1. Tüm organik bileşiklerde, karbon atomunun değeri 4'tür.

2. Karbon, basit ve çok karmaşık moleküller (yüksek moleküler bileşikler: proteinler, kauçuklar, plastikler) oluşturabilir.

3. Karbon atomları yalnızca diğer atomlarla değil, aynı zamanda birbirleriyle de birleşerek çeşitli karbon - karbon zincirleri - düz, dallı, kapalı oluşturur:

4. Karbon bileşikleri için izomerizm fenomeni karakteristiktir, yani. maddelerin aynı kalitatif ve kantitatif bileşime, ancak farklı bir kimyasal yapıya ve dolayısıyla farklı özelliklere sahip olması. Örneğin: C 2 H 6 O ampirik formülü, iki farklı madde yapısına karşılık gelir:

etanol, dimetil eter,

sıvı, t 0 kip. \u003d +78 0 С gaz, t 0 kip. \u003d -23,7 0 С

Bu nedenle etil alkol ve dimetil eter izomerdir.

5. Çoğu organik maddenin sulu çözeltileri elektrolit değildir, molekülleri iyonlara ayrışmaz.

İzomerizm.

1823'te fenomen keşfedildi izomerizm- aynı molekül bileşimine sahip, ancak farklı özelliklere sahip maddelerin varlığı. İzomerler arasındaki fark nedir? Bileşimleri aynı olduğu için, sebep ancak bir moleküldeki atomların farklı bağlanma sıralarında aranabilir.

Kimyasal yapı teorisinin yaratılmasından önce bile, A.M. Butlerov, CH3 - CH2 - CH2 - CH3 t 0 (bp. -0.5 0 C) doğrusal bir yapıya sahip olan C4H10 bütan için, aynı moleküler formüle sahip başka bir maddenin varlığını tahmin etti, ancak farklı bir ile bir moleküldeki karbon atomlarının bağlanma sırası:

izobütan

t 0 kip. - 11.7 0 С

Bu yüzden, izomerler aynı özelliklere sahip maddelerdir Moleküler formül, ancak farklı kimyasal yapı ve dolayısıyla farklı özellikler. İki ana izomerizm türü vardır - yapısal Ve uzaysal.

Yapısal bir moleküldeki atomların farklı bir bağlantı düzenine sahip olan izomerler olarak adlandırılır. Bunun üç türü vardır:

Karbon iskeletinin izomerizmi:

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

Çoklu bağ izomerizmi:

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

Sınıflar arası izomerizm:

propiyonik asit

Uzaysal izomerizm. Uzamsal izomerler, her karbon atomunda aynı ikame edicilere sahiptir. Ancak uzaydaki karşılıklı düzenlemelerinde farklılık gösterirler. Bu izomerizmin iki türü vardır: geometrik ve optik. Geometrik izomerizm, düzlemsel bir molekül yapısına (alkenler, sikloalkanlar, alkadienler, vb.) Sahip bileşiklerin karakteristiğidir. Örneğin, bir çift bağ ile karbon atomlarındaki aynı sübstitüentler molekül düzleminin bir tarafındaysa, bu, zıt taraflarda bir cis-izomer - bir trans-izomer olacaktır:

Optik izomerizm- dört farklı sübstitüentle ilişkili asimetrik bir karbon atomuna sahip bileşiklerin karakteristiği. Optik izomerler birbirlerinin ayna görüntüleridir. Örneğin:

Atomun elektronik yapısı.

Atomun yapısı incelenir inorganik kimya ve fizik. Bir kimyasal elementin özelliklerini atomun belirlediği bilinmektedir. Bir atom, tüm kütlesinin yoğunlaştığı pozitif yüklü bir çekirdekten ve çekirdeği çevreleyen negatif yüklü elektronlardan oluşur.

Çünkü süreçte kimyasal reaksiyonlar reaksiyona giren atomların çekirdekleri değişmezse, fiziksel ve Kimyasal özellikler atomlar, atomların elektron kabuklarının yapısına bağlıdır. Elektronlar bir atomdan diğerine geçebilir, birleşebilir vb. Bu nedenle, atomların yapısının kuantum teorisi temelinde bir atomdaki elektronların dağılımı sorununu ayrıntılı olarak ele alacağız. Bu teoriye göre, bir elektron aynı anda bir parçacığın (kütle, yük) özelliklerine ve bir dalga fonksiyonuna sahiptir. Hareket eden elektronlar için kesin konumu belirlemek imkansızdır. Atom çekirdeğinin yakınındaki uzayda bulunurlar. Tanımlanabilir olasılık elektron bulmak çeşitli parçalar uzay. Elektron, yoğunluğu azalan bir bulut (Şekil 1) şeklinde bu uzayda adeta "lekelenir".

Resim 1.

Elektron bulma olasılığının maksimum (≈ %95) olduğu uzay bölgesine denir. orbital.

Kuantum mekaniğine göre, bir atomdaki bir elektronun durumu dört kuantum sayısıyla belirlenir: ana (N), orbital (l), manyetik(M) Ve döndürmek(S).

Ana kuantum sayısı n - elektronun enerjisini, yörüngenin çekirdekten uzaklığını, yani karakterize eder. enerji seviyesi ve 1, 2, 3 vb. değerleri alır. veya K, L, M, N, vb. n = 1 değeri en düşük enerjiye karşılık gelir. artış ile N elektronun enerjisi artar. Enerji seviyesindeki maksimum elektron sayısı aşağıdaki formülle belirlenir: N = 2n2, burada n seviye numarasıdır, bu nedenle şu durumlarda:

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

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

Enerji seviyeleri içinde, elektronlar alt seviyelerde (veya alt kabuklarda) düzenlenir. Sayıları, enerji seviyesinin sayısına karşılık gelir, ancak karakterize edilirler. yörünge kuantum sayısı l, yörüngenin şeklini belirleyen. 0 ile n-1 arasında değerler alır. -de

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

Bir alt seviyedeki maksimum elektron sayısı şu formülle belirlenir: 2(2l + 1). Alt seviyeler için harf tanımları:

ben = 1, 2, 3, 4

Bu nedenle, eğer n = 1 ise, ben= 0, alt düzey s.

n = 2 ben= 0, 1, alt düzey s, s.

Alt seviyelerdeki maksimum elektron sayısı:

N s = 2 N d = 10

N p = 6 N f = 14, vb.

Alt seviyelerde bu sayıdan daha fazla elektron olamaz. Elektron bulutunun şekli, değer tarafından belirlenir. ben. -de
ben= 0 (s-orbital) elektron bulutu küresel bir şekle sahiptir ve uzamsal yönelimi yoktur.

Şekil 2.

l = 1'de (p-orbital), elektron bulutu bir dambıl veya "sekiz rakamı" şeklindedir:

Figür 3

Manyetik kuantum sayısı m karakterize eder
yörüngelerin uzayda düzenlenmesi. –l ile +l arasında 0 dahil herhangi bir sayıyı alabilir. olası değerler belirli bir değerde manyetik kuantum sayısı ben eşittir (2 ben+1). Örneğin:

ben= 0 (s-yörünge) m = 0, yani s orbitalinin uzayda sadece bir konumu vardır.

ben= 1 (p-orbital) m = -1, 0, +1 (3 değer).

ben= 2 (d-orbital) m = -2, -1, 0, +1, +2, vb.

p ve d orbitalleri sırasıyla 3 ve 5 duruma sahiptir.

Orbitaller p, koordinat eksenleri boyunca uzatılır ve p x , p y , p z -orbitalleri ile gösterilir.

Spin kuantum sayısı s- bir elektronun kendi ekseni etrafında saat yönünde ve saat yönünün tersine dönüşünü karakterize eder. Yalnızca +1/2 ve -1/2 olmak üzere iki değeri olabilir. Bir atomun elektron kabuğunun yapısı, elektronların enerji seviyeleri ve alt seviyeler üzerindeki dağılımını gösteren elektronik bir formülle temsil edilir. Bu formüllerde enerji seviyeleri 1, 2, 3, 4 ... sayılarıyla, alt seviyeler - s, p, d, f harfleriyle gösterilir. Bir alt düzeydeki elektronların sayısı bir güç olarak yazılır. Örneğin: s 2 , p 6 , d 10 , f 14 başına maksimum elektron sayısı.

Elektronik formüller genellikle elektronların sadece seviyelerde ve alt seviyelerde değil, aynı zamanda bir dikdörtgenle gösterilen yörüngelerde dağılımını gösteren grafiksel olarak tasvir edilir. Alt seviyeler kuantum hücrelerine bölünmüştür.

