih kvaliteta i spleta istorijskih okolnosti, dijamant je konstantno najskuplji dragi kamen. Izuzetno visoka toplotna provodljivost dijamanta (do 2000 W/m.K) čini ga obećavajućim materijalom za poluprovodničku tehnologiju kao podlogu za procesore. Ali relativno visoka cijena (oko 50 USD/gram) i složenost obrade dijamanata ograničavaju njegovu primjenu u ovoj oblasti.
U farmakologiji i medicini široko se koriste različiti spojevi ugljika - derivati ​​ugljične kiseline i karboksilnih kiselina, različiti heterocikli, polimeri i drugi spojevi. Dakle, karbolen (aktivni ugljen) se koristi za apsorpciju i uklanjanje raznih toksina iz tijela; grafit (u obliku masti) - za liječenje kožnih bolesti; radioaktivni izotopi ugljika - za naučna istraživanja (radiokarbonska analiza).

Ugljik igra veliku ulogu u ljudskom životu. Njegove primjene su raznolike kao i sam ovaj višestrani element.

Ugljik je osnova svih organskih tvari. Svaki živi organizam se sastoji uglavnom od ugljika. Ugljik je osnova života. Izvor ugljika za žive organizme obično je CO 2 iz atmosfere ili vode. Kao rezultat fotosinteze, ulazi u biološke lance ishrane u kojima živa bića proždiru jedno drugo ili ostatke jedni drugih i na taj način izvlače ugljik za izgradnju vlastitog tijela. Biološki ciklus ugljika završava se ili oksidacijom i povratkom u atmosferu, ili odlaganjem u obliku uglja ili nafte.

Ugljik u obliku fosilnih goriva: ugalj i ugljovodonici (nafta, prirodni plin) jedan je od najvažnijih izvora energije za čovječanstvo.

Toksično djelovanje

Ugljik je dio atmosferskih aerosola, zbog čega se regionalna klima može promijeniti i smanjiti broj sunčanih dana. Ugljik ulazi u okoliš u obliku čađi kao dio izduvnih plinova motornih vozila, kada se ugalj sagorijeva u termoelektranama, prilikom površinske eksploatacije uglja, njegove podzemne gasifikacije, dobijanja koncentrata uglja itd. Koncentracija ugljika pri sagorijevanju izvori su 100–400 μg/m 4-15,9 µg/m³, ruralna područja 0,5-0,8 µg/m³. Sa gasno-aerosolnim emisijama iz NPP (6-15) ulazi u atmosferu.10 9 Bq/dan 14 CO 2 .

Visok sadržaj ugljika u atmosferskim aerosolima dovodi do povećanja incidencije populacije, posebno gornjih disajnih puteva i pluća. Profesionalne bolesti su uglavnom antrakoza i prašnjavi bronhitis. U vazduhu radnog prostora MPC, mg/m³: dijamant 8,0, antracit i koks 6,0, ugalj 10,0, čađa i ugljenična prašina 4,0; u atmosferskom zraku, maksimalno jednokratno 0,15, prosječno dnevno 0,05 mg/m³.

Toksični efekat 14 C, koji je uključen u sastav proteinskih molekula (posebno u DNK i RNK), određen je efektom zračenja beta čestica i jezgri povratnog azota (14 C (β) → 14 N) i transmutacijom efekat - promena hemijskog sastava molekula kao rezultat transformacije atoma C u atom N. Dozvoljena koncentracija od 14 C u vazduhu radnog prostora DK A 1,3 Bq/l, u atmosferskom vazduhu DK B 4,4 Bq/l, u vodi 3,0,10 4 Bq/l, maksimalno dozvoljeni unos kroz respiratorni sistem 3,2,10 8 Bq/god.

