1. Minden szerves vegyületben a szénatom vegyértéke 4.

2. A szén képes egyszerű és nagyon összetett molekulákat képezni (nagy molekulatömegű vegyületek: fehérjék, gumik, műanyagok).

3. A szénatomok nemcsak más atomokkal, hanem egymással is egyesülnek, különféle szén-szénláncokat alkotva - egyenes, elágazó, zárt:

4. A szénvegyületekre jellemző az izoméria jelensége, i.e. amikor az anyagok minőségi és mennyiségi összetétele azonos, de kémiai szerkezete eltérő, és ezért eltérő tulajdonságaik is. Például: a C 2 H 6 O tapasztalati képlet az anyagok két különböző szerkezetének felel meg:

etil-alkohol, dimetil-éter,

folyékony, t 0 kip. \u003d +78 0 С gáz, t 0 kip. \u003d -23,7 0 С

Ezért az etil-alkohol és a dimetil-éter izomerek.

5. A legtöbb szerves anyag vizes oldata nem elektrolit, molekuláik nem bomlanak ionokra.

Izomerizmus.

1823-ban fedezték fel a jelenséget izoméria- azonos molekulaösszetételű, de eltérő tulajdonságú anyagok létezése. Mi a különbség az izomerek között? Mivel összetételük azonos, az okot csak a molekulában lévő atomok kapcsolódási sorrendjében lehet keresni.

Még a kémiai szerkezet elméletének megalkotása előtt A.M. Butlerov megjósolta, hogy a CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 t 0 lineáris szerkezetű C 4 H 10 butánra (fp. -0,5 0 C) egy másik, azonos molekulaképletű anyag létezése, de eltérő szénatomok kapcsolódási sorrendjével egy molekulában:

izobután

t 0 kip. - 11,7 0 С

Így, izomerek- ezek olyan anyagok, amelyeknek azonos a molekulaképlete, de eltérő a kémiai szerkezetük, és ezért eltérőek a tulajdonságai. Az izomerizmusnak két fő típusa van – szerkezetiés térbeli.

Szerkezeti izomereknek nevezzük, amelyek a molekulában az atomok kapcsolódási sorrendje eltérő. Három típusa van:

A szénváz izomerizmusa:

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

Többszörös kötés izoméria:

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

Interclass izoméria:

propionsav

Térbeli izoméria. A térbeli izomerek mindegyik szénatomján ugyanazok a szubsztituensek vannak. De különböznek egymástól térbeli elrendezésükben. Ennek az izomériának két típusa van: geometriai és optikai. A geometriai izoméria a sík molekulaszerkezetű vegyületekre jellemző (alkének, cikloalkánok, alkadiének stb.). Ha ugyanazok a szénatomok szubsztituensei, például kettős kötéssel, a molekula síkjának egyik oldalán vannak, akkor ez cisz-izomer lesz, az ellenkező oldalon - transz-izomer:

Optikai izoméria- jellemző az aszimmetrikus szénatomot tartalmazó vegyületekre, amelyek négy különböző szubsztituenshez kapcsolódnak. Az optikai izomerek egymás tükörképei. Például:

Az atom elektronszerkezete.

Az atom szerkezetét a szervetlen kémia és a fizika tanulmányozza. Ismeretes, hogy egy atom határozza meg a kémiai elem tulajdonságait. Az atom egy pozitív töltésű magból áll, amelyben teljes tömege koncentrálódik, és az atommagot körülvevő negatív töltésű elektronokból.

Mivel a reagáló atomok magjai a kémiai reakciók során nem változnak, az atomok fizikai és kémiai tulajdonságai az atomok elektronhéjának szerkezetétől függenek. Az elektronok mozoghatnak egyik atomról a másikra, egyesülhetnek stb. Ezért részletesen megvizsgáljuk az elektronok atomban való eloszlásának kérdését az atomok szerkezetének kvantumelmélete alapján. Ezen elmélet szerint az elektron egyszerre rendelkezik részecske (tömeg, töltés) és hullámfüggvény tulajdonságaival. A mozgó elektronok esetében lehetetlen meghatározni a pontos helyét. Az űrben, az atommag közelében helyezkednek el. Meghatározható valószínűség elektron megtalálása a tér különböző részein. Az elektron ebben a térben mintegy "elkenődik" felhő formájában (1. ábra), amelynek sűrűsége csökken.

1. kép

A térnek azt a tartományát nevezzük, amelyben az elektron megtalálásának valószínűsége maximális (≈ 95%) orbitális.

A kvantummechanika szerint az atomban lévő elektronok állapotát négy kvantumszám határozza meg: fő- (n), orbitális (l), mágneses(m)és spin(s).

Főkvantumszám n - jellemzi az elektron energiáját, a pálya távolságát az atommagtól, azaz. energiaszintet és értéket vesz fel 1, 2, 3 stb. vagy K, L, M, N stb. Az n = 1 érték a legalacsonyabb energiának felel meg. A növekedéssel n az elektron energiája nő. Az energiaszintben lévő elektronok maximális számát a következő képlet határozza meg: N = 2n2, ahol n a szintszám, tehát amikor:

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

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

Az energiaszinteken belül az elektronok alszintekbe (vagy alhéjakba) rendeződnek. Számuk megfelel az energiaszint számának, de jellemzik őket l pályakvantumszám, amely meghatározza a pálya alakját. 0 és n-1 közötti értékeket vesz fel. Nál nél

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

Egy részszinten az elektronok maximális számát a következő képlet határozza meg: 2(2l + 1). Az alszinteknél a betűjelölések elfogadhatók:

l = 1, 2, 3, 4

Ezért, ha n = 1, l= 0, s alszint.

n = 2 l= 0, 1, s alszint, p.

Az elektronok maximális száma az alszintekben:

N s = 2 N d = 10

N p = 6 N f = 14 stb.

Ennél több elektron nem lehet az alszinteken. Az elektronfelhő alakját az érték határozza meg l. Nál nél
l= 0 (s-pálya) az elektronfelhő gömb alakú és nincs térbeli orientációja.

2. ábra.

Az l = 1 (p-pálya) esetén az elektronfelhő súlyzó vagy "nyolcas ábra" alakú:

3. ábra

Mágneses kvantumszám jellemzi
pályák elrendezése a térben. Bármilyen szám értékét felveheti –l-től +l-ig, beleértve a 0-t is. A mágneses kvantumszám lehetséges értékeinek száma adott értékhez l egyenlő (2 l+ 1). Például:

l= 0 (s-pálya) m = 0, azaz. Az s pályának csak egy pozíciója van a térben.

l= 1 (p-pálya) m = -1, 0, +1 (3 érték).

l= 2 (d-pálya) m = -2, -1, 0, +1, +2 stb.

a p és d pályáknak 3, illetve 5 állapota van.

A p pályák a koordinátatengelyek mentén megnyúltak, és p x , p y , p z -pályákkal jelöljük.

Spin kvantumszám s- jellemzi az elektron saját tengelye körüli forgását az óramutató járásával megegyező és azzal ellentétes irányban. Csak két értéke lehet +1/2 és -1/2. Az atom elektronhéjának szerkezetét egy elektronikus képlet ábrázolja, amely az elektronok energiaszintek és alszintek közötti eloszlását mutatja. Ezekben a képletekben az energiaszinteket 1, 2, 3, 4 ... számokkal, az alszinteket s, p, d, f betűkkel jelöljük. Az elektronok számát egy részszinten hatványként írjuk fel. Például: az elektronok maximális száma s 2 , p 6 , d 10 , f 14 .

Az elektronikus képleteket gyakran grafikusan ábrázolják, amelyek az elektronok eloszlását nemcsak szinteken és alszinteken, hanem pályákon is megmutatják, amelyeket téglalappal jelölünk. Az alszinteket kvantumsejtekre osztják.