Ücretsiz kuantum hücresi

Eşlenmemiş elektronlu hücre

Eşleştirilmiş elektronlara sahip hücre

s-alt seviyesinde bir kuantum hücresi vardır.

p-alt seviyesinde 3 tane kuantum hücresi vardır.

d-alt seviyesinde 5 kuantum hücresi vardır.

f-alt seviyesinde 7 kuantum hücresi vardır.

Elektronların atomlardaki dağılımı belirlenir Pauli prensibi Ve Gund'un kuralı. Pauli ilkesine göre: bir atom, dört kuantum sayısının hepsinin aynı değerlerine sahip elektronlara sahip olamaz. Pauli ilkesine göre, bir enerji hücresinde zıt spinlere sahip bir, en fazla iki elektron olabilir. Hücrelerin doldurulması, elektronların önce her bir hücrede birer birer yerleştirildiği, ardından belirli bir alt seviyenin tüm hücreleri işgal edildiğinde elektronların eşleşmesinin başladığı Hund ilkesine göre gerçekleşir.

Atomik elektron orbitallerini doldurma sırası, toplama bağlı olarak V. Klechkovsky'nin kurallarına göre belirlenir (n + ben):

ilk olarak, bu miktarın daha küçük olduğu alt seviyeler doldurulur;

toplamın aynı değerleri için (n + ben) önce alt seviye daha küçük bir değerle doldurulur N.

Örneğin:

a) 3d ve 4s alt seviyelerinin doldurulmasını düşünün. Toplamı tanımlayalım (n + ben):

y 3d(n + ben) = 3 + 2 = 5, y 4s (n + ben) = 4 + 0 = 4, yani önce 4s alt seviyesi sonra 3d alt seviyesi doldurulur.

b) 3d, 4p, 5s alt seviyeleri için değerlerin toplamı (n + ben) = 5. Klechkovsky kuralına göre, doldurma daha küçük bir n değeriyle başlar, yani. 3d → 4p → 5s. Atomların enerji seviyelerinin ve alt seviyelerinin elektronlarla doldurulması aşağıdaki sırada gerçekleşir: değerlik n = 2 n = 1

Be, 2s 2 alt seviyesinde bir çift elektrona sahiptir. Dışarıdan enerji getirmek için bu elektron çifti ayrılabilir ve atom değerlik haline getirilebilir. Bu durumda, bir elektronun bir alt seviyeden diğer bir alt seviyeye geçişi gerçekleşir. Bu süreç denir elektronun uyarılması. Heyecanlı durumda olun grafik formülü şöyle görünecektir:

ve değerlik 2'dir.

Karbon(lat. Carboneum), C, kimyasal element IV grubu periyodik sistem Mendeleev, atom numarası 6, atom kütlesi 12.011. İki kararlı izotop bilinmektedir: 12C (%98.892) ve 13C (%1.108). Radyoaktif izotoplardan en önemlisi yarılanma ömrüne sahip 14 C'dir (T ½ \u003d 5.6 10 3 yıl). 14 N nitrojen izotopu üzerindeki kozmik radyasyon nötronlarının etkisi altında üst atmosferde sürekli olarak küçük miktarlarda 14 C (kütlece yaklaşık 2 10-10%) oluşur. Yaşları, 14 C izotopunun spesifik aktivitesi ile belirlenir. biyojenik kökenli kalıntılar. 14 C, bir izotop izleyici olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.

Tarihsel referans. Karbon eski zamanlardan beri bilinmektedir. Kömür, değerli bir taş olarak cevherlerden, elmastan metalleri kurtarmaya hizmet etti. Çok daha sonra, pota ve kalem yapımında grafit kullanıldı.

1778'de grafiti güherçile ile ısıtan K. Scheele, bu durumda ve güherçile ile kömürü ısıtırken karbondioksit salındığını keşfetti. Elmasın kimyasal bileşimi, A. Lavoisier'in (1772) elmasın havada yanması üzerine yaptığı deneyler ve aynı miktarda elmas ve kömür elde edildiğini kanıtlayan S. Tennant'ın (1797) çalışmaları sonucunda kurulmuştur. oksidasyon sırasında eşit miktarlar karbon dioksit. Karbon, 1789'da Lavoisier tarafından kimyasal bir element olarak kabul edildi. Latince adı carboneum carbon, karbo - kömürden alınmıştır.

Doğada karbon dağılımı. Yerkabuğundaki ortalama Karbon içeriği kütlece% 2,3 10 -2'dir (1 10 -2 ultrabazik, 1 10 -2 - bazik, 2 10 -2 - orta, 3 10 -2 - asit kayalarda) . Karbon yer kabuğunun üst kısmında (biyosfer) birikir: canlı maddede %18 Karbon, %50 odun, %80 kömür, %85 petrol, %96 antrasit. Litosferdeki karbonun önemli bir kısmı kireçtaşları ve dolomitlerde yoğunlaşmıştır.

Kendi minerallerinin sayısı Karbon - 112; istisnai derecede çok sayıda organik karbon bileşikleri - hidrokarbonlar ve bunların türevleri.

Yerkabuğunda karbon birikimi ile ilişkili olan, organik madde tarafından emilen ve çözünmeyen karbonatlar, vb. şeklinde çökelen diğer birçok elementin birikmesidir. CO 2 ve karbonik asit yer kabuğunda önemli bir jeokimyasal rol oynar. Volkanizma sırasında büyük miktarda CO 2 salınır - Dünya tarihinde biyosfer için ana karbon kaynağıydı.

Yerkabuğundaki ortalama içerikle karşılaştırıldığında, insanlık derinliklerden son derece büyük miktarlarda (kömür, petrol, doğal gaz), çünkü bu fosiller ana enerji kaynağıdır.

Karbon döngüsü büyük jeokimyasal öneme sahiptir.

Karbon ayrıca uzayda geniş çapta dağılmıştır; Güneş'te hidrojen, helyum ve oksijenden sonra 4. sırada yer alır.

Karbonun fiziksel özellikleri. Karbonun çeşitli kristal modifikasyonları bilinmektedir: grafit, elmas, karabina, lonsdaleit ve diğerleri. Grafit - gri-siyah, opak, dokunuşa yağlı, pullu, metalik parlaklığa sahip çok yumuşak bir kütle. Altıgen yapılı kristallerden yapılmıştır: a = 2.462Å, c = 6.701Å. Oda sıcaklığında ve normal basınçta (0,1 MN/m2 veya 1 kgf/cm2), grafit termodinamik olarak kararlıdır. Elmas çok sert, kristal bir maddedir. Kristaller kübik yüz merkezli bir kafese sahiptir: a = 3.560Å. Oda sıcaklığında ve normal basınçta, elmas yarı kararlıdır. Vakumda veya inert bir atmosferde 1400 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda elmasın grafite belirgin bir dönüşümü gözlenir. Atmosferik basınçta ve yaklaşık 3700 ° C sıcaklıkta grafit süblimleşir. Sıvı Karbon, 10,5 MN/m2'nin (105 kgf/cm2) üzerindeki basınçlarda ve 3700°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda elde edilebilir. Katı karbon (kok, kurum, odun kömürü) aynı zamanda düzensiz bir yapıya sahip bir durumla da karakterize edilir - bağımsız bir modifikasyon olmayan sözde "amorf" karbon; yapısı ince taneli grafit yapısına dayanmaktadır. Bazı "amorf" karbon çeşitlerinin havaya erişim olmadan 1500-1600°C'nin üzerinde ısıtılması grafite dönüşmelerine neden olur. "Amorf" karbonun fiziksel özellikleri büyük ölçüde parçacıkların inceliğine ve safsızlıkların varlığına bağlıdır. "Amorf" karbonun yoğunluğu, ısı kapasitesi, termal iletkenliği ve elektrik iletkenliği her zaman grafitinkinden daha yüksektir. Yapay olarak elde edilen karbin. İnce kristal siyah bir tozdur (yoğunluk 1.9-2 g/cm3). Birbirine paralel istiflenmiş uzun C atom zincirlerinden yapılmıştır. Lonsdaleit meteorlarda bulunur ve yapay olarak elde edilir.

Karbonun kimyasal özellikleri. Karbon atomunun dış elektron kabuğunun konfigürasyonu 2s 2 2p 2'dir. Karbon, dış elektron kabuğunun 2sp 3 durumuna uyarılması nedeniyle dört kovalent bağın oluşumu ile karakterize edilir. Bu nedenle, karbon, elektronları hem çekme hem de verme konusunda eşit derecede yeteneklidir. Kimyasal bağ, 4, 3 ve 2 koordinasyon numaralarına karşılık gelen sp 3 -, sp 2 - ve sp-hibrit orbitalleri nedeniyle gerçekleştirilebilir. Karbonun değerlik elektronlarının sayısı ve değerlik orbitallerinin sayısı aynıdır. ; karbon atomları arasındaki bağın kararlı olmasının nedenlerinden biri de budur.