Dodatne informacije

— Jedinjenja ugljenika
— Radiokarbonska analiza
— Ortokarboksilna kiselina

Alotropni oblici ugljika:

dijamant
Grafen
Grafit
Karabin
Lonsdaleite
ugljične nanocijevi
Fullereni

Amorfni oblici:

Čađ
čađa
Ugalj

Izotopi ugljika:

Nestabilan (manje od jednog dana): 8C: Ugljik-8, 9C: Ugljik-9, 10C: Ugljik-10, 11C: Ugljik-11
Stabilno: 12C: ugljenik-12, 13C: ugljenik-13
10-10.000 godina: 14C: Ugljik-14
Nestabilan (manje od jednog dana): 15C: ugljenik-15, 16C: ugljenik-16, 17C: ugljenik-17, 18C: ugljenik-18, 19C: ugljenik-19, 20C: ugljenik-20, 21C: ugljenik-21, 22C: Ugljik-22

Tabela nuklida

Ugljik, Karbonej, C (6)
Ugljik (engleski Carbon, francuski Carbone, njemački Kohlenstoff) u obliku uglja, čađi i čađi poznat je čovječanstvu od pamtivijeka; Prije oko 100 hiljada godina, kada su naši preci ovladali vatrom, svakodnevno su se bavili ugljem i čađom. Vjerovatno su se vrlo rano ljudi upoznali sa alotropskim modifikacijama ugljika - dijamantom i grafitom, kao i sa fosilnim ugljem. Nije iznenađujuće da je sagorijevanje ugljičnih tvari bio jedan od prvih kemijskih procesa koji je zainteresirao čovjeka. Budući da je goruća supstanca nestala, nakon što je proždirela vatra, sagorijevanje se smatralo procesom razgradnje tvari, pa se ugalj (ili ugljik) nije smatrao elementom. Element je bio vatra, fenomen koji prati sagorevanje; u učenjima o elementima antike, vatra obično figurira kao jedan od elemenata. Na prijelazu iz XVII - XVIII vijeka. nastala je teorija flogistona koju su iznijeli Becher i Stahl. Ova teorija je prepoznala prisustvo u svakom zapaljivom tijelu posebne elementarne tvari - bestežinske tekućine - flogistona, koja isparava tijekom sagorijevanja.

Kada se sagori velika količina uglja, ostane samo malo pepela, flogistika je vjerovala da je ugalj gotovo čisti flogiston. Ovo je bilo objašnjenje, posebno, za "flogistički" efekat uglja, njegovu sposobnost da obnavlja metale iz "kreča" i ruda. Kasniji flogistika, Réaumur, Bergman i drugi, već su počeli shvaćati da je ugalj elementarna supstanca. Međutim, prvi put je "čisti ugalj" kao takav prepoznao Lavoisier, koji je proučavao proces sagorijevanja uglja i drugih tvari u zraku i kisiku. U knjizi Guitona de Morveaua, Lavoisiera, Bertholleta i Fourcroixa "Metoda hemijske nomenklature" (1787.), ime "ugljik" (ugljik) pojavilo se umjesto francuskog "čisti ugalj" (charbone pur). Pod istim imenom, ugljenik se pojavljuje u "Tablici jednostavnih tijela" u Lavoisierovom "Elementarnom udžbeniku hemije". Godine 1791, engleski hemičar Tennant je prvi dobio slobodan ugljenik; propuštao je fosfornu paru preko kalcinirane krede, što je rezultiralo stvaranjem kalcijum fosfata i ugljika. Činjenica da dijamant gori bez ostatka kada se jako zagrije poznata je odavno. Davne 1751. godine francuski kralj Franjo I pristao je dati dijamant i rubin za eksperimente sa spaljivanjem, nakon čega su ti eksperimenti čak postali moderni. Ispostavilo se da samo dijamant gori, a rubin (aluminij oksid s primjesom hroma) izdržava dugotrajno zagrijavanje u fokusu zapaljivog sočiva bez oštećenja. Lavoisier je postavio novi eksperiment sagorevanja dijamanta uz pomoć velike zapaljive mašine i došao do zaključka da je dijamant kristalni ugljenik. Drugi alotrop ugljika - grafit u alhemijskom periodu smatran je modifikovanim olovnim sjajem i zvao se plumbago; tek 1740. Pott je otkrio odsustvo bilo kakve nečistoće olova u grafitu. Scheele je proučavao grafit (1779) i, kao flogičar, smatrao ga je sumpornim tijelom posebne vrste, posebnim mineralnim ugljenom koji sadrži vezanu "vazdušnu kiselinu" (CO2) i veliku količinu flogistona.