Ingyenes kvantumcella

Sejt párosítatlan elektronnal

Párosított elektronokkal rendelkező sejt

Az s-alszinten egy kvantumcella található.

A p-alszinten 3 kvantumsejt található.

A d-alszinten 5 kvantumsejt található.

Az f-alszinten 7 kvantumsejt található.

Meghatározzuk az elektronok atomokban való eloszlását Pauli elvés Gund szabálya. A Pauli-elv szerint: Egy atomnak nem lehetnek elektronjai, amelyek mind a négy kvantumszámának azonos értékűek. A Pauli-elvnek megfelelően egy energiacellában egy, maximum két ellentétes spinű elektron lehet. A cellák feltöltése a Hund-elv szerint történik, mely szerint minden egyes cellában először egyenként helyezkednek el az elektronok, majd ha egy adott részszint összes cellája foglalt, akkor megkezdődik az elektronok párosítása.

Az atomi elektronpályák kitöltésének sorrendjét V. Klechkovsky szabályai határozzák meg, az összegtől függően (n + l):

először azokat az alszinteket töltik ki, amelyeknél ez az összeg kisebb;

az összeg azonos értékeire (n + l) először az alszintet egy kisebb értékkel töltik ki n.

Például:

a) fontolja meg a 3d és 4s alszint kitöltését. Határozzuk meg az összeget (n + l):

y 3d(n + l) = 3 + 2 = 5, y 4s (n + l) = 4 + 0 = 4, tehát először a 4s alszint, majd a 3d alszint kerül kitöltésre.

b) a 3d, 4p, 5s alszinteknél az értékek összege (n + l) = 5. A Klecskovszkij-szabálynak megfelelően a kitöltés kisebb n értékkel kezdődik, azaz. 3d → 4p → 5s. Az atomok energiaszintjeinek és részszintjeinek elektronokkal való feltöltése a következő sorrendben történik: vegyérték n = 2 n = 1

A Be-nek van egy páros elektronpárja a 2s 2 alszinten. Ahhoz, hogy energiát hozzunk kívülről, ez az elektronpár szétválasztható, és az atom vegyértékké tehető. Ebben az esetben egy elektron átmenete egyik alszintről a másik alszintre történik. Ezt a folyamatot ún az elektron gerjesztése. A grafikus képlet Légy gerjesztett állapotban így fog kinézni:

és a vegyérték 2.

Szén(lat. Carboneum), C, a Mengyelejev-periódusos rendszer IV. csoportjába tartozó kémiai elem, 6-os rendszám, atomtömeg 12.011. Két stabil izotóp ismert: 12 C (98,892%) és 13 C (1,108%). A radioaktív izotópok közül a legfontosabb a 14 C felezési idővel (T ½ \u003d 5,6 10 3 év). A kozmikus sugárzás neutronjainak hatására a 14 N nitrogén izotópon folyamatosan kis mennyiségben (kb. 2 10 -10 tömegszázalék) 14 C képződik a felső légkörben, életkorukat a 14 C izotóp fajlagos aktivitása határozza meg. a biogén eredetű maradványok. A 14 C-ot széles körben használják izotóp-nyomkövetőként.

Történeti hivatkozás. A szén ősidők óta ismert. A faszén a fémek ércekből való kinyerésére szolgál, a gyémánt – drágakőként. Jóval később a grafitot tégelyek és ceruzák készítésére használták.

1778-ban K. Scheele a grafitot salétromos hevítéssel fedezte fel, hogy ebben az esetben, csakúgy, mint a szén salétromos hevítésénél, szén-dioxid szabadul fel. A gyémánt kémiai összetételét A. Lavoisier (1772) a gyémánt levegőben történő égetésével kapcsolatos kísérletei és S. Tennant (1797) tanulmányai alapján állapították meg, aki bebizonyította, hogy azonos mennyiségű gyémánt és szén egyenlő mennyiséget ad. szén-dioxid az oxidáció során. A szenet 1789-ben Lavoisier ismerte el kémiai elemként. A carboneum carbon latin elnevezése a carbo - szénből származik.

A szén eloszlása ​​a természetben. A földkéreg átlagos széntartalma 2,3 10 -2 tömeg% (1 10 -2 ultrabázikus, 1 10 -2 - bázikus, 2 10 -2 - közepes, 3 10 -2 - savas kőzetekben) . A szén a földkéreg (bioszféra) felső részén halmozódik fel: élőanyagban 18% szén, fa 50%, szén 80%, olaj 85%, antracit 96%. A litoszférában található szén jelentős része mészkövekben és dolomitokban koncentrálódik.

A saját ásványok száma szén - 112; rendkívül nagy számú szerves szénvegyület - szénhidrogének és származékaik.

A szén földkéregben történő felhalmozódásával összefügg számos más elem felhalmozódása, amelyeket a szerves anyagok abszorbeálnak, és oldhatatlan karbonátok stb. formájában kicsapódnak. A CO 2 és a szénsav fontos geokémiai szerepet tölt be a földkéregben. A vulkanizmus során hatalmas mennyiségű CO 2 szabadul fel - a Föld történetében ez volt a bioszféra fő szénforrása.

Az emberiség a földkéreg átlagos tartalmához képest kivételesen nagy mennyiségben vonja ki a mélyből a szenet (szén, olaj, földgáz), hiszen ezek a kövületek jelentik a fő energiaforrást.

A szén körforgása nagy geokémiai jelentőséggel bír.

A szén az űrben is széles körben elterjedt; a Napon a hidrogén, a hélium és az oxigén után a 4. helyet foglalja el.

A szén fizikai tulajdonságai. A szén számos kristályos módosulata ismert: grafit, gyémánt, karabély, lonsdaleit és mások. Grafit - szürkésfekete, átlátszatlan, zsíros tapintású, pikkelyes, nagyon puha massza, fémes fényű. Hatszögletű szerkezetű kristályokból épült: a = 2,462Å, c = 6,701Å. Szobahőmérsékleten és normál nyomáson (0,1 MN/m2 vagy 1 kgf/cm2) a grafit termodinamikailag stabil. A gyémánt nagyon kemény, kristályos anyag. A kristályoknak egy köbös felületű, felületközpontú rácsuk van: a = 3,560Å. Szobahőmérsékleten és normál nyomáson a gyémánt metastabil. A gyémánt észrevehető átalakulása grafittá 1400 °C feletti hőmérsékleten vákuumban vagy inert atmoszférában figyelhető meg. Légköri nyomáson és körülbelül 3700 ° C hőmérsékleten a grafit szublimál. A folyékony szén 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) feletti nyomáson és 3700°C feletti hőmérsékleten nyerhető. A szilárd szenet (koksz, korom, faszén) szintén rendezetlen szerkezetű állapot jellemzi - az úgynevezett "amorf" szén, amely nem önálló módosulás; szerkezete a finomszemcsés grafit szerkezetén alapul. Egyes "amorf" szénfajták 1500-1600 °C fölé hevítése levegő hozzáférése nélkül grafittá alakul. Az "amorf" szén fizikai tulajdonságai nagyon erősen függnek a részecskék finomságától és a szennyeződések jelenlététől. Az "amorf" szén sűrűsége, hőkapacitása, hővezető képessége és elektromos vezetőképessége mindig nagyobb, mint a grafité. Karbin mesterségesen nyert. Finom kristályos fekete por (sűrűsége 1,9-2 g/cm3). C atomok hosszú, egymással párhuzamos láncaiból épül fel. A lonsdaleitet meteoritokban találják, és mesterségesen állítják elő.