Karbon atomlarının güçlü ve uzun zincirler ve döngüler oluşturmak için birbirleriyle birleşebilme konusundaki eşsiz yeteneği, organik kimya tarafından incelenen çok sayıda çeşitli karbon bileşiklerinin ortaya çıkmasına yol açmıştır.

Bileşiklerde, Karbon oksidasyon durumları -4 sergiler; +2; +4. Atom yarıçapı 0.77Å, kovalent yarıçaplar sırasıyla tek, çift ve üçlü bağlarda 0.77Å, 0.67Å, 0.60Å; iyonik yarıçap C 4- 2.60Å, C 4+ 0.20Å. Normal koşullar altında, karbon kimyasal olarak inerttir; yüksek sıcaklıklarda, birçok elementle birleşerek güçlü indirgeme özellikleri sergiler. Serideki kimyasal aktivite azalır: "amorf" Karbon, grafit, elmas; atmosferik oksijen ile etkileşim (yanma) sırasıyla 300-500°C, 600-700°C ve 850-1000°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda karbon monoksit (IV) CO2 ve karbon monoksit (II) CO oluşumu ile gerçekleşir.

CO 2, karbonik asit oluşturmak üzere suda çözünür. 1906'da O. Diels, karbon suboksit C3O2'yi elde etti. Tüm karbon formları alkalilere ve asitlere karşı dirençlidir ve yalnızca çok güçlü oksitleyici maddeler (krom karışımı, konsantre HNO 3 ve KClO 3 karışımı ve diğerleri) tarafından yavaşça oksitlenir. "Amorf" Karbon, oda sıcaklığında flor, ısıtıldığında grafit ve elmas ile reaksiyona girer. Karbonun klor ile doğrudan bağlantısı bir elektrik arkında meydana gelir; brom ve iyot ile Karbon reaksiyona girmez, bu nedenle dolaylı olarak çok sayıda karbon halojenür sentezlenir. COX 2 genel formülünün (burada X bir halojendir) oksihalidlerinden COCl klorür (fosgen) en iyi bilinir. Hidrojen, elmasla etkileşime girmez; katalizörlerin (Ni, Pt) mevcudiyetinde yüksek sıcaklıklarda grafit ve "amorf" karbon ile reaksiyona girer: 600-1000 °C'de esas olarak metan CH4 oluşur, 1500-2000 °C'de - asetilen C2H2; ürünlerde başka hidrokarbonlar da mevcut olabilir, örneğin C2H6 etan, C6H6 benzen. Sülfürün "amorf" karbon ve grafit ile etkileşimi 700-800°C'de, elmas ile 900-1000°C'de başlar; her durumda karbon disülfür CS2 oluşur. Kükürt içeren diğer karbon bileşikleri (CS tioksit, C3S2 tiyon oksit, COS sülfit ve CSCl2 tiyofosgen) dolaylı olarak elde edilir. CS2 metal sülfitlerle etkileşime girdiğinde, tiokarbonatlar oluşur - zayıf tiyokarbonik asit tuzları. Siyanojen (CN) 2 üretmek için karbonun nitrojenle etkileşimi, bir nitrojen atmosferinde karbon elektrotları arasından bir elektrik boşalması geçtiğinde meydana gelir. Azot içeren karbon bileşikleri arasında önemli bir pratik değer hidrojen siyanür HCN (Prusik asit) ve çok sayıda türevine sahiptir: siyanürler, halosiyanatlar, nitriller ve diğerleri 1000 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, karbon birçok metalle etkileşerek karbürler verir. Tüm karbon formları ısıtıldığında, serbest metallerin (Zn, Cd, Cu, Pb ve diğerleri) veya karbürlerin (CaC2 , Mo2C, WC, TaC ve diğerleri) oluşumuyla metal oksitleri azaltır. Karbon, 600-800 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda su buharı ve karbondioksit ile reaksiyona girer (Yakıtların gazlaşması). Grafitin ayırt edici bir özelliği, 300-400 ° C'ye kadar orta derecede ısıtma ile etkileşime girme yeteneğidir. alkali metaller ve C8Me, C24Me, C8X tipi (burada X bir halojendir, Me bir metaldir) dahil etme bileşikleri oluşturmak için halojenürler. Grafit inklüzyon bileşikleri, HNO3 , H2S04 , FeCl3 ve diğerleri ile bilinir (örneğin, grafit bisülfat C24S04H2). Tüm karbon formları, yaygın inorganik ve organik çözücülerde çözünmez, ancak bazı erimiş metallerde (örneğin, Fe, Ni, Co) çözünür.

Karbonun ekonomik önemi, dünyada tüketilen tüm birincil enerji kaynaklarının %90'ından fazlasının, nükleer enerjinin yoğun gelişimine rağmen baskın rolü önümüzdeki on yıllarda da devam edecek olan fosil yakıtlar olması gerçeğiyle belirlenir. Çıkarılan yakıtın sadece yaklaşık %10'u, plastik ve diğerlerinin üretimi için temel organik sentez ve petrokimyasal sentez için hammadde olarak kullanılır.

vücuttaki karbon. Karbon, dünyadaki yaşamın temelini oluşturan en önemli biyojenik elementtir, organizmaların inşasında yer alan ve yaşamsal aktivitelerini sağlayan çok sayıda organik bileşiğin yapısal birimidir (biyopolimerler ve çok sayıda düşük moleküler ağırlıklı biyolojik olarak aktif maddeler - vitaminler). , hormonlar, aracılar ve diğerleri). Organizmaların ihtiyaç duyduğu enerjinin önemli bir kısmı, karbonun oksidasyonu nedeniyle hücrelerde oluşur. Yeryüzünde yaşamın ortaya çıkışı şu şekilde kabul edilir: çağdaş bilim karbon bileşiklerinin karmaşık bir evrim süreci olarak.

Karbonun canlı doğadaki benzersiz rolü, toplamda periyodik sistemin başka hiçbir unsuru tarafından sahip olunmayan özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Karbon atomları arasında ve ayrıca karbon ve diğer elementler arasında, nispeten hafif fizyolojik koşullar altında kırılabilen güçlü kimyasal bağlar oluşur (bu bağlar tekli, ikili ve üçlü olabilir). Karbonun diğer Karbon atomlarıyla 4 eşdeğer değerlik bağı oluşturma yeteneği, karbon iskeletleri oluşturma fırsatı yaratır. çeşitli tipler- doğrusal, dallı, döngüsel. Sadece üç elementin - C, O ve H - toplam canlı organizma kütlesinin% 98'ini oluşturması önemlidir. Bu, canlı doğada belirli bir ekonomi sağlar: karbon bileşiklerinin neredeyse sınırsız yapısal çeşitliliği ile az sayıda kimyasal bağ, organik maddelerin parçalanması ve sentezi için gerekli enzimlerin sayısını önemli ölçüde azaltmayı mümkün kılar. Karbon atomunun yapısal özellikleri, organik bileşiklerdeki çeşitli izomerizm türlerinin temelini oluşturur (optik izomerizm yeteneğinin, amino asitlerin, karbonhidratların ve bazı alkaloitlerin biyokimyasal evriminde belirleyici olduğu ortaya çıktı).

AI Oparin'in genel kabul gören hipotezine göre, Dünya üzerindeki ilk organik bileşikler abiojenik kökenliydi. Dünyanın birincil atmosferinde bulunan metan (CH 4 ) ve hidrojen siyanür (HCN) karbon kaynakları olarak görev yaptı. Yaşamın ortaya çıkmasıyla birlikte, biyosferin tüm organik maddesinin oluşmasına neden olan tek inorganik karbon kaynağı, atmosferde bulunan ve ayrıca içinde çözünmüş olan karbon monoksit (IV) (CO 2) 'dir. doğal sular HCO3 şeklinde. Karbonun (CO2 formunda) en güçlü asimilasyon (asimilasyon) mekanizması - fotosentez - her yerde yeşil bitkiler tarafından gerçekleştirilir (yılda yaklaşık 100 milyar ton CO2 asimile edilir). Dünya'da, CO2'nin kemosentez yoluyla özümsenmesinin evrimsel olarak daha eski bir yolu da vardır; bu durumda kemosentetik mikroorganizmalar güneşin ışıma enerjisini değil, inorganik bileşiklerin oksidasyon enerjisini kullanır. Çoğu hayvan, hazır organik bileşikler şeklinde yiyeceklerle birlikte karbon tüketir. Organik bileşiklerin asimilasyon yöntemine bağlı olarak, ototrofik organizmalar ile heterotrofik organizmalar arasında ayrım yapmak gelenekseldir. Protein biyosentezi ve diğerleri için uygulama besinler Petrol hidrokarbonlarını tek karbon kaynağı olarak kullanan mikroorganizmalar, en önemli modern bilimsel ve teknik sorunlardan biridir.