Dvadeset godina kasnije Guiton de Morveau je blagim zagrijavanjem pretvorio dijamant u grafit, a zatim u ugljičnu kiselinu.

Međunarodni naziv Carboneum dolazi od lat. karbo (ugalj). Riječ je vrlo drevnog porijekla. Upoređuje se sa kremarom - spaliti; koren saga, cal, ruski gar, gal, cilj, sanskrit sta znači kuvati, kuvati. Riječ "karbon" povezana je s nazivima ugljika u drugim evropskim jezicima (ugljik, ugljik, itd.). Njemački Kohlenstoff dolazi od Kohle - ugalj (staronjemačko kolo, švedski kylla - grijati). Staroruski ugorati, ili ugarati (goreti, opaliti) ima korijen gar, ili planine, s mogućim prijelazom na cilj; ugalj na staroruskom yug'l, ili ugalj, istog porijekla. Reč dijamant (Diamante) dolazi od starogrčkog – neuništiv, nepokolebljiv, tvrd, a grafit od grčkog – pišem.

Početkom XIX veka. stara reč ugalj u ruskoj hemijskoj literaturi ponekad je zamenjena rečju "ugalj" (Sherer, 1807; Severgin, 1815); od 1824. Solovjov uvodi naziv ugljenik.

DEFINICIJA

Karbon- šesti element periodnog sistema. Oznaka - C od latinskog "carboneum". Smješten u drugom periodu, IVA grupa. Odnosi se na nemetale. Nuklearni naboj je 6.

Ugljik se u prirodi nalazi u slobodnom stanju i u obliku brojnih spojeva. Slobodni ugljik se javlja kao dijamant i grafit. Osim fosilnog uglja, u utrobi Zemlje postoje i velike akumulacije nafte. Ogromne količine soli ugljične kiseline, posebno kalcijum karbonata, nalaze se u zemljinoj kori. Ugljični dioksid uvijek ima u zraku. Konačno, biljni i životinjski organizmi sastoje se od tvari u čijem stvaranju sudjeluje ugljik. Dakle, ovaj element je jedan od najčešćih na Zemlji, iako je njegov ukupan sadržaj u zemljinoj kori samo oko 0,1% (tež.).

Atomska i molekularna težina ugljika

Relativna molekulska težina supstance (M r) je broj koji pokazuje koliko je puta masa date molekule veća od 1/12 mase atoma ugljika, i relativna atomska masa elementa (Ar r) je koliko je puta prosječna masa atoma nekog kemijskog elementa veća od 1/12 mase atoma ugljika.

Budući da u slobodnom stanju ugljik postoji u obliku jednoatomskih C molekula, vrijednosti njegove atomske i molekularne mase su iste. One su jednake 12,0064.

Alotropija i alotropske modifikacije ugljika

U slobodnom stanju ugljenik postoji u obliku dijamanta koji kristališe u kubnom i heksagonalnom (lonsdaleit) sistemu i grafita koji pripada heksagonalnom sistemu (slika 1). Oblici ugljika kao što su drveni ugljen, koks ili čađ imaju neuređenu strukturu. Postoje i alotropske modifikacije dobijene sintetičkim - to su karbin i polikumulen - ugljične varijante izgrađene od linearnih lančanih polimera tipa -C= C- ili = C = C=.