A szén kémiai tulajdonságai. A szénatom külső elektronhéjának konfigurációja 2s 2 2p 2. A szénre jellemző, hogy a külső elektronhéj 2sp 3 állapotba való gerjesztése következtében négy kovalens kötés képződik. Ezért a szén egyformán képes elektronokat vonzani és leadni. A kémiai kötés az sp 3 -, sp 2 - és sp-hibrid pályák révén valósítható meg, amelyek a 4, 3 és 2 koordinációs számoknak felelnek meg. A szén vegyértékelektronjainak száma és a vegyértékpályák száma megegyezik ; ez az egyik oka a szénatomok közötti kötés stabilitásának.

A szénatomok egyedülálló képessége, hogy erős és hosszú láncokat és ciklusokat képezzenek egymással, rengeteg különféle szénvegyület megjelenéséhez vezetett, amelyeket a szerves kémia vizsgált.

A vegyületekben a szén oxidációs foka -4; +2; +4. Atomsugár 0,77 A, kovalens sugarak 0,77 A, 0,67 A, 0,60 A egyszeres, kettős és hármas kötésekben; ionsugár C 4- 2,60Å, C 4+ 0,20Å. Szokásos körülmények között a szén kémiailag inert, magas hőmérsékleten sok elemmel egyesül, erős redukáló tulajdonságokat mutatva. A kémiai aktivitás csökken a sorozatban: "amorf" Szén, grafit, gyémánt; kölcsönhatás a légköri oxigénnel (égés) 300-500 °C, 600-700 °C és 850-1000 °C feletti hőmérsékleten megy végbe, szén-monoxid (IV) CO 2 és szén-monoxid (II) CO képződésével.

A CO 2 vízben oldva szénsavat képez. 1906-ban O. Diels C 3 O 2 szén-szuboxidot kapott. A szén minden formája ellenáll a lúgoknak és savaknak, és csak nagyon erős oxidálószerek (króm keverék, tömény HNO 3 és KClO 3 keveréke és mások) oxidálják lassan. Az "amorf" szén szobahőmérsékleten fluorral, hevítéskor grafittal és gyémánttal reagál. A szén és a klór közvetlen kapcsolata elektromos ívben történik; brómmal és jóddal A szén nem reagál, így számos szén-halogenid szintetizálódik közvetetten. A COX 2 általános képletű oxihalogenidek közül (ahol X jelentése halogénatom) a COCl-klorid (foszgén) a legismertebb. A hidrogén nem lép kölcsönhatásba a gyémánttal; grafittal és "amorf" szénnel reagál magas hőmérsékleten katalizátorok (Ni, Pt) jelenlétében: 600-1000 °C-on főleg metán CH 4 képződik, 1500-2000 °C-on - acetilén C 2 H 2 ; egyéb szénhidrogének is jelen lehetnek a termékekben, például C2H6-etán, C6H6-benzol. A kén kölcsönhatása "amorf" szénnel és grafittal 700-800 °C-on kezdődik, a gyémánt kölcsönhatása 900-1000 °C-on; minden esetben szén-diszulfid CS 2 keletkezik. Más kéntartalmú szénvegyületeket (CS-tioxid, C3S2-tion-oxid, COS-szulfid és CSCl2-tiofoszgén) közvetetten nyernek. Amikor a CS 2 kölcsönhatásba lép fém-szulfidokkal, tiokarbonátok képződnek - gyenge tiokarbonsav sói. A szén és a nitrogén kölcsönhatása cianogén (CN) 2 előállításához akkor következik be, amikor elektromos kisülést vezetnek át a szénelektródák között nitrogénatmoszférában. A nitrogéntartalmú szénvegyületek közül nagy gyakorlati jelentőséggel bír a hidrogén-cianid HCN (Prussic sav) és számos származéka: cianidok, halocianidok, nitrilek stb.. 1000 °C feletti hőmérsékleten a szén számos fémmel kölcsönhatásba lép, karbidokat adva. A szén minden formája hevítéskor redukálja a fémoxidokat szabad fémek (Zn, Cd, Cu, Pb és mások) vagy karbidok (CaC 2, Mo 2 C, WC, TaC és mások) képződésével. A szén 600-800 °C feletti hőmérsékleten reagál vízgőzzel és szén-dioxiddal (Üzemanyagok elgázosítása). A grafit megkülönböztető tulajdonsága, hogy mérsékelt 300-400 °C-ra melegítve alkálifémekkel és halogenidekkel kölcsönhatásba lép, C 8 Me, C 24 Me, C 8 X típusú zárványvegyületeket képezve (ahol X jelentése halogénatom). , Én egy fém). A grafit zárványvegyületei ismertek HNO 3 , H 2 SO 4, FeCl 3 és más vegyületekkel (például grafit-biszulfát C 24 SO 4 H 2 ). A szén minden formája oldhatatlan a szokásos szervetlen és szerves oldószerekben, de oldódik néhány fémolvadékban (pl. Fe, Ni, Co).

A szén gazdasági jelentőségét meghatározza, hogy a világon felhasznált összes elsődleges energiaforrás több mint 90%-a fosszilis tüzelőanyag, amelyek meghatározó szerepe az atomenergia intenzív fejlesztése ellenére a következő évtizedekben is megmarad. A kitermelt tüzelőanyagnak csak mintegy 10%-át használják alapanyagként alapvető szerves szintézisekhez és petrolkémiai szintézisekhez, műanyagok és egyéb gyártáshoz.

szén a szervezetben. A szén a legfontosabb biogén elem, amely a földi élet alapját képezi, számos szerves vegyület szerkezeti egysége, amelyek részt vesznek a szervezetek felépítésében és létfontosságú tevékenységük biztosításában (biopolimerek, valamint számos kis molekulatömegű biológiailag aktív anyag - vitaminok). , hormonok, mediátorok és mások). Az élőlények által igényelt energia jelentős része a sejtekben képződik a szén oxidációja következtében. Az élet megjelenését a Földön a modern tudomány a szénvegyületek evolúciójának összetett folyamatának tekinti.

A szén egyedülálló szerepe az élő természetben annak a tulajdonságainak köszönhető, amelyek összességében a periódusos rendszer egyetlen más elemének sem rendelkeznek. A szénatomok között, valamint a szén és más elemek között erős kémiai kötések jönnek létre, amelyek azonban viszonylag enyhe élettani körülmények között felszakadhatnak (ezek lehetnek egyszeres, kettős és hármas kötések). A szén azon képessége, hogy 4 ekvivalens vegyértékkötést hozzon létre más szénatomokkal, lehetővé teszi különböző típusú - lineáris, elágazó, ciklikus - szénvázak felépítését. Lényeges, hogy csak három elem - C, O és H - teszi ki az élő szervezetek össztömegének 98%-át. Ezzel bizonyos gazdaságosság érhető el az élő természetben: a szénvegyületek szinte korlátlan szerkezeti sokfélesége mellett a kis számú kémiai kötés lehetővé teszi a szerves anyagok lebontásához és szintéziséhez szükséges enzimek számának jelentős csökkentését. A szénatom szerkezeti sajátosságai a szerves vegyületek különféle izomériáinak hátterében állnak (az aminosavak, szénhidrátok és egyes alkaloidok biokémiai evolúciójában az optikai izoméria képessége döntőnek bizonyult).

Az AI Oparin általánosan elfogadott hipotézise szerint az első szerves vegyületek a Földön abiogén eredetűek voltak. A Föld elsődleges légkörében található metán (CH 4 ) és hidrogén-cianid (HCN) szénforrásként szolgált. Az élet megjelenésével a szervetlen szén egyetlen forrása, amelynek köszönhetően a bioszféra összes szerves anyaga képződik, a szén-monoxid (IV) (CO 2), amely a légkörben található, és a természetes vizekben is feloldódik. HCO 3 formája. A szén (CO 2 formájában) asszimilációjának (asszimilációjának) legerősebb mechanizmusát - a fotoszintézist - mindenhol zöld növények végzik (évente körülbelül 100 milliárd tonna CO 2 asszimilálódik). A Földön a CO 2 kemoszintézis útján történő asszimilációjának evolúciósan ősibb módja is létezik; ebben az esetben a kemoszintetikus mikroorganizmusok nem a nap sugárzó energiáját, hanem a szervetlen vegyületek oxidációs energiáját használják fel. A legtöbb állat a táplálékkal együtt fogyaszt szenet kész szerves vegyületek formájában. A szerves vegyületek asszimilációs módszerétől függően szokás megkülönböztetni az autotróf szervezeteket és a heterotróf szervezeteket. A mikroorganizmusok felhasználása fehérjék és más tápanyagok bioszintézisére, kizárólag kőolaj-szénhidrogének felhasználásával, az egyik fontos modern tudományos és műszaki probléma.