Canlı organizmalarda kuru madde olarak karbon içeriği: %34,5-40 su bitkileri ve hayvanlarda, karasal bitki ve hayvanlarda %45.4-46.5 ve bakterilerde %54. Organizmaların hayati aktivitesi sürecinde, esas olarak doku solunumu nedeniyle, organik bileşiklerin oksidatif ayrışması, ortama salınmasıyla gerçekleşir. dış ortam CO2. Karbon ayrıca metabolizmanın daha karmaşık son ürünlerinin bir parçası olarak salınır. Hayvan ve bitkilerin ölümünden sonra, mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilen bozunma işlemleri sonucunda karbonun bir kısmı tekrar CO2'ye dönüştürülür. Doğada karbon döngüsü böyledir. Karbonun önemli bir kısmı mineralleşir ve fosil karbon birikintileri oluşturur: kömür, petrol, kireçtaşı ve diğerleri. Ana işlevine ek olarak - bir karbon kaynağı - doğal sularda ve biyolojik sıvılarda çözünen CO2, yaşam süreçleri için en uygun olan ortamın asitliğinin korunmasında rol oynar. CaCO 3'ün bir parçası olarak Karbon, birçok omurgasızın (örneğin yumuşakça kabukları) dış iskeletini oluşturur ve ayrıca mercanlarda, kuş yumurta kabuklarında ve diğerlerinde bulunur. Dünya'nın birincil biyolojik evrim sürecinde, metabolizmanın güçlü antimetabolitlerine dönüştüler.

Kararlı karbon izotoplarına ek olarak, radyoaktif 14C doğada yaygın olarak bulunur (insan vücudunda yaklaşık 0.1 mikroküri içerir). Metabolizma ve doğadaki karbon döngüsü araştırmalarındaki birçok büyük ilerleme, biyolojik ve tıbbi araştırmalarda karbon izotoplarının kullanımıyla ilişkilidir. Böylece, bir radyokarbon etiketinin yardımıyla, bitkiler ve hayvan dokuları tarafından H 14C03'ü sabitleme olasılığı kanıtlanmıştır, fotosentez reaksiyonlarının sırası oluşturulmuştur, amino asitlerin değişimi incelenmiştir, birçok biyolojik olarak aktif biyosentez yolları incelenmiştir. bileşikler izlendi, vb. 14 C'nin kullanımı, protein biyosentezi çalışma mekanizmalarında ve kalıtsal bilginin iletiminde moleküler biyolojinin başarısına katkıda bulundu. Karbon içeren organik kalıntılarda 14 C'nin spesifik aktivitesinin belirlenmesi, paleontoloji ve arkeolojide kullanılan yaşlarının yargılanmasını mümkün kılar.

(ilk elektron)

Karbon(kimyasal sembol C) Mendeleev'in periyodik sisteminin 2. periyodunun ana alt grubunun 4. grubunun kimyasal elementi, seri numarası 6'da, izotopların doğal karışımının atomik kütlesi 12.0107 g/mol'dür.

Hikaye

Karbon eski zamanlarda metallerin eritilmesi için kömür şeklinde kullanılmıştır. Karbon, elmas ve grafitin allotropik modifikasyonları uzun zamandır bilinmektedir. Karbonun temel doğası, 1780'lerin sonlarında A. Lavoisier tarafından belirlendi.

adın kökeni

Uluslararası isim: carbō - kömür.

Fiziki ozellikleri

Karbon, çok çeşitli allotropik modifikasyonlarda bulunur. fiziki ozellikleri. Değişikliklerin çeşitliliği, karbonun çeşitli türlerde kimyasal bağlar oluşturma kabiliyetinden kaynaklanmaktadır.

karbon izotopları

Doğal karbon iki kararlı izotoptan oluşur - 12 C (%98,892) ve 13 C (%1,108) ve bir radyoaktif izotop 14 C (β yayıcı, T ½ = 5730 yıl), atmosferde ve dünyanın üst kısmında yoğunlaşmıştır. kabuk. Kozmik radyasyon nötronlarının nitrojen çekirdekleri üzerindeki etkisinin bir sonucu olarak sürekli olarak stratosferin alt katmanlarında oluşur: 14 N (n, p) 14 C ve ayrıca 1950'lerin ortalarından beri bir insan olarak. -Nükleer santrallerin ürünü ve hidrojen bombalarının denenmesi sonucu üretilmiştir.

14 C'nin oluşumu ve bozunması, Kuvaterner jeolojisi ve arkeolojisinde yaygın olarak kullanılan radyokarbon tarihleme yönteminin temelini oluşturur.

Karbonun allotropik modifikasyonları

Çeşitli karbon modifikasyonlarının yapı şemaları
A: elmas, B: grafit, C: lonsdaleit
D: fullerene - buckyball C 60 , e: fulleren C 540 , F: fulleren C 70
G: amorf karbon, H: Karbon nanotüp

karbon allotropisi

lonsdaleit

fullerenler

karbon nanotüpler

şekilsiz karbon

Kömür siyahı karbon siyahı

Bir karbon atomunun elektron orbitalleri, elektron orbitallerinin hibridizasyon derecesine bağlı olarak farklı geometrilere sahip olabilir. Karbon atomunun üç temel geometrisi vardır.

dört yüzlü - bir s- ve üç p-elektronunun karıştırılmasıyla oluşturulur (sp 3 hibridizasyonu). Karbon atomu, tetrahedronun merkezinde bulunur ve dört eşdeğer σ-bağı ile karbon atomlarına veya diğerlerine tetrahedronun köşelerinde bağlanır. Karbon atomunun bu geometrisi, karbon elması ve lonsdaleitin allotropik modifikasyonlarına karşılık gelir. Karbon, örneğin metan ve diğer hidrokarbonlarda böyle bir hibritleşmeye sahiptir.

üçgen - bir s- ve iki p-elektron orbitalinin karıştırılmasıyla oluşturulur (sp² hibridizasyonu). Karbon atomu, aynı düzlemde birbirine 120 ° açıyla yerleştirilmiş üç eşdeğer σ bağına sahiptir. Hibridizasyona dahil olmayan ve σ-bağlarının düzlemine dik olarak yerleştirilmiş olan p-yörüngesi, diğer atomlarla π-bağları oluşturmak için kullanılır. Bu karbon geometrisi grafit, fenol vb. için tipiktir.

Digonal - bir s- ve bir p-elektronunun karıştırılmasıyla (sp-hibridizasyon) oluşturulur. Bu durumda, iki elektron bulutu aynı yönde uzar ve asimetrik dambıl gibi görünür. Diğer iki p-elektronu π-bağları oluşturur. Böyle bir atom geometrisine sahip karbon, özel bir allotropik modifikasyon - karabina oluşturur.

grafit ve elmas

Karbonun ana ve iyi çalışılmış kristal modifikasyonları elmas ve grafittir. -de normal koşullar sadece grafit termodinamik olarak kararlıyken, elmas ve diğer formlar yarı kararlıdır. Atmosfer basıncı ve 1200 K üzerindeki sıcaklıklarda Kalmaz grafite dönüşmeye başlar, 2100 K üzerinde ise dönüşüm saniyeler içinde gerçekleşir. ΔH 0 geçişi - 1,898 kJ / mol. Normal basınçta, karbon 3780 K'de süblimleşir. Sıvı karbon yalnızca belirli bir dış basınçta bulunur. Üç nokta: grafit-sıvı-buhar T = 4130 K, p = 10.7 MPa. Grafitin elmasa doğrudan geçişi 3000 K'de ve 11–12 GPa basınçta gerçekleşir.

60 GPa'nın üzerindeki basınçlarda, metalik iletkenliğe sahip çok yoğun bir C III modifikasyonunun (yoğunluk elmasınkinden %15-20 daha yüksektir) oluştuğu varsayılır. Yüksek basınçlarda ve nispeten Düşük sıcaklık(yaklaşık 1200 K), wurtzite tipi bir kristal kafes ile altıgen bir karbon modifikasyonu, yüksek oranda yönlendirilmiş grafit - lonsdaleitten (a \u003d 0.252 nm, c \u003d 0.412 nm, uzay grubu P6 3 /tts), yoğunluk 3.51 g / cm³, yani elmas gibi. Lonsdaleit ayrıca göktaşlarında da bulunur.