Rice. 1. Alotropske modifikacije ugljika.

Poznate su i alotropske modifikacije ugljika, koje imaju sljedeće nazive: grafen, fuleren, nanocijevi, nanovlakna, astralen, stakleni ugljik, kolosalne nanocijevi; amorfni ugljik, ugljični nanopupoljci i ugljična nanopjena.

Izotopi ugljika

U prirodi, ugljenik postoji u obliku dva stabilna izotopa 12 C (98,98%) i 13 C (1,07%). Njihovi maseni brojevi su 12 odnosno 13. Jezgro izotopa ugljika 12 C sadrži šest protona i šest neutrona, a izotop 13 C sadrži isti broj protona i pet neutrona.

Postoji jedan umjetni (radioaktivni) izotop ugljika, 14 C, s poluživotom od 5730 godina.

joni ugljenika

Na vanjskom energetskom nivou atoma ugljika, postoje četiri elektrona koji su valentni:

1s 2 2s 2 2p 2 .

Kao rezultat hemijske interakcije, ugljenik može izgubiti svoje valentne elektrone, tj. budu njihov donor, i pretvaraju se u pozitivno nabijene jone ili prihvataju elektrone od drugog atoma, tj. budu njihov akceptor i pretvaraju se u negativno nabijene jone:

C 0 -2e → C 2+;

C 0 -4e → C 4+;

C 0 +4e → C 4-.

Molekula i atom ugljika

U slobodnom stanju ugljik postoji u obliku jednoatomskih molekula C. Evo nekih svojstava koja karakteriziraju atom i molekulu ugljika:

Legure ugljenika

Najpoznatije legure ugljenika širom sveta su čelik i liveno gvožđe. Čelik je legura željeza i ugljika, čiji sadržaj ugljika ne prelazi 2%. U livenom gvožđu (također leguri gvožđa sa ugljenikom) sadržaj ugljenika je veći - od 2 do 4%.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte	Koja zapremina ugljen monoksida (IV) će se osloboditi (n.o.) prilikom pečenja 500 g krečnjaka koji sadrži 0,1 maseni udio nečistoća.
Rješenje	Zapisujemo jednačinu za reakciju pečenja krečnjaka: CaCO 3 \u003d CaO + CO 2 -. Nađimo masu čistog krečnjaka. Da bismo to učinili, prvo odredimo njegov maseni udio bez nečistoća: w bistri (CaCO 3) = 1 - w nečistoća = 1 - 0,1 \u003d 0,9. m čist (CaCO 3) = m (CaCO 3) × w bistar (CaCO 3); m čisto (CaCO 3) = 500 × 0,9 = 450 g. Izračunajte količinu krečnjaka: n (CaCO 3) \u003d m bistri (CaCO 3) / M (CaCO 3); n(CaCO 3) = 450/100 = 4,5 mol. Prema jednadžbi reakcije n (CaCO 3) : n (CO 2) = 1: 1, tada n (CaCO 3) = n (CO 2) = 4,5 mol. Tada će volumen oslobođenog ugljičnog monoksida (IV) biti jednak: V(CO 2) \u003d n(CO 2) × V m; V (CO 2) = 4,5 × 22,4 \u003d 100,8 litara.
Odgovori	100,8 l