Az élő szervezetek széntartalma szárazanyagra vonatkoztatva: vízi növények és állatok esetében 34,5-40%, szárazföldi növényeknél és állatoknál 45,4-46,5%, baktériumoknál 54%. Az organizmusok létfontosságú tevékenységének folyamatában, főként a szöveti légzés következtében, a szerves vegyületek oxidatív bomlása következik be a CO 2 külső környezetbe való kibocsátásával. A szén az anyagcsere összetettebb végtermékeinek részeként is felszabadul. Az állatok és növények elpusztulása után a szén egy része ismét CO 2 -dá alakul a mikroorganizmusok által végrehajtott bomlási folyamatok eredményeként. Így kering a szén a természetben. A szén jelentős része mineralizálódik, és fosszilis szén lerakódásokat képez: szén, olaj, mészkő és mások. A természetes vizekben és biológiai folyadékokban oldott CO 2 fő funkciója - szénforrás - mellett részt vesz a környezet életfolyamatokhoz optimális savasságának fenntartásában. A CaCO 3 részeként a szén számos gerinctelen állat (például puhatestű héja) külső vázát képezi, és megtalálható a korallokban, madártojáshéjban és egyebekben is. A Föld elsődleges elemei továbbá a biológiai evolúció során az anyagcsere erős antimetabolitjává változtak.

A szén stabil izotópjain kívül a radioaktív 14 C elterjedt a természetben (kb. 0,1 mikrocurie-t tartalmaz az emberi szervezetben). Az anyagcsere és a természetben zajló szénciklus tanulmányozása terén elért számos jelentős előrelépés a szénizotópok biológiai és orvosi kutatásokban való felhasználásával függ össze. Tehát radiokarbon jelölés segítségével bebizonyították a H 14 CO 3 - növények és állati szövetek általi megkötésének lehetőségét, megállapították a fotoszintézis reakciók sorrendjét, tanulmányozták az aminosavak cseréjét, számos biológiailag aktív bioszintézis útvonalat. A 14 C használata hozzájárult a molekuláris biológia sikeréhez a fehérjebioszintézis és az öröklődő információk átvitelének mechanizmusaiban. A 14 C fajlagos aktivitásának meghatározása széntartalmú szerves maradványokban teszi lehetővé azok korának megítélését, amelyet az őslénytan és régészet használ.

(első elektron)

Szén(C vegyi jel) a Mengyelejev-féle periódusos rendszer 2. periódusának fő alcsoportjának 4. csoportjának kémiai eleme, 6. sorszám, az izotópok természetes keverékének atomtömege 12,0107 g / mol.

Sztori

Szén faszén formájában az ókorban fémek olvasztására használták. A szén, a gyémánt és a grafit allotróp módosulatai régóta ismertek. A szén elemi természetét A. Lavoisier állapította meg az 1780-as évek végén.

név eredete

Nemzetközi név: carbō - szén.

Fizikai tulajdonságok

A szén számos allotróp módosulatban létezik, nagyon változatos fizikai tulajdonságokkal. A módosítások sokfélesége a szén azon képességének köszönhető, hogy különféle típusú kémiai kötéseket hoz létre.

A szén izotópjai

A természetes szén két stabil izotópból áll - 12 C (98,892%) és 13 C (1,108%), valamint egy radioaktív 14 C izotópból (β-kibocsátó, T ½ = 5730 év), amelyek a légkörben és a Föld felső részében koncentrálódnak. kéreg. Folyamatosan keletkezik a sztratoszféra alsó rétegeiben a kozmikus sugárzás neutronjainak a nitrogénmagokra gyakorolt ​​hatására a reakció során: 14 N (n, p) 14 C, valamint az 1950-es évek közepe óta emberként is. - atomerőművek terméke és hidrogénbombák tesztelésének eredményeként.

A 14 C kialakulása és bomlása a negyedidőszaki geológiában és régészetben széles körben alkalmazott radiokarbonos kormeghatározási módszer alapja.

A szén allotróp módosulatai

A szén különféle módosulatainak szerkezeti vázlatai
a: gyémánt, b: grafit, c: lonsdaleite
d: fullerén - buckyball C 60 , e: fullerén C 540, f: fullerén C 70
g: amorf szén, h: szén nanocső

A szén allotrópiája

lonsdaleite

fullerének

szén nanocsövek

amorf szén

Szénfekete korom

Egy szénatom elektronpályái különböző geometriájúak lehetnek, az elektronpályáinak hibridizációs fokától függően. A szénatomnak három alapvető geometriája van.

Tetraéder - egy s- és három p-elektron összekeverésével jön létre (sp 3 hibridizáció). A szénatom a tetraéder közepén helyezkedik el, négy egyenértékű σ-kötéssel kapcsolódik szénatomokhoz vagy másokhoz a tetraéder csúcsaiban. A szénatom ezen geometriája megfelel a széngyémánt és a lonsdaleit allotróp módosulatainak. A szénnek ilyen hibridizációja van, például metánban és más szénhidrogénekben.

Trigonális - egy s- és két p-elektronpálya összekeverésével jön létre (sp² hibridizáció). A szénatom három egyenértékű σ-kötést tartalmaz, amelyek ugyanabban a síkban, egymással 120°-os szöget zárnak be. A hibridizációban nem részt vevő, a σ-kötések síkjára merőlegesen elhelyezkedő p-pályát más atomokkal π-kötések kialakítására használják. A szénnek ez a geometriája jellemző a grafitra, fenolra stb.

Digonális - egy s- és egy p-elektron összekeverésével jön létre (sp-hibridizáció). Ebben az esetben két elektronfelhő ugyanabban az irányban megnyúlik, és úgy néz ki, mint egy aszimmetrikus súlyzó. A másik két p-elektron π-kötést alkot. Az ilyen atomgeometriájú szén egy speciális allotróp módosulatot - karabint - képez.

grafit és gyémánt

A szén fő és jól tanulmányozott kristályos módosulatai a gyémánt és a grafit. Normál körülmények között csak a grafit termodinamikailag stabil, míg a gyémánt és más formák metastabilak. Légköri nyomáson és 1200 feletti hőmérsékleten a Kalmaz grafittá kezd átalakulni, 2100 K felett másodpercek alatt megy végbe az átalakulás. ΔH 0 átmenet - 1,898 kJ / mol. Normál nyomáson a szén 3780 K-en szublimál. Folyékony szén csak bizonyos külső nyomáson létezik. Hármaspontok: grafit-folyadék-gőz T = 4130 K, p = 10,7 MPa. A grafit közvetlen átalakulása gyémánttá 3000 K hőmérsékleten és 11-12 GPa nyomáson megy végbe.

60 GPa feletti nyomáson a C III nagyon sűrű fémes vezetőképességű módosulatának kialakulását feltételezzük (a sűrűsége 15-20%-kal nagyobb, mint a gyémánté). Magas nyomáson és viszonylag alacsony hőmérsékleten (körülbelül 1200 K) az erősen orientált grafit a szén hatszögletű módosulatát alkotja wurtzit-lonsdaleit kristályrácsával (a = 0,252 nm, c = 0,412 nm, Р6 3 /tts tércsoport), sűrűsége 3. g / cm³, azaz ugyanaz, mint a gyémánté. A lonsdaleite meteoritokban is megtalálható.