Ultra ince elmaslar (nano elmaslar)

1980'lerde SSCB'de, karbon içeren malzemelerin dinamik yükleme koşulları altında, ultra ince elmaslar (UDD'ler) adı verilen elmas benzeri yapıların oluşabileceği bulundu. Şu anda, "nanodiamonds" terimi giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bu tür malzemelerdeki parçacık boyutu birkaç nanometredir. UDD oluşumu için koşullar patlama sırasında gerçekleştirilebilir patlayıcılarönemli bir negatif oksijen dengesi ile, örneğin, TNT'nin RDX ile karışımları. Bu tür koşullar, gök cisimlerinin karbon içeren malzemelerin (organik madde, turba, kömür vb.) Mevcudiyetinde Dünya yüzeyine çarpmaları sırasında da gerçekleştirilebilir. Böylece, Tunguska göktaşının düşme bölgesinde, orman çöpünde UDD'ler bulundu.

karabina

Moleküllerin zincir yapısına sahip altıgen birleşimdeki karbonun kristal modifikasyonuna karabina denir. Zincirler ya poliendir (—C≡C—) ya da polikümülendendir (=C=C=). Birim hücredeki atom sayısı, hücre boyutu ve yoğunluğu (2,68–3,30 g/cm³) bakımından farklılık gösteren çeşitli karabina biçimleri bilinmektedir. Karbin, doğada mineral kaoit (grafitte beyaz damarlar ve inklüzyonlar) formunda bulunur ve yapay olarak asetilenin oksidatif dehidropolikondansasyonuyla, grafit üzerindeki lazer radyasyonunun etkisiyle, hidrokarbonlardan veya düşük sıcaklıktaki plazmada CCl4'ten elde edilir.

Karabina, yarı iletken özelliklere sahip siyah ince taneli bir tozdur (yoğunluk 1,9-2 g/cm³). alınan yapay koşullar uzun atom zincirlerinden karbon birbirine paralel olarak döşenir.

Carbyne, lineer bir karbon polimeridir. Bir karabina molekülünde, karbon atomları zincirlerde dönüşümlü olarak üçlü ve tekli bağlarla (polien yapısı) veya kalıcı olarak çift bağlarla (polikümülen yapısı) bağlanır. Bu madde ilk olarak 60'lı yılların başında Sovyet kimyagerleri V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin ve Yu.P. Kudryavtsev tarafından elde edildi. V SSCB Bilimler Akademisi Organoelement Bileşikleri Enstitüsü.Karbin yarı iletken özelliklere sahiptir ve ışığın etkisi altında iletkenliği büyük ölçüde artar. Bu özellik ilkine dayanmaktadır pratik kullanım- fotosellerde.

Fullerenler ve karbon nanotüpler

Karbon ayrıca küme parçacıkları C60, C70, C80, C90, C100 ve benzerleri (fullerenler) ve ayrıca grafenler ve nanotüpler biçiminde bilinir.

şekilsiz karbon

Amorf karbonun yapısı, tek kristalli (her zaman safsızlıklar içerir) grafitin düzensiz yapısına dayanır. Bunlar kok kömürü, kahverengi ve taş kömürü, karbon siyahı, kurum, aktif karbondur.

Doğada olmak

Yerkabuğundaki karbon içeriği kütlece %0,1'dir. Serbest karbon doğada elmas ve grafit şeklinde bulunur. Ana karbon kütlesi, doğal karbonatlar (kireç taşları ve dolomitler), fosil yakıtlar - antrasit (% 94-97 C), kahverengi kömür (% 64-80 C), kara kömür (% 76-95 C), petrol şeklindedir. şeyl (%56-97 C), %78 C), petrol (%82-87 C), yanıcı doğal gazlar (%99'a kadar metan), turba (%53-56 C), ayrıca bitüm vb. Atmosferde ve hidrosferde karbondioksit şeklinde CO 2 , havada kütlece % 0,046 CO 2 , nehir, deniz ve okyanusların sularında ~ 60 kat daha fazladır. Karbon bitkilerde ve hayvanlarda bulunur (~%18).
Karbon insan vücuduna yiyeceklerle girer (normalde günde yaklaşık 300 g). İnsan vücudundaki toplam karbon içeriği yaklaşık %21'e ulaşır (70 kg vücut ağırlığı başına 15 kg). Karbon, kas kütlesinin 2/3'ünü ve kas kütlesinin 1/3'ünü oluşturur. kemik dokusu. Vücuttan esas olarak dışarı verilen hava (karbondioksit) ve idrar (üre) ile atılır.
Doğadaki karbon döngüsü, biyolojik bir döngüyü, fosil yakıtların yanması sırasında volkanik gazlardan, sıcak maden kaynaklarından, okyanus sularının yüzey katmanlarından vb. Atmosfere CO 2 salınımını içerir. Biyolojik döngü aslında oluşur. C02 formundaki karbon bitkiler tarafından troposferden emilir. Daha sonra biyosferden tekrar jeosfere döner: bitkilerle birlikte karbon, hayvanların ve insanların organizmalarına girer ve daha sonra hayvan ve bitki materyalleri bozunduğunda toprağa ve CO2 şeklinde atmosfere karışır.

Buhar halinde ve nitrojen ve hidrojen ile bileşikler halinde karbon, Güneş'in, gezegenlerin atmosferinde, taş ve demir göktaşlarında bulunur.

Çoğu karbon bileşiği ve her şeyden önce hidrokarbonlar, belirgin bir kovalent bileşik karakterine sahiptir. C atomlarının kendi aralarındaki tekli, çiftli ve üçlü bağlarının gücü, C atomlarından kararlı zincirler ve döngüler oluşturma yeteneği, organik kimya tarafından incelenen çok sayıda karbon içeren bileşiklerin varlığını belirler.

Kimyasal özellikler

Normal sıcaklıklarda karbon kimyasal olarak inerttir, yeterince yüksek sıcaklıklarda birçok elementle birleşir ve güçlü indirgeme özellikleri sergiler. Seride farklı karbon formlarının kimyasal aktivitesi azalır: amorf karbon, grafit, elmas; havada sırasıyla 300–500 °C, 600–700 °C ve 850–1000 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda tutuşurlar.

Oksidasyon durumları +4, −4, nadiren +2 (CO, metal karbürler), +3 (C2N2, halosiyanatlar); elektron ilgisi 1.27 eV; C0'dan C4+'ya art arda geçiş sırasında iyonizasyon enerjisi sırasıyla 11.2604, 24.383, 47.871 ve 64.19 eV'dir.

inorganik bileşikler

Karbon, karbürleri oluşturmak için birçok elementle reaksiyona girer.

Yanma ürünleri karbon monoksit CO ve karbon dioksit CO2'dir. Kararsız oksit C302 (erime noktası -111°C, kaynama noktası 7°C) ve diğer bazı oksitler de bilinmektedir. Grafit ve amorf karbon sırasıyla 1200°C'de H2 ile ve 900°C'de F2 ile reaksiyona girmeye başlar.

Su ile CO 2 zayıf bir karbonik asit - H 2 CO 3 oluşturur, bu da tuzlar - Karbonatlar oluşturur. Yeryüzünde en yaygın karbonatlar kalsiyum (tebeşir, mermer, kalsit, kireçtaşı ve diğer mineraller) ve magnezyumdur (dolomit).

Grafit, halojenler, alkali metaller ve diğer maddelerle inklüzyon bileşikleri oluşturur. Bir N2 ortamında karbon elektrotları arasından bir elektrik boşalması geçirildiğinde siyanür oluşur, yüksek sıcaklıklarda karbonun H2 ve N2 karışımı ile etkileşmesiyle hidrosiyanik asit elde edilir. Sülfür ile birlikte, karbon karbon disülfit verir CS2 , CS ve C3S2 de bilinmektedir. Çoğu metal, bor ve silikon ile karbon karbürleri oluşturur. Karbonun su buharı ile reaksiyonu endüstride önemlidir: C + H 2 O \u003d CO + H 2 (Katı yakıtların gazlaştırılması). Isıtıldığında, karbon metal oksitleri metalurjide yaygın olarak kullanılan metallere indirger.

organik bileşikler

Karbonun polimer zincirleri oluşturma kabiliyeti nedeniyle, sayıları inorganik olanlardan çok daha fazla olan ve organik kimyanın çalışma alanı olan çok büyük bir karbon bazlı bileşikler sınıfı vardır. Bunlar arasında en kapsamlı gruplar vardır: hidrokarbonlar, proteinler, yağlar vb.