PRIMJER 2

Vježbajte	Koliko će biti potrebno otopini koja sadrži 0,05 masenih udjela ili 5% hlorovodonika da neutrališe 11,2 g kalcijum karbonata?
Rješenje	Zapisujemo jednačinu za neutralizaciju kalcijum karbonata hlorovodikom: CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2 -. Pronađite količinu kalcijum karbonata: M(CaCO 3) = A r (Ca) + A r (C) + 3×A r (O); M(CaCO 3) = 40 + 12 + 3 × 16 = 52 + 48 = 100 g / mol. n (CaCO 3) \u003d m (CaCO 3) / M (CaCO 3); n (CaCO 3) = 11,2 / 100 = 0,112 mol. Prema jednadžbi reakcije n (CaCO 3) : n (HCl) \u003d 1: 2, što znači n(HCl) \u003d 2 × n (CaCO 3) = 2 × 0,224 mol. Odredite masu tvari klorovodika sadržane u otopini: M(HCl) = A r (H) + A r (Cl) = 1 + 35,5 = 36,5 g / mol. m(HCl) = n(HCl) × M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 g Izračunajte masu otopine klorovodika: m rastvor (HCl) = m(HCl) × 100 / w(HCl); m rastvor (HCl) = 8,176 × 100 / 5 = 163,52 g
Odgovori	163,52 g

Struktura dijamanta (a) i grafit (b)

Karbon(latinski carboneum) - C, hemijski element IV grupe periodnog sistema Mendeljejeva, atomski broj 6, atomska masa 12.011. U prirodi se javlja u obliku kristala dijamanta, grafita ili fulerena i drugih oblika i dio je organskih (ugalj, nafta, životinjski i biljni organizmi i dr.) i neorganskih tvari (vapnenac, soda bikarbona i dr.). Ugljik je široko rasprostranjen, ali njegov sadržaj u zemljinoj kori iznosi samo 0,19%.

Ugljik se široko koristi u obliku jednostavnih supstanci. Osim dragocjenih dijamanata, koji su predmet nakita, od velikog su značaja i industrijski dijamanti - za izradu alata za brušenje i rezanje. Drveni ugalj i drugi amorfni oblici ugljenika koriste se za dekolorizaciju, prečišćavanje, adsorpciju gasova, u oblastima tehnike gde su potrebni adsorbenti sa razvijenom površinom. Karbidi, spojevi ugljika sa metalima, kao i sa borom i silicijumom (na primer, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) su veoma tvrdi i koriste se za izradu abrazivnih i reznih alata. Ugljik je prisutan u čelicima i legurama u elementarnom stanju iu obliku karbida. Zasićenje površine čeličnih odlivaka ugljenikom pri visokoj temperaturi (naugljičenje) značajno povećava površinsku tvrdoću i otpornost na habanje.

Istorijat

Grafit, dijamant i amorfni ugljenik poznati su od antike. Odavno je poznato da se grafitom može označiti i drugi materijal, a sam naziv "grafit", koji dolazi od grčke riječi koja znači "pisati", predložio je A. Werner 1789. godine. Međutim, povijest grafita je zbunjeni, često su se za njega zamijenile tvari sa sličnim vanjskim fizičkim svojstvima, kao što je molibdenit (molibden sulfid), koji se nekada smatrao grafitom. Između ostalih naziva grafita poznati su "crno olovo", "gvozdeni karbid", "srebrno olovo".

Godine 1779. K. Scheele je otkrio da se grafit može oksidirati zrakom i formirati ugljični dioksid. Po prvi put, dijamanti su našli upotrebu u Indiji, au Brazilu je drago kamenje dobilo komercijalni značaj 1725. godine; nalazišta u Južnoj Africi otkrivena su 1867.

U 20. veku Glavni proizvođači dijamanata su Južna Afrika, Zair, Bocvana, Namibija, Angola, Sijera Leone, Tanzanija i Rusija. Umjetni dijamanti, čija je tehnologija stvorena 1970. godine, proizvode se u industrijske svrhe.

Svojstva

Poznate su četiri kristalne modifikacije ugljika:

• grafit,
• dijamant,
• karabin,
• lonsdaleite.