Ultrafinom gyémántok (nanogyémántok)

Az 1980-as években a Szovjetunióban azt találták, hogy a széntartalmú anyagok dinamikus terhelésének körülményei között gyémántszerű szerkezetek alakulhatnak ki, amelyeket ultrafinom gyémántoknak (UDD) neveznek. Jelenleg a „nanogyémántok” kifejezést egyre gyakrabban használják. Az ilyen anyagok részecskemérete néhány nanométer. Az UDD kialakulásának feltételei jelentős negatív oxigénmérleggel rendelkező robbanóanyagok, például TNT és RDX keverékek robbantásakor valósulhatnak meg. Ilyen körülmények az égitesteknek a Föld felszínére történő becsapódása során is megvalósulhatnak széntartalmú anyagok (szerves anyag, tőzeg, szén stb.) jelenlétében. Így a Tunguska meteorit esésének zónájában UDD-ket találtak az erdei alomban.

Karabély

A molekulák láncszerkezetével rendelkező hexagonális szingónia szén kristályos módosulását karabinnak nevezzük. A láncok vagy polién (—C≡C—) vagy polikumulén (=C=C=). A karabin számos formája ismert, amelyek az egységcellában lévő atomok számában, a sejtméretben és a sűrűségben (2,68–3,30 g/cm³) különböznek. A karbin a természetben kaoit ásvány (fehér erek és zárványok a grafitban) formájában fordul elő, és mesterségesen nyerik acetilén oxidatív dehidropolikondenzációjával, grafiton lézersugárzás hatására, szénhidrogénekből vagy CCl 4-ből alacsony hőmérsékletű plazmában.

A karabély egy fekete finomszemcsés por (sűrűsége 1,9-2 g/cm³), félvezető tulajdonságokkal. Mesterséges körülmények között, hosszú atomláncokból nyerték szén egymással párhuzamosan elhelyezve.

A Carbyne egy lineáris szénpolimer. Egy karabinmolekulában a szénatomok láncokba kapcsolódnak felváltva vagy hármas és egyszeres kötéssel (polién szerkezet), vagy tartósan kettős kötéssel (polikumulén szerkezet). Ezt az anyagot először V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin és Yu. P. Kudrjavcev szovjet vegyészek szerezték meg a 60-as évek elején. ban ben A Szovjetunió Tudományos Akadémia Szerveselem-Vegyületek Intézete.A karbin félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, és fény hatására vezetőképessége erősen megnő. Az első gyakorlati alkalmazás ezen a tulajdonságon alapul - fotocellákban.

Fullerének és szén nanocsövek

A szén C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 és hasonlók (fullerének), valamint grafének és nanocsövek formájában is ismert.

amorf szén

Az amorf szén szerkezete az egykristályos (mindig szennyeződéseket tartalmazó) grafit rendezetlen szerkezetén alapul. Ezek a koksz, a barna és a kőszén, a korom, a korom, az aktív szén.

A természetben lenni

A földkéreg széntartalma 0,1 tömegszázalék. A szabad szén a természetben gyémánt és grafit formájában található. A szén fő tömege természetes karbonátok (mészkövek és dolomitok), fosszilis tüzelőanyagok - antracit (94-97% C), barnaszén (64-80% C), feketeszén (76-95% C), olaj formájában agyagpala (56-97% C). 78% C), olaj (82-87% C), éghető földgázok (99% metánig), tőzeg (53-56% C), valamint bitumen stb. A légkörben és a hidroszférában szén-dioxid formájában van CO 2, a levegőben 0,046 tömeg% CO 2, a folyók, tengerek és óceánok vizében pedig körülbelül 60-szor több. A szén jelen van a növényekben és az állatokban (~18%).
A szén táplálékkal kerül az emberi szervezetbe (általában körülbelül 300 g naponta). A teljes széntartalom az emberi szervezetben eléri a 21%-ot (15 kg/70 kg testtömeg). A szén az izomtömeg 2/3-át és a csonttömeg 1/3-át teszi ki. Főleg kilélegzett levegővel (szén-dioxid) és vizelettel (karbamid) ürül ki a szervezetből.
A természetben a szén körforgása magában foglal egy biológiai körforgást, a szén-dioxid kibocsátását a légkörbe fosszilis tüzelőanyagok elégetése során, vulkáni gázokból, forró ásványforrásokból, óceánvizek felszíni rétegeiből stb. A biológiai körforgás abban áll, hogy hogy a CO 2 formájában lévő szenet a troposzférából a növények elnyelik . Ezután a bioszférából ismét visszatér a geoszférába: a növényekkel a szén az állatok és az emberek szervezeteibe kerül, majd az állati és növényi anyagok bomlásakor a talajba és CO 2 formájában a légkörbe.

Gőzállapotban és nitrogénnel és hidrogénnel alkotott vegyületek formájában a szén megtalálható a Nap légkörében, a bolygókban, megtalálható a kő- és vasmeteoritokban.

A legtöbb szénvegyület, és mindenekelőtt a szénhidrogén, kifejezetten kovalens vegyület karakterrel rendelkezik. A C atomok egymás közötti egyszeres, kettős és hármas kötéseinek erőssége, a C atomokból stabil láncok és ciklusok kialakításának képessége meghatározza a szerves kémia által vizsgált hatalmas számú széntartalmú vegyület létezését.

Kémiai tulajdonságok

Normál hőmérsékleten a szén kémiailag inert, kellően magas hőmérsékleten sok elemmel egyesül, és erős redukáló tulajdonságokat mutat. A szén különböző formáinak kémiai aktivitása csökken a sorozatban: amorf szén, grafit, gyémánt, levegőben 300-500 °C, 600-700 °C, illetve 850-1000 °C feletti hőmérsékleten gyulladnak meg.

Oxidációs állapotok +4, −4, ritkán +2 (CO, fémkarbidok), +3 (C 2 N 2, halocianátok); elektronaffinitás 1,27 eV; az ionizációs energia a C 0-ból C 4+-ba történő egymást követő átmenet során 11,2604, 24,383, 47,871 és 64,19 eV.

szervetlen vegyületek

A szén számos elemmel reagál, és karbidokat képez.

Az égéstermékek a szén-monoxid CO és a szén-dioxid CO 2 . Más néven instabil oxid C 3 O 2 (olvadáspont -111°C, forráspont 7°C) és néhány más oxid. A grafit és az amorf szén 1200 °C-on kezd reagálni H 2-vel, 900 °C-on az F 2-vel.

A CO 2 vízzel gyenge szénsavat képez - H 2 CO 3, amely sókat képez - Karbonátok. A Földön a legelterjedtebb karbonátok a kalcium (kréta, márvány, kalcit, mészkő és egyéb ásványi anyagok) és a magnézium (dolomit).

A grafit halogénekkel, alkálifémekkel és más anyagokkal zárványvegyületeket képez. Amikor elektromos kisülést vezetnek át a szénelektródák között N 2 közegben, cianid képződik, magas hőmérsékleten hidrogén-cianid keletkezik a szén és a H 2 és N 2 keverékének kölcsönhatásával. Kénnel a szén szén-diszulfidot ad CS 2 , CS és C 3 S 2 is ismert. A legtöbb fém, a bór és a szilícium esetében a szén karbidokat képez. A szén és a vízgőz reakciója fontos az iparban: C + H 2 O \u003d CO + H 2 (Szilárd tüzelőanyagok elgázosítása). Melegítéskor a szén a fémoxidokat fémekké redukálja, amit széles körben használnak a kohászatban.

szerves vegyületek

A szén polimerláncokat képező képessége miatt a szénalapú vegyületeknek egy hatalmas osztálya létezik, amelyek sokkal nagyobbak, mint a szervetlenek, és amelyek a szerves kémia tanulmányozására szolgálnak. Köztük a legkiterjedtebb csoportok: szénhidrogének, fehérjék, zsírok stb.