Karbon bileşikleri, karasal yaşamın temelini oluşturur ve özellikleri, bu tür yaşam formlarının var olabileceği koşulları büyük ölçüde belirler. Canlı hücrelerde atom sayısı bakımından karbonun payı yaklaşık %25, kütle oranı bakımından ise yaklaşık %18'dir.

Başvuru

Grafit kurşun kalem endüstrisinde kullanılmaktadır. Ayrıca özellikle yüksek veya düşük sıcaklıklarda yağlayıcı olarak kullanılır.

Elmas, olağanüstü sertliği nedeniyle vazgeçilmez bir aşındırıcı malzemedir. Matkapların taşlama memeleri elmas kaplamalıdır. Ayrıca yönlü pırlantalar kuyumculukta değerli taş olarak kullanılmaktadır. Nadir bulunması, yüksek dekoratif nitelikleri ve tarihsel koşulların bir kombinasyonu nedeniyle, elmas sürekli olarak en pahalı değerli taştır. Elmasın istisnai derecede yüksek termal iletkenliği (2000 W/m.K'ye kadar), onu işlemciler için substrat olarak yarı iletken teknolojisi için umut verici bir malzeme haline getirir. Ancak nispeten yüksek fiyat (yaklaşık 50 $/gram) ve elmas işlemenin karmaşıklığı, bu alandaki uygulamasını sınırlıyor.
Farmakoloji ve tıpta, çeşitli karbon bileşikleri yaygın olarak kullanılmaktadır - karbonik asit ve karboksilik asitlerin türevleri, çeşitli heterosikller, polimerler ve diğer bileşikler. Bu nedenle, çeşitli toksinleri emmek ve vücuttan çıkarmak için karbolen (aktif karbon) kullanılır; grafit (merhem şeklinde) - cilt hastalıklarının tedavisi için; karbonun radyoaktif izotopları - için bilimsel araştırma(radyokarbon analizi).

Karbon insan yaşamında çok büyük bir rol oynar. Uygulamaları, bu çok yönlü elemanın kendisi kadar çeşitlidir.

Karbon tüm organik maddelerin temelidir. Her canlı organizma büyük ölçüde karbondan oluşur. Karbon yaşamın temelidir. Canlı organizmalar için karbon kaynağı genellikle atmosferden veya sudan gelen CO2'dir. Fotosentez sonucunda biyolojik ortama girer. yemek zinciri canlıların birbirlerini veya birbirlerinin kalıntılarını yedikleri ve böylece kendi vücutlarını inşa etmek için karbon çıkardıkları. Karbonun biyolojik döngüsü ya oksidasyon ve atmosfere geri dönüş ile ya da kömür ya da petrol şeklinde atılmasıyla sona erer.

Fosil yakıtlar şeklinde karbon: kömür ve hidrokarbonlar (petrol, doğal gaz) insanlık için en önemli enerji kaynaklarından biridir.

Zehirli eylem

Karbon, atmosferik aerosollerin bir parçasıdır ve bunun sonucunda bölgesel iklim değişebilir ve güneşli gün sayısı azalabilir. Karbon, termik santrallerde kömür yakıldığında, açık ocak kömür madenciliği, yeraltı gazlaştırması, kömür konsantresi üretimi vb. sırasında, araçların egzoz gazlarının bir parçası olarak çevreye kurum şeklinde girer. Yanmanın üzerindeki karbon konsantrasyonu kaynaklar 100–400 µg/m³, büyük şehirler 2,4-15,9 µg/m³, kırsal bölgeler 0,5-0,8 µg/m³. NGS'lerden çıkan gaz-aerosol emisyonları ile (6-15) atmosfere girer.10 9 Bq/gün 14 CO 2 .

Atmosferik aerosollerdeki yüksek karbon içeriği, özellikle üst solunum yolu ve akciğerler olmak üzere popülasyonda görülme sıklığının artmasına neden olur. Meslek hastalıkları başlıca antrakoz ve toz bronşittir. Havada çalışma alanı MPC, mg/m³: elmas 8.0, antrasit ve kok 6.0, taş kömürü 10.0, karbon karası ve karbon tozu 4.0; V atmosferik hava maksimum tek seferlik 0,15, ortalama günlük 0,05 mg/m³.

Protein moleküllerinin (özellikle DNA ve RNA'da) bileşiminde yer alan 14 C'nin toksik etkisi, beta parçacıklarının ve nitrojen geri tepme çekirdeklerinin (14 C (β) → 14 N) radyasyon etkisi ve transmutasyonu ile belirlenir. etki - C atomunun N atomuna dönüşmesinin bir sonucu olarak molekülün kimyasal bileşiminde bir değişiklik Çalışma alanı havasında izin verilen 14 C konsantrasyonu DK A 1.3 Bq / l, atmosferik havada DK B 4,4 Bq / l, suda 3.0.10 4 Bq / l, solunum sistemi yoluyla izin verilen maksimum alım miktarı 3 ,2,10 8 Bq/yıl.

Ek Bilgiler

— Karbon bileşikleri
— Radyokarbon analizi
— ortokarboksilik asit

Allotropik karbon formları:

Elmas
grafen
Grafit
karabina
Lonsdaleit
karbon nanotüpler
Fullerenler

Amorf formlar:

Kurum
karbon siyahı
Kömür

karbon izotopları:

Kararsız (bir günden az): 8C: Karbon-8, 9C: Karbon-9, 10C: Karbon-10, 11C: Karbon-11
Kararlı: 12C: Karbon-12, 13C: Karbon-13
10-10.000 yıl: 14C: Karbon-14
Kararsız (bir günden az): 15C: Karbon-15, 16C: Karbon-16, 17C: Karbon-17, 18C: Karbon-18, 19C: Karbon-19, 20C: Karbon-20, 21C: Karbon-21, 22C: Karbon-22

nüklid tablosu

Karbon, Karbon, C (6)
Kömür, kurum ve kurum şeklindeki karbon (İngiliz Karbonu, Fransız Karbonu, Alman Kohlenstoff) çok eski zamanlardan beri insanlık tarafından bilinmektedir; yaklaşık 100 bin yıl önce atalarımız ateş konusunda ustalaştıklarında her gün kömür ve isle uğraşıyorlardı. Muhtemelen, çok erken insanlar karbon - elmas ve grafitin allotropik modifikasyonlarının yanı sıra bir fosil ile tanıştılar. kömür. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, karbonlu maddelerin yanması, insanı ilgilendiren ilk kimyasal işlemlerden biriydi. Yanan madde ateş tarafından tüketilerek kaybolduğundan, yanma maddenin ayrışma süreci olarak kabul edildi ve bu nedenle kömür (veya karbon) bir element olarak kabul edilmedi. Öğe, yanmaya eşlik eden olgu olan ateşti; antik çağın element öğretilerinde, ateş genellikle elementlerden biri olarak görülür. XVII - XVIII yüzyılların başında. Becher ve Stahl tarafından ortaya atılan flojiston teorisi ortaya çıktı. Bu teori, yanma sırasında buharlaşan özel bir temel maddenin - ağırlıksız bir sıvı - flojistonun her yanıcı gövdesinde varlığını kabul etti.

