Uno degli elementi più sorprendenti che possono formare un'enorme varietà di composti di natura organica e inorganica è il carbonio. Questo elemento è così insolito nelle sue proprietà che persino Mendeleev ha predetto un grande futuro per esso, parlando di caratteristiche che non sono state ancora rivelate.
Più tardi è stato praticamente confermato. Si è saputo che è il principale elemento biogenico del nostro pianeta, che fa parte di tutti gli esseri viventi. Inoltre, capace di esistere in forme radicalmente diverse sotto tutti gli aspetti, ma allo stesso tempo costituite solo da atomi di carbonio.
In generale, questa struttura ha molte caratteristiche e cercheremo di affrontarle nel corso dell'articolo.
Carbon: formula e posizione nel sistema degli elementi
Nel sistema periodico, l'elemento carbonio si trova nel gruppo IV (secondo il nuovo modello in 14), il sottogruppo principale. Il suo numero di serie è 6 e il suo peso atomico è 12.011 La designazione di un elemento con il segno C indica il suo nome in latino - carboneum. Esistono diverse forme in cui esiste il carbonio. La sua formula è quindi diversa e dipende dalla specifica modifica.
Tuttavia, per scrivere equazioni di reazione, la notazione è specifica,ovviamente avere. In generale, quando si parla di una sostanza allo stato puro, si adotta la formula molecolare del carbonio C, senza indicizzazione.
Cronologia delle scoperte degli elementi
Questo stesso elemento è noto fin dall'antichità. Dopotutto, uno dei minerali più importanti in natura è il carbone. Pertanto, per gli antichi greci, romani e altre nazionalità, non era un segreto.
Oltre a questa varietà, sono stati utilizzati anche diamanti e grafite. Ci sono state molte situazioni di confusione con quest'ultimo per molto tempo, poiché spesso, senza analisi della composizione, tali composti venivano presi per grafite, come ad esempio:
- piombo d'argento;
- carburo di ferro;
- solfuro di molibdeno.
Erano tutti dipinti di nero e quindi considerati grafite. Successivamente, questo malinteso è stato chiarito e questa forma di carbonio è diventata essa stessa.
Dal 1725, i diamanti hanno avuto una grande importanza commerciale e nel 1970 la tecnologia per ottenerli artificialmente è stata padroneggiata. Dal 1779, grazie al lavoro di Karl Scheele, sono state studiate le proprietà chimiche che il carbonio esibisce. Questo fu l'inizio di una serie di importanti scoperte nel campo di questo elemento e divenne la base per scoprirne tutte le caratteristiche più singolari.
Isotopi del carbonio e distribuzione in natura
Nonostante il fatto che l'elemento in questione sia uno dei più importanti biogenici, il suo contenuto totale nella massa della crosta terrestre è dello 0,15%. Ciò è dovuto al fatto che è soggetto a una circolazione costante, un ciclo naturale in natura.
In generale, ce ne sono diversicomposti minerali contenenti carbonio. Queste sono razze naturali come:
- dolomiti e calcari;
- antracite;
- scisti bituminosi;
- gas naturale;
- carbone;
- olio;
- lignite;
- torba;
- bitume.
Oltre a questo, non dovremmo dimenticare gli esseri viventi, che sono solo un deposito di composti di carbonio. Dopotutto, hanno formato proteine, grassi, carboidrati, acidi nucleici, il che significa le molecole strutturali più vitali. In generale, nella conversione del peso corporeo secco su 70 kg, 15 ricade su un elemento puro. E così è per ogni persona, per non parlare di animali, piante e altre creature.
Se consideriamo la composizione di aria e acqua, cioè l'idrosfera nel suo insieme e l'atmosfera, allora c'è una miscela di carbonio-ossigeno, espressa dalla formula CO2. L'anidride carbonica o anidride carbonica è uno dei principali gas che compongono l'aria. È in questa forma che la frazione di massa del carbonio è 0,046%. Ancora più anidride carbonica viene dissolta nelle acque degli oceani.
La massa atomica del carbonio come elemento è 12.011. È noto che questo valore è calcolato come media aritmetica tra i pesi atomici di tutte le specie isotopiche esistenti in natura, tenendo conto della loro prevalenza (in percentuale). Ciò vale anche per la sostanza in questione. Ci sono tre isotopi principali in cui si trova il carbonio. Questo è:
- 12С - la sua frazione di massa nella stragrande maggioranza è del 98,93%;
- 13C -1,07%;
- 14C - radioattivo, emivita 5700 anni, emettitore beta stabile.