A szénvegyületek képezik a földi élet alapját, tulajdonságaik pedig nagymértékben meghatározzák, hogy milyen körülmények között létezhetnek ilyen életformák. Az élő sejtekben lévő atomok számát tekintve a szén részaránya körülbelül 25%, tömegrészben körülbelül 18%.

Alkalmazás

A grafitot a ceruzaiparban használják. Kenőanyagként is használják különösen magas vagy alacsony hőmérsékleten.

A gyémánt kivételes keménysége miatt nélkülözhetetlen csiszolóanyag. A fúrók csiszolófúvókái gyémánt bevonattal rendelkeznek. Ezenkívül a csiszolt gyémántokat drágakövekként használják az ékszerekben. Ritkasága, kiváló dekoratív tulajdonságai és a történelmi körülmények kombinációja miatt a gyémánt folyamatosan a legdrágább drágakő. A gyémánt kivételesen magas hővezető képessége (akár 2000 W/m.K) ígéretes anyaggá teszi a félvezető technológiában, mint processzorok szubsztrátjaként. De a viszonylag magas ár (körülbelül 50 USD/gramm) és a gyémántfeldolgozás összetettsége korlátozza ennek alkalmazását ezen a területen.
A farmakológiában és az orvostudományban széles körben használják a különféle szénvegyületeket - szénsav és karbonsav származékokat, különféle heterociklusokat, polimereket és egyéb vegyületeket. Tehát a karbolént (aktív szén) különféle méreganyagok felszívására és eltávolítására használják a szervezetből; grafit (kenőcsök formájában) - bőrbetegségek kezelésére; a szén radioaktív izotópjai - tudományos kutatáshoz (radiokarbon elemzés).

A szén óriási szerepet játszik az emberi életben. Alkalmazása ugyanolyan sokrétű, mint maga ez a sokoldalú elem.

A szén minden szerves anyag alapja. Minden élő szervezet nagyrészt szénből áll. A szén az élet alapja. Az élő szervezetek szénforrása általában a légkörből vagy vízből származó CO 2. A fotoszintézis eredményeként olyan biológiai táplálékláncokba kerül, amelyekben az élőlények felfalják egymást vagy egymás maradványait, és ezáltal szenet vonnak ki saját testük felépítéséhez. A szén biológiai körforgása vagy oxidációval és a légkörbe való visszatéréssel, vagy szén vagy olaj formájában történő ártalmatlanítással ér véget.

A szén fosszilis tüzelőanyagok formájában: a szén és a szénhidrogének (olaj, földgáz) az emberiség egyik legfontosabb energiaforrása.

Mérgező hatás

A szén a légköri aeroszolok része, aminek következtében megváltozhat a regionális éghajlat és csökkenhet a napsütéses napok száma. A szén a gépjárművek kipufogógázainak részeként korom formájában kerül a környezetbe, amikor szént égetnek hőerőművekben, külszíni szénbányászat során, földalatti elgázosítása során, szénkoncentrátumok előállítása során stb. A szénkoncentráció az égés felett. forrás 100-400 µg/m 4-15,9 µg/m³, vidéki területeken 0,5-0,8 µg/m³. Atomerőművek gáz-aeroszol kibocsátásával (6-15) kerül a légkörbe.10 9 Bq/nap 14 CO 2 .

A légköri aeroszolok magas széntartalma a lakosság, különösen a felső légutak és a tüdő előfordulásának növekedéséhez vezet. A foglalkozási megbetegedések elsősorban az antracózis és a porhörghurut. A munkaterület levegőjében MPC, mg/m³: gyémánt 8,0, antracit és koksz 6,0, szén 10,0, korom és szénpor 4,0; légköri levegőben a maximum egyszeri 0,15, az átlagos napi 0,05 mg / m³.

A fehérjemolekulák összetételében (főleg a DNS-ben és az RNS-ben) szereplő 14 C toxikus hatását a béta-részecskék és a nitrogén-visszacsatoló magok (14 C (β) → 14 N) sugárzási hatása és a transzmutáció határozza meg. hatás - a molekula kémiai összetételének változása a C atom nitrogénatommá történő átalakulása következtében Megengedett 14 C koncentráció a munkaterület levegőjében DK A 1,3 Bq / l, a légköri levegőben DK B 4,4 Bq / l, vízben 3,0,10 4 Bq / l, a maximálisan megengedett bevitel a légzőrendszeren keresztül 3 ,2,10 8 Bq/év.

további információ

— Szénvegyületek
— Radiokarbon elemzés
— Ortokarbonsav

A szén allotróp formái:

gyémánt
Grafén
Grafit
Karabély
Lonsdaleite
szén nanocsövek
Fullerének

Amorf formák:

Korom
korom
Szén

A szén izotópjai:

Instabil (kevesebb, mint egy nap): 8C: szén-8, 9C: szén-9, 10C: szén-10, 11C: szén-11
Stabil: 12C: Szén-12, 13C: Szén-13
10-10 000 év: 14C: Szén-14
Instabil (kevesebb, mint egy nap): 15C: szén-15, 16C: szén-16, 17C: szén-17, 18C: szén-18, 19C: szén-19, 20C: szén-20, 21C: szén-21, 22C: szén-22

Nuklidok táblázata

Carbon, Carboneum, C (6)
A szén (angolul Carbon, francia Carbone, németül Kohlenstoff) szén, korom és korom formájában időtlen idők óta ismert az emberiség számára; körülbelül 100 ezer évvel ezelőtt, amikor őseink elsajátították a tüzet, minden nap foglalkoztak szénnel és kormmal. Valószínűleg nagyon korán az emberek megismerkedtek a szén - gyémánt és grafit - allotróp módosulataival, valamint a fosszilis szénnel. Nem meglepő, hogy a széntartalmú anyagok elégetése volt az egyik első kémiai folyamat, amely érdekelte az embert. Mivel az égő anyag eltűnt, a tűz elemésztette, az égést az anyag bomlási folyamatának tekintették, ezért a szenet (vagy szenet) nem tekintették elemnek. Az elem a tűz volt, az égést kísérő jelenség; az ókor elemeinek tanításában általában a tűz szerepel az elemek között. A XVII - XVIII. század fordulóján. felmerült a flogiszton elmélete, amelyet Becher és Stahl terjesztett elő. Ez az elmélet minden éghető testben felismerte egy speciális elemi anyag - egy súlytalan folyadék - flogiszton jelenlétét, amely az égés során elpárolog.

Nagy mennyiségű szén elégetésekor csak kevés hamu marad, a flogisztika úgy vélte, hogy a szén szinte tiszta flogiszton. Ez volt a magyarázata különösen a szén "flogisztikus" hatására, a fémek "mészből" és ércekből történő helyreállítására. A későbbi flogisztika, Réaumur, Bergman és mások már elkezdték megérteni, hogy a szén elemi anyag. A "tiszta szenet" azonban először Lavoisier ismerte el ilyennek, aki a szén és más anyagok levegőben és oxigénben történő elégetésének folyamatát tanulmányozta. Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet és Fourcroix "A kémiai nómenklatúra módszere" (1787) című könyvében a "szén" (carbone) név jelent meg a francia "pure coal" (charbone pur) helyett. Ugyanezen a néven a szén megjelenik az "Egyszerű testek táblázatában" Lavoisier "Elementary Textbook of Chemistry"-ben. 1791-ben Tennant angol kémikus volt az első, aki szabad szénhez jutott; foszforgőzt bocsátott át kalcinált krétán, ami kalcium-foszfát és szén képződését eredményezte. Az a tény, hogy a gyémánt erősen hevítve maradék nélkül ég, régóta ismert. Még 1751-ben I. Ferenc francia király beleegyezett, hogy egy gyémántot és egy rubint ad az égetési kísérletekhez, ami után ezek a kísérletek még divatossá váltak. Kiderült, hogy csak a gyémánt ég, és a rubin (alumínium-oxid króm keverékkel) károsodás nélkül ellenáll a hosszú távú melegítésnek a gyújtólencse fókuszában. Lavoisier új kísérletet állított fel a gyémánt elégetésére egy nagy gyújtógép segítségével, és arra a következtetésre jutott, hogy a gyémánt kristályos szén. A szén-grafit második allotrópját az alkímiai időszakban módosított ólomfénynek tekintették, és plumbágónak nevezték; csak 1740-ben fedezte fel Pott, hogy a grafitban nincs ólomszennyeződés. Scheele a grafitot tanulmányozta (1779), és flogisztikusként egy különleges kéntestnek, egy speciális ásványi szénnek tekintette, amely kötött "levegősavat" (CO2) és nagy mennyiségű flogisztont tartalmaz.