Büyük miktarda kömür yakıldığında geriye sadece çok az kül kalır, flojistikçiler kömürün neredeyse saf flojiston olduğuna inanırlar. Bu, özellikle kömürün "flojistik" etkisinin, "kireç" ve cevherlerden metalleri geri kazanma yeteneğinin açıklamasıydı. Daha sonra flojistik, Réaumur, Bergman ve diğerleri, kömürün temel bir madde olduğunu çoktan anlamaya başladılar. Bununla birlikte, ilk kez, kömürün ve diğer maddelerin hava ve oksijende yanma sürecini inceleyen Lavoisier tarafından "saf kömür" kabul edildi. Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet ve Fourcroix'te, Yöntem kimyasal terminoloji”(1787) Fransız “saf kömür” (charbone pur) yerine “karbon” (karbon) adı ortaya çıktı. Aynı adla karbon, Lavoisier'nin "Temel Kimya Ders Kitabı" ndaki "Basit Cisimler Tablosu" nda görünür. 1791'de İngiliz kimyager Tennant, serbest karbonu ilk elde eden kişi oldu; kalsine tebeşir üzerinden fosfor buharı geçirerek kalsiyum fosfat ve karbon oluşumuna neden oldu. Bir elmasın güçlü bir şekilde ısıtıldığında kalıntı bırakmadan yandığı uzun zamandır bilinmektedir. 1751'de Fransız kralı Francis, yakma deneyleri için bir elmas ve bir yakut vermeyi kabul ettim, ardından bu deneyler moda oldu. Sadece elmasın yandığı ve yakutun (krom katkılı alüminyum oksit) yanıcı merceğin odağında hasar görmeden uzun süreli ısınmaya dayandığı ortaya çıktı. Lavoisier, büyük bir yangın çıkarıcı makine yardımıyla elması yakma konusunda yeni bir deney kurdu ve elmasın kristal karbon olduğu sonucuna vardı. Simya dönemindeki ikinci karbon - grafit allotropu, değiştirilmiş bir kurşun parlaklığı olarak kabul edildi ve plumbago olarak adlandırıldı; Pott, grafitte herhangi bir kurşun safsızlığının olmadığını ancak 1740'ta keşfetti. Scheele grafiti inceledi (1779) ve bir flojistikçi olarak onun özel bir tür kükürt kütlesi, bağlı "hava asidi" (CO2) içeren özel bir mineral kömür olduğunu düşündü ve çok sayıda flojiston.

Yirmi yıl sonra Guiton de Morveau, hafifçe ısıtarak elması önce grafite, sonra da karbonik aside dönüştürdü.

Carboneum'un uluslararası adı lat. karbo (kömür). Kelime çok eski bir kökene sahiptir. Krema ile karşılaştırılır - yakmak; destanların kökü, cal, Rusça gar, gal, gol, Sanskritçe sta kaynatmak, pişirmek demektir. "Karbo" kelimesi, diğer maddelerdeki karbon isimleriyle ilişkilendirilir. Avrupa dilleri(karbon, karbon, vb.). Alman Kohlenstoff, Kohle - kömürden (Eski Alman kolo, İsveç kylla - ısıtmak için) geliyor. Eski Rus ugorati veya ugarati (yanma, kavurma), bir hedefe olası bir geçişle kök gar veya dağlara sahiptir; Eski Rusça yug'l'da kömür veya aynı kökenli kömür. Elmas (Diamante) kelimesi eski Yunancadan geliyor - yok edilemez, kararlı, sert ve grafit Yunancadan - yazıyorum.

XIX yüzyılın başında. Rus kimya literatüründe eski kömür kelimesi bazen "kömür" kelimesiyle değiştirilmiştir (Sherer, 1807; Severgin, 1815); 1824'ten beri Solovyov karbon adını tanıttı.

TANIM

Karbon- Periyodik tablonun altıncı öğesi. Tanımlama - Latince "karboneum" dan C. İkinci dönemde yer alan IVA grubu. Metal olmayanları ifade eder. Nükleer yük 6'dır.

Karbon doğada hem serbest halde hem de çok sayıda bileşik halinde bulunur. Serbest karbon, elmas ve grafit olarak oluşur. Fosil kömüre ek olarak, Dünya'nın bağırsaklarında büyük miktarda petrol birikintileri vardır. Yerkabuğunda çok miktarda karbonik asit tuzları, özellikle kalsiyum karbonat bulunur. Havada her zaman karbondioksit vardır. Son olarak, bitki ve hayvan organizmaları, oluşumunda karbonun yer aldığı maddelerden oluşur. Bu nedenle, yer kabuğundaki toplam içeriği yalnızca yaklaşık %0,1 (ağırlık) olmasına rağmen, bu element Dünya'da en yaygın olanlardan biridir.

Karbonun atomik ve moleküler ağırlığı

Bir maddenin bağıl moleküler ağırlığı (M r), belirli bir molekülün kütlesinin, bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sinden kaç kat daha büyük olduğunu ve bir elementin bağıl atomik kütlesini (Ar r) gösteren bir sayıdır. bir kimyasal elementin ortalama atom kütlesinin, bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sinden kaç kat daha büyük olduğudur.

Serbest durumda karbon, tek atomlu C molekülleri şeklinde bulunduğundan, atomik ve moleküler kütlelerinin değerleri aynıdır. 12.0064'e eşittirler.

Karbonun allotropi ve allotropik modifikasyonları

Serbest durumda karbon, kübik ve altıgen (lonsdaleit) sistemlerde kristalleşen elmas ve altıgen sisteme ait grafit şeklinde bulunur (Şekil 1). Kömür, kok veya kurum gibi karbon formları düzensiz bir yapıya sahiptir. Sentetik olarak elde edilen allotropik modifikasyonlar da vardır - bunlar, -C= C- veya = C = C= tipi doğrusal zincir polimerlerinden yapılan karabina ve polikümülen - karbon çeşitleridir.

Pirinç. 1. Karbonun allotropik modifikasyonları.

Aşağıdaki isimlere sahip karbonun allotropik modifikasyonları da bilinmektedir: grafen, fulleren, nanotüpler, nanolifler, astralen, camsı karbon, devasa nanotüpler; amorf karbon, karbon nano tomurcuklar ve karbon nano köpük.

karbon izotopları

Doğada karbon, iki kararlı izotop 12C (%98.98) ve 13C (%1.07) formunda bulunur. Kütle numaraları sırasıyla 12 ve 13'tür. 12 C karbon izotopunun çekirdeği altı proton ve altı nötron içerir ve 13 C izotopu aynı sayıda proton ve beş nötron içerir.

5730 yıllık yarı ömre sahip bir yapay (radyoaktif) karbon izotopu, 14 C vardır.

karbon iyonları

Karbon atomunun dış enerji seviyesinde, değerlik olan dört elektron vardır:

1s 2 2s 2 2p 2 .

Kimyasal etkileşimin bir sonucu olarak karbon, değerlik elektronlarını kaybedebilir, yani. onların donörü olmak ve pozitif yüklü iyonlara dönüşmek veya başka bir atomdan elektron almak, yani onların alıcısı olun ve negatif yüklü iyonlara dönüşün:

C 0 -2e → C 2+;

C 0 -4e → C 4+;

C 0 +4e → C 4-.

Molekül ve karbon atomu

Serbest durumda, karbon tek atomlu C molekülleri şeklinde bulunur. İşte karbon atomunu ve molekülünü karakterize eden bazı özellikler:

karbon alaşımları

Dünya çapında en iyi bilinen karbon alaşımları çelik ve dökme demirdir. Çelik, karbon içeriği% 2'yi geçmeyen bir demir ve karbon alaşımıdır. Dökme demirde (ayrıca karbonlu bir demir alaşımı), karbon içeriği daha yüksektir -% 2 ila 4.

Problem çözme örnekleri

ÖRNEK 1

Egzersiz yapmak	0.1 kütle fraksiyonu safsızlık içeren 500 g kireç taşının pişirilmesi sırasında ne kadar miktarda karbon monoksit (IV) salınacaktır (n.o.).
Çözüm	Kireçtaşı kavurma reaksiyonu için denklemi yazıyoruz: CaCO3 \u003d CaO + CO2 -. Bir saf kireçtaşı kütlesi bulalım. Bunu yapmak için önce safsızlıklar olmadan kütle oranını belirleriz: w temiz (CaCO 3) \u003d 1 - w safsızlık \u003d 1 - 0,1 \u003d 0,9. m temiz (CaCO 3) \u003d m (CaCO 3) × w temiz (CaCO 3); m temiz (CaCO 3) \u003d 500 × 0,9 \u003d 450 g. Kireçtaşı maddesi miktarını hesaplayın: n (CaCO 3) \u003d m temiz (CaCO 3) / M (CaCO 3); n(CaCO3) \u003d 450/100 \u003d 4,5 mol. Reaksiyon denklemine göre n (CaC03) : n (C02) = 1: 1, o zaman n (CaCO 3) \u003d n (C02) \u003d 4,5 mol. Ardından, salınan karbon monoksitin (IV) hacmi şuna eşit olacaktır: V(CO2) \u003d n(CO2) × Vm; V (CO 2) \u003d 4,5 × 22,4 \u003d 100,8 litre.
Cevap	100,8 litre