Grafit- sivo-crna, neprozirna, masna na dodir, ljuskava, vrlo mekana masa metalnog sjaja. Na sobnoj temperaturi i normalnom pritisku (0,1 MN/m2, ili 1 kgf/cm2), grafit je termodinamički stabilan.

dijamant- vrlo čvrsta, kristalna supstanca. Kristali imaju kubičnu rešetku usmjerenu na lice. Na sobnoj temperaturi i normalnom pritisku, dijamant je metastabilan. Primetna transformacija dijamanta u grafit se primećuje na temperaturama iznad 1400°C u vakuumu ili u inertnoj atmosferi. Pri atmosferskom pritisku i temperaturi od oko 3700°C grafit sublimira.

Tečni ugljenik se može dobiti pri pritiscima iznad 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) i temperaturama iznad 3700°C. Čvrsti ugljik (koks, čađ, drveni ugljen) također karakterizira stanje s neuređenom strukturom - takozvani "amorfni" ugljik, koji nije nezavisna modifikacija; njegova struktura je zasnovana na strukturi sitnozrnog grafita. Zagrijavanje nekih vrsta "amorfnog" ugljika iznad 1500-1600 ° C bez zraka uzrokuje njihovu transformaciju u grafit.

Fizička svojstva "amorfnog" ugljika jako zavise od disperzije čestica i prisutnosti nečistoća. Gustina, toplinski kapacitet, toplinska provodljivost i električna provodljivost "amorfnog" ugljika uvijek je veća od grafita.

Karabin dobijene veštački. To je fino kristalni prah crne boje (gustine 1,9-2 g/cm 3). Izgrađen od dugih lanaca atoma OD položene paralelno jedna na drugu.

Lonsdaleite pronađeni u meteoritima i dobiveni umjetno; njegova struktura i svojstva nisu konačno utvrđeni.

Svojstva ugljenika
atomski broj		6
Atomska masa		12,011
izotopi:	stabilan	12, 13
	nestabilno	8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
Temperatura topljenja		3550°C
Temperatura ključanja		4200°S
Gustina		1,9-2,3 g / cm 3 (grafit) 3,5-3,53 g / cm 3 (dijamant)
tvrdoća (Mohs)		1-2
Sadržaj u zemljinoj kori (mas.)		0,19%
Stanja oksidacije		-4; +2; +4

Legure

Čelik

Koks se koristi u metalurgiji kao redukciono sredstvo. Drveni ugalj - u kovačnicama, za dobijanje baruta (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), za apsorpciju gasova (adsorpcija), kao i u svakodnevnom životu. Čađ se koristi kao gumeno punilo, za proizvodnju crnih boja - tiskarske boje i tinte, kao i u suhim galvanskim ćelijama. Stakleni ugljik se koristi za proizvodnju opreme za visoko agresivna okruženja, kao i u avijaciji i astronautici.

Aktivni ugalj apsorbira štetne tvari iz plinova i tekućina: puni gas maske, sisteme za pročišćavanje, koristi se u medicini za trovanja.

Ugljik je osnova svih organskih tvari. Svaki živi organizam se sastoji uglavnom od ugljika. Ugljik je osnova života. Izvor ugljika za žive organizme obično je CO 2 iz atmosfere ili vode. Kao rezultat fotosinteze, ulazi u biološke lance ishrane u kojima živa bića jedu jedno drugo ili ostatke jedni drugih i na taj način izvlače ugljik za izgradnju vlastitog tijela. Biološki ciklus ugljika završava se ili oksidacijom i povratkom u atmosferu, ili odlaganjem u obliku uglja ili nafte.

Upotreba radioaktivnog izotopa 14 C doprinijela je uspjehu molekularne biologije u proučavanju mehanizama biosinteze proteina i prijenosa nasljednih informacija. Određivanje specifične aktivnosti 14 C u karbonskim organskim ostacima omogućava suđenje o njihovoj starosti, što se koristi u paleontologiji i arheologiji.

Izvori

Hemijski elementi i materijali
Hemijski elementi	Nitrogen. Argon. Vodonik. Helijum. Iron . Kalcijum. Kiseonik. Silicijum. Magnezijum. Mangan.