Húsz évvel később Guiton de Morveau enyhe melegítéssel a gyémántot grafittá, majd szénsavvá alakította.

A Carboneum nemzetközi név a lat. carbo (szén). A szó nagyon ősi eredetű. A cremare-hez hasonlítják - égetni; a saga gyökere, cal, orosz gar, gal, cél, szanszkrit sta azt jelenti, forralni, főzni. A "carbo" szó más európai nyelveken a szén neveihez kapcsolódik (szén, szén stb.). A német Kohlenstoff a Kohle-ból származik - szén (ónémet kolo, svéd kylla - fűteni). Az óorosz ugorati, vagy ugarati (égés, perzselés) gyökere gar, vagy hegyek, lehetséges átmenettel a cél felé; szén óorosz yug'l, vagy szén, azonos eredetű. A gyémánt (Diamante) szó az ógörögből származik - elpusztíthatatlan, hajthatatlan, kemény, a grafit pedig a görögből - írom.

A XIX. század elején. a régi szén szót az orosz kémiai irodalomban néha a „szén” szó váltotta fel (Sherer, 1807; Severgin, 1815); 1824 óta Szolovjov bevezette a szén nevet.

MEGHATÁROZÁS

Szén- a periódusos rendszer hatodik eleme. Megnevezés - C a latin "carboneum" szóból. A második periódusban található, IVA csoport. Nem fémekre utal. A nukleáris töltés 6.

A szén a természetben szabad állapotban és számos vegyület formájában is megtalálható. A szabad szén gyémánt és grafit formájában fordul elő. A fosszilis szén mellett nagy mennyiségű olaj halmozódik fel a Föld belsejében. A földkéregben hatalmas mennyiségű szénsav-sók, különösen kalcium-karbonát találhatók. Mindig van szén-dioxid a levegőben. Végül a növényi és állati szervezetek olyan anyagokból állnak, amelyek képződésében a szén részt vesz. Így ez az elem az egyik legelterjedtebb a Földön, bár teljes tartalma a földkéregben csak körülbelül 0,1% (tömeg).

A szén atomi és molekulatömege

Egy anyag relatív molekulatömege (M r) egy szám, amely megmutatja, hogy egy adott molekula tömege hányszor nagyobb, mint egy szénatom tömegének 1/12-e, és egy elem relatív atomtömege (Ar r) az, hogy egy kémiai elem átlagos atomtömege hányszor nagyobb, mint egy szénatom tömegének 1/12-e.

Mivel szabad állapotban a szén egyatomos C-molekulák formájában létezik, atom- és molekulatömegének értéke megegyezik. Egyenlőek: 12,0064.

A szén allotrópiája és allotróp módosulásai

A szén szabad állapotban gyémánt formájában létezik, amely köbös és hatszögletű (lonsdaleit) rendszerben kristályosodik, valamint grafit formájában, amely a hatszögrendszerbe tartozik (1. ábra). A szén olyan formái, mint a faszén, koksz vagy korom, rendezetlen szerkezetűek. Léteznek szintetikus úton előállított allotróp módosulatok is - ezek a karabin és a polikumulén - -C=C- vagy =C=C= típusú lineáris láncú polimerekből épített szénfajták.

Rizs. 1. A szén allotróp módosulatai.

Ismeretesek a szén allotróp módosulatai is, amelyek a következő elnevezésekkel rendelkeznek: grafén, fullerén, nanocsövek, nanoszálak, asztralén, üveges szén, kolosszális nanocsövek; amorf szén, szén nanorügyek és szén nanohab.

A szén izotópjai

A természetben a szén két stabil izotóp formájában létezik: 12 C (98,98%) és 13 C (1,07%). Tömegszámuk 12, illetve 13. A 12 C szénizotóp magja hat protont és hat neutront, a 13 C izotóp pedig ugyanennyi protont és öt neutront tartalmaz.

Egy mesterséges (radioaktív) szénizotóp létezik, a 14 C, felezési ideje 5730 év.

szénionok

A szénatom külső energiaszintjén négy elektron van, amelyek vegyértékek:

1s 2 2s 2 2p 2 .

A kémiai kölcsönhatás következtében a szén elveszítheti vegyértékelektronjait, i.e. legyen donoruk, és pozitív töltésű ionokká alakuljanak vagy fogadjanak el elektronokat egy másik atomtól, pl. legyen az elfogadójuk, és negatív töltésű ionokká alakuljanak:

C0-2e → C2+;

C0-4e → C4+;

C 0 +4e → C 4-.

Molekula és szénatom

Szabad állapotban a szén egyatomos C molekulák formájában létezik. Íme néhány tulajdonság, amely a szénatomot és a molekulát jellemzi:

Szénötvözetek

A világ legismertebb szénötvözetei az acél és az öntöttvas. Az acél vas és szén ötvözete, amelynek széntartalma nem haladja meg a 2%-ot. Az öntöttvasban (szintén vas ötvözete szénnel) a széntartalom magasabb - 2-4%.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

Gyakorlat	Mekkora térfogatú szén-monoxid (IV) szabadul fel (n.o.) 500 g 0,1 tömegrész szennyeződést tartalmazó mészkő égetésekor.
Megoldás	Felírjuk a mészkőpörkölés reakciójának egyenletét: CaCO 3 \u003d CaO + CO 2 -. Keressünk egy tiszta mészkövet. Ehhez először meghatározzuk a tömeghányadát szennyeződések nélkül: w átlátszó (CaCO 3) \u003d 1 - w szennyeződés \u003d 1 - 0,1 \u003d 0,9. m tiszta (CaCO 3) \u003d m (CaCO 3) × w tiszta (CaCO 3); m tiszta (CaCO 3) \u003d 500 × 0,9 \u003d 450 g. Számítsa ki a mészkőanyag mennyiségét: n (CaCO 3) \u003d m tiszta (CaCO 3) / M (CaCO 3); n(CaCO 3) \u003d 450/100 \u003d 4,5 mol. Az n (CaCO 3) : n (CO 2) = 1:1 reakcióegyenlet szerint, akkor n (CaCO 3) \u003d n (CO 2) \u003d 4,5 mol. Ekkor a felszabaduló szén-monoxid térfogata (IV) egyenlő lesz: V(CO 2) \u003d n(CO 2) × V m; V (CO 2) \u003d 4,5 × 22,4 \u003d 100,8 liter.
Válasz	100,8 l