ÖRNEK 2

Egzersiz yapmak	11,2 g kalsiyum karbonatı nötralize etmek için 0,05 kütle fraksiyonu veya %5 hidrojen klorür içeren bir çözelti ne kadar gerekli olacaktır?
Çözüm	Kalsiyum karbonatın hidrojen klorür ile nötralizasyonu için denklemi yazıyoruz: CaCO3 + 2HCl \u003d CaCl2 + H20 + CO2 -. Kalsiyum karbonat maddesi miktarını bulun: M(CaCO 3) = Ar (Ca) + Ar (C) + 3×A r (O); M(CaCO 3) \u003d 40 + 12 + 3 × 16 \u003d 52 + 48 \u003d 100 g / mol. n (CaCO 3) \u003d m (CaCO 3) / M (CaCO 3); n (CaCO 3) \u003d 11.2 / 100 \u003d 0.112 mol. Reaksiyon denklemine göre n (CaCO 3) : n (HCl) \u003d 1: 2, o zaman n(HCl) \u003d 2 × n (CaCO3) \u003d 2 × 0.224 mol. Çözeltide bulunan hidrojen klorür maddesinin kütlesini belirleyin: M(HCl) \u003d Ar (H) + Ar (Cl) \u003d 1 + 35,5 \u003d 36,5 g / mol. m(HCl) = n(HCl) × M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 gr Hidrojen klorür çözeltisinin kütlesini hesaplayın: m çözelti (HCl) = m(HCl) × 100 / w(HCl); m çözelti (HCl) = 8,176 × 100 / 5 = 163,52 g
Cevap	163,52 gram

Bir elmasın yapısı (A) ve grafit (B)

Karbon(Latince karbonyum) - C, Mendeleev'in periyodik sisteminin IV grubunun kimyasal bir elementi, atom numarası 6, atom kütlesi 12.011. Doğada elmas, grafit veya fulleren kristalleri ve diğer formlarda bulunur ve organik (kömür, petrol, hayvan ve bitki organizmaları vb.) ve inorganik maddeler(kireç taşı, kabartma tozu, vb.). Karbon yaygındır, ancak yer kabuğundaki içeriği yalnızca %0,19'dur.

Karbon, formda yaygın olarak kullanılır. basit maddeler. Mücevherat konusu olan değerli elmasların yanı sıra, taşlama ve kesme aletlerinin imalatı için endüstriyel elmaslar büyük önem taşımaktadır. Kömür ve diğer amorf karbon formları, gelişmiş bir yüzeye sahip adsorbanların gerekli olduğu teknoloji alanlarında renk giderimi, saflaştırma, gazların adsorpsiyonu için kullanılır. Karbürler, karbonun metallerle, ayrıca bor ve silikonla bileşikleri (örneğin, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) oldukça serttir ve aşındırıcı ve kesici aletler yapmak için kullanılır. Karbon, çeliklerde ve alaşımlarda element halinde ve karbürler halinde bulunur. Çelik dökümlerin yüzeyinin karbon ile doygunluğu Yüksek sıcaklık(sementasyon) yüzey sertliğini ve aşınma direncini önemli ölçüde arttırır.

Tarihsel referans

Grafit, elmas ve amorf karbon antik çağlardan beri bilinmektedir. Diğer malzemelerin grafit ile işaretlenebileceği uzun zamandır biliniyor ve Yunanca "yazmak" anlamına gelen "grafit" adının kendisi 1789'da A. Werner tarafından önerildi. kafası karışmış, genellikle benzer dış fiziksel özelliklere sahip maddeler bununla karıştırılıyordu. , bir zamanlar grafit olarak kabul edilen molibdenit (molibden sülfit) gibi. Grafitin diğer isimleri arasında "siyah kurşun", "demir karbür", "gümüş kurşun" bilinmektedir.

1779'da K. Scheele, grafitin hava ile oksitlenerek karbondioksit oluşturabileceğini buldu. Elmas ilk kez Hindistan'da kullanım alanı buldu ve Brezilya'da değerli taşlar 1725'te ticari önem kazandı; mevduat Güney Afrika 1867 yılında açılmıştır.

20. yüzyılda Başlıca elmas üreticileri Güney Afrika, Zaire, Botsvana, Namibya, Angola, Sierra Leone, Tanzanya ve Rusya'dır. Teknolojisi 1970 yılında oluşturulan yapay elmaslar, endüstriyel amaçlar için üretilmektedir.

Özellikler

Karbonun dört kristal modifikasyonu bilinmektedir:

• grafit,
• elmas,
• karabina,
• lonsdaleyt.

Grafit- gri-siyah, opak, dokunuşta yağlı, pullu, metalik parlaklığa sahip çok yumuşak kütle. Oda sıcaklığında ve normal basınçta (0,1 MN/m2 veya 1 kgf/cm2), grafit termodinamik olarak kararlıdır.

Elmas- çok katı, kristal madde. Kristaller kübik yüz merkezli bir kafese sahiptir. Oda sıcaklığında ve normal basınçta, elmas yarı kararlıdır. Vakumda veya inert bir atmosferde 1400°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda elmasın grafite belirgin bir dönüşümü gözlenir. Atmosferik basınçta ve yaklaşık 3700 ° C sıcaklıkta grafit süblimleşir.

Sıvı karbon, 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) üzerindeki basınçlarda ve 3700°C üzerindeki sıcaklıklarda elde edilebilir. Katı karbon (kok, kurum, odun kömürü) aynı zamanda düzensiz bir yapıya sahip bir durumla da karakterize edilir - bağımsız bir modifikasyon olmayan sözde "amorf" karbon; yapısı ince taneli grafit yapısına dayanmaktadır. Bazı "amorf" karbon çeşitlerinin hava olmadan 1500-1600 °C'nin üzerinde ısıtılması grafite dönüşmelerine neden olur.

"Amorf" karbonun fiziksel özellikleri büyük ölçüde parçacıkların dağılımına ve safsızlıkların varlığına bağlıdır. "Amorf" karbonun yoğunluğu, ısı kapasitesi, termal iletkenliği ve elektrik iletkenliği her zaman grafitten daha yüksektir.

karabina yapay olarak elde edilmiştir. Siyah renkli ince kristal bir tozdur (yoğunluk 1.9-2 g / cm3). Uzun atom zincirlerinden yapılmış İLE birbirine paralel olarak döşenir.

Lonsdaleit göktaşlarında bulunan ve yapay olarak elde edilen; yapısı ve özellikleri kesin olarak belirlenmemiştir.

karbonun özellikleri
atomik numara		6
atom kütlesi		12,011
izotoplar:	stabil	12, 13
	dengesiz	8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
Erime sıcaklığı		3550°С
kaynama sıcaklığı		4200°С
Yoğunluk		1,9-2,3 gr/cm3 (grafit) 3,5-3,53 gr/cm3 (elmas)
Sertlik (Mohs)		1-2
Yerkabuğundaki içerik (kütle.)		0,19%
oksidasyon durumları		-4; +2; +4

Alaşımlar

Çelik

Kok, metalürjide indirgeyici bir madde olarak kullanılır. Kömür - demirhanelerde barut (%75 KNO 3 + %13 C + %12 S) elde etmek, gazları emmek (adsorpsiyon) ve günlük yaşamda. Kurum, siyah boyaların - baskı mürekkebi ve mürekkebin yanı sıra kuru galvanik hücrelerde - üretimi için kauçuk dolgu maddesi olarak kullanılır. Camsı karbon, havacılık ve uzay bilimlerinin yanı sıra oldukça agresif ortamlar için ekipman üretiminde kullanılır.

Aktif kömür, gazlardan ve sıvılardan zararlı maddeleri emer: gaz maskelerini, arıtma sistemlerini doldurur, tıpta zehirlenme için kullanılır.

Karbon tüm organik maddelerin temelidir. Her canlı organizma büyük ölçüde karbondan oluşur. Karbon yaşamın temelidir. Canlı organizmalar için karbon kaynağı genellikle atmosferden veya sudan gelen CO2'dir. Fotosentez sonucunda, canlıların birbirlerini ya da birbirlerinin kalıntılarını yedikleri biyolojik besin zincirlerine girerler ve böylece kendi vücutlarını oluşturmak için karbon çıkarırlar. Karbonun biyolojik döngüsü ya oksidasyon ve atmosfere geri dönüş ile ya da kömür ya da petrol şeklinde atılmasıyla sona erer.

Radyoaktif izotop 14 C'nin kullanımı, moleküler biyolojinin protein biyosentezi mekanizmalarını ve kalıtsal bilginin iletimini incelemedeki başarısına katkıda bulunmuştur. Karbonlu organik kalıntılarda 14 C'nin spesifik aktivitesinin belirlenmesi, paleontoloji ve arkeolojide kullanılan yaşlarını yargılamayı mümkün kılar.

kaynaklar

Kimyasal elementler ve malzemeler
Kimyasal elementler	Azot. Argon. Hidrojen. Helyum. Ütü . Kalsiyum. Oksijen. Silikon. Magnezyum. Manganez.