2. PÉLDA

Gyakorlat	Mennyi 0,05 tömegfrakciót vagy 5% hidrogén-kloridot tartalmazó oldatra lesz szükség 11,2 g kalcium-karbonát semlegesítéséhez?
Megoldás	Felírjuk a kalcium-karbonát hidrogén-kloriddal történő semlegesítésének egyenletét: CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2 -. Keresse meg a kalcium-karbonát anyag mennyiségét: 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) \u003d 11,2 / 100 \u003d 0,112 mol. Az n (CaCO 3) : n (HCl) \u003d 1:2 reakcióegyenlet szerint, ami azt jelenti, n(HCl) \u003d 2 × n (CaCO 3) = 2 × 0,224 mol. Határozzuk meg az oldatban lévő hidrogén-klorid tömegét: M(HCl) = A r (H) + A r (Cl) = 1 + 35,5 \u003d 36,5 g/mol. m(HCl) = n(HCl) × M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 g Számítsa ki a hidrogén-klorid-oldat tömegét: m oldat (HCl) = m(HCl) × 100/w(HCl); m oldat (HCl) = 8,176 × 100 / 5 = 163,52 g
Válasz	163,52 g

A gyémánt szerkezete (a)és grafit b)

Szén(Latin carboneum) - C, a Mengyelejev-féle periódusos rendszer IV csoportjának kémiai eleme, 6-os rendszám, 12.011 atomtömeg. A természetben gyémánt-, grafit- vagy fullerénkristályok és más formákban fordul elő, szerves (szén, olaj, állati és növényi szervezetek stb.) és szervetlen anyagok (mészkő, szódabikarbóna stb.) része. A szén elterjedt, de a földkéreg tartalma mindössze 0,19%.

A szenet széles körben használják egyszerű anyagok formájában. Az ékszer tárgyát képező értékes gyémántok mellett az ipari gyémántok is nagy jelentőséggel bírnak - a csiszoló- és vágószerszámok gyártásában. A szenet és a szén egyéb amorf formáit színtelenítésre, tisztításra, gázok adszorpciójára használják, olyan technológiai területeken, ahol fejlett felületű adszorbensekre van szükség. A karbidok, a szén vegyületei fémekkel, valamint bórral és szilíciummal (például Al 4 C 3, SiC, B 4 C) nagyon kemények, és csiszoló- és vágószerszámok készítésére használják. A szén elemi állapotban és karbidok formájában van jelen az acélokban és ötvözetekben. Az acélöntvények felületének szénnel való telítése magas hőmérsékleten (karburálás) jelentősen növeli a felület keménységét és kopásállóságát.

Történeti hivatkozás

A grafit, a gyémánt és az amorf szén az ókor óta ismert. Régóta ismert, hogy más anyagokat is meg lehet jelölni grafittal, és a „grafit” elnevezést, amely a görög „írni” jelentésű szóból származik, A. Werner javasolta 1789-ben. A grafit története azonban zavaros, gyakran hasonló külső fizikai tulajdonságokkal rendelkező anyagokat tévesztettek vele. , mint például a molibdenit (molibdén-szulfid), amelyet egykor grafitnak tekintettek. A grafit egyéb nevei között ismert a "fekete ólom", "vaskarbid", "ezüst ólom".

1779-ben K. Scheele megállapította, hogy a grafit levegővel oxidálható szén-dioxiddá. A gyémántokat először Indiában használták, Brazíliában pedig a drágakövek 1725-ben nyertek kereskedelmi jelentőséget; A dél-afrikai lelőhelyeket 1867-ben fedezték fel.

A 20. században A fő gyémánttermelők Dél-Afrika, Zaire, Botswana, Namíbia, Angola, Sierra Leone, Tanzánia és Oroszország. A mesterséges gyémántokat, amelyek technológiáját 1970-ben hozták létre, ipari célokra állítják elő.

Tulajdonságok

A szén négy kristályos módosulata ismert:

• grafit,
• gyémánt,
• karabély,
• lonsdaleite.

Grafit- szürkésfekete, átlátszatlan, zsíros tapintású, pikkelyes, nagyon puha, fémes fényű massza. Szobahőmérsékleten és normál nyomáson (0,1 MN/m2 vagy 1 kgf/cm2) a grafit termodinamikailag stabil.

gyémánt- nagyon szilárd, kristályos anyag. A kristályoknak van egy köbös arc-központú rácsuk. Szobahőmérsékleten és normál nyomáson a gyémánt metastabil. A gyémánt észrevehető átalakulása grafittá 1400 °C feletti hőmérsékleten vákuumban vagy inert atmoszférában figyelhető meg. Légköri nyomáson és körülbelül 3700 ° C hőmérsékleten a grafit szublimál.

Folyékony szenet 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) feletti nyomáson és 3700°C feletti hőmérsékleten nyerhetünk. A szilárd szenet (koksz, korom, faszén) szintén rendezetlen szerkezetű állapot jellemzi - az úgynevezett "amorf" szén, amely nem önálló módosulás; szerkezete a finomszemcsés grafit szerkezetén alapul. Egyes "amorf" szénfajták 1500-1600 °C fölé melegítése levegő nélkül grafittá alakul át.

Az "amorf" szén fizikai tulajdonságai nagyon erősen függnek a részecskék diszperziójától és a szennyeződések jelenlététől. Az "amorf" szén sűrűsége, hőkapacitása, hővezető képessége és elektromos vezetőképessége mindig nagyobb, mint a grafité.

Karabély mesterségesen szerezték be. Ez egy finoman kristályos fekete színű por (sűrűsége 1,9-2 g / cm 3). Hosszú atomláncokból épült TÓL TŐL egymással párhuzamosan elhelyezve.

Lonsdaleite meteoritokban találták és mesterségesen szerezték be; szerkezetét és tulajdonságait nem állapították meg véglegesen.

A szén tulajdonságai
atomszám		6
Atomtömeg		12,011
Izotópok:	stabil	12, 13
	instabil	8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
Olvadási hőmérséklet		3550°С
Forráshőmérséklet		4200 °C
Sűrűség		1,9-2,3 g / cm 3 (grafit) 3,5-3,53 g / cm 3 (gyémánt)
Keménység (Mohs)		1-2
Tartalom a földkéregben (tömeg)		0,19%
Oxidációs állapotok		-4; +2; +4

Ötvözetek

Acél

A kokszot a kohászatban redukálószerként használják. Faszén - kovácsművekben, lőpor előállításához (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), gázok felszívásához (adszorpció), valamint a mindennapi életben. A kormot gumi töltőanyagként használják fekete festékek gyártásához - nyomdafesték és tinta, valamint száraz galvanikus cellákban. Az üveges szenet rendkívül agresszív környezetekhez, valamint a repüléshez és az űrhajózáshoz használt berendezések gyártásához használják.

Az aktív szén felszívja a káros anyagokat a gázokból és folyadékokból: gázálarcokat, tisztítórendszereket töltenek meg, mérgezésre használják a gyógyászatban.

A szén minden szerves anyag alapja. Minden élő szervezet nagyrészt szénből áll. A szén az élet alapja. Az élő szervezetek szénforrása általában a légkörből vagy vízből származó CO 2. A fotoszintézis eredményeként bekerül a biológiai táplálékláncokba, amelyekben az élőlények egymást vagy egymás maradványait eszik, és ezáltal szenet vonnak ki saját testük felépítéséhez. A szén biológiai körforgása vagy oxidációval és a légkörbe való visszatéréssel, vagy szén vagy olaj formájában történő ártalmatlanítással ér véget.

A 14 C radioaktív izotóp alkalmazása hozzájárult a molekuláris biológia sikeréhez a fehérje bioszintézis mechanizmusainak és az öröklődő információk átvitelének tanulmányozásában. A széntartalmú szerves maradványok 14 C fajlagos aktivitásának meghatározása lehetővé teszi azok korának megítélését, amelyet az őslénytan és régészet használ.

Források

Kémiai elemek és anyagok
Kémiai elemek	Nitrogén. Argon. Hidrogén. Hélium. Vas . Kalcium. Oxigén. Szilícium. Magnézium. Mangán.