Nella pratica di determinazione dell'età geocronologica dei campioni, l'isotopo radioattivo 14С è ampiamente utilizzato, che è un indicatore dovuto al suo lungo periodo di decadimento.
Modifiche allotropiche di un elemento
Il carbonio è un elemento che esiste come sostanza semplice in diverse forme. Cioè, è in grado di formare il maggior numero di modificazioni allotropiche conosciute oggi.
1. Variazioni cristalline - esistono sotto forma di strutture forti con reticoli regolari di tipo atomico. Questo gruppo include varietà come:
- diamanti;
- fullereni;
- grafiti;
- carabine;
- lonsdaleites;
- fibre e tubi di carbonio.
Tutti differiscono per la struttura del reticolo cristallino, nei cui nodi è presente un atomo di carbonio. Da qui le proprietà completamente uniche e dissimili, sia fisiche che chimiche.
2. Forme amorfe: sono formate da un atomo di carbonio, che fa parte di alcuni composti naturali. Cioè, queste non sono varietà pure, ma con impurità di altri elementi in piccole quantità. Questo gruppo include:
- carbone attivo;
- pietra e legno;
- fuliggine;
- nanoschiuma di carbonio;
- antracite;
- carbonio vetroso;
- una sostanza di tipo tecnico.
Sono anche uniti dalle caratteristichestrutture del reticolo cristallino, spiegando e manifestando proprietà.
3. Composti del carbonio sotto forma di cluster. Una tale struttura, in cui gli atomi sono chiusi in una speciale conformazione cava dall'interno, riempita con acqua o nuclei di altri elementi. Esempi:
- nanoconi di carbonio;
- astralens;
- dicarbonio.
Proprietà fisiche del carbonio amorfo
A causa dell'ampia varietà di modificazioni allotropiche, è difficile identificare proprietà fisiche comuni per il carbonio. È più facile parlare di un modulo specifico. Ad esempio, il carbonio amorfo ha le seguenti caratteristiche.
- Al cuore di tutte le forme ci sono varietà di grafite a cristalli fini.
- Elevata capacità termica.
- Buone proprietà conduttive.
- La densità del carbonio è di circa 2 g/cm3.
- Quando riscaldato sopra 1600 0C, si verifica una transizione alle forme di grafite.
Le varietà di fuliggine, carbone e pietra sono ampiamente utilizzate per scopi industriali. Non sono una manifestazione della modificazione del carbonio nella sua forma pura, ma lo contengono in quantità molto grandi.
Carbonio cristallino
Ci sono diverse opzioni in cui il carbonio è una sostanza che forma cristalli regolari di vario tipo, dove gli atomi sono collegati in serie. Di conseguenza, si formano le seguenti modifiche.
- Diamante. La struttura è cubica, in cui sono collegati quattro tetraedri. Di conseguenza, tutti i legami chimici covalenti di ciascun atomomassima saturazione e durata. Questo spiega le proprietà fisiche: la densità del carbonio è 3300 kg/m3. Elevata durezza, bassa capacità termica, mancanza di conduttività elettrica: tutto questo è il risultato della struttura del reticolo cristallino. Ci sono diamanti ottenuti tecnicamente. Si formano durante il passaggio della grafite alla successiva modifica sotto l'influenza di alte temperature e una certa pressione. In generale, il punto di fusione del diamante è alto quanto la forza - circa 3500 0C.
- Grafite. Gli atomi sono disposti in modo simile alla struttura della sostanza precedente, tuttavia solo tre legami sono saturi e il quarto diventa più lungo e meno forte, collega gli "strati" degli anelli esagonali del reticolo. Di conseguenza, si scopre che la grafite è una sostanza nera morbida e grassa al tatto. Ha una buona conduttività elettrica e un alto punto di fusione - 3525 0C. Capace di sublimazione - sublimazione da uno stato solido a uno gassoso, bypassando lo stato liquido (a una temperatura di 3700 0С). La densità del carbonio è 2,26 g/cm3, che è molto inferiore a quella del diamante. Questo spiega le loro diverse proprietà. A causa della struttura a strati del reticolo cristallino, è possibile utilizzare la grafite per la produzione di mine. Quando vengono strisciati sulla carta, i fiocchi si staccano e lasciano un segno nero sulla carta.
- Fullereni. Sono stati aperti solo negli anni '80 del secolo scorso. Sono modifiche in cui i carboni sono interconnessi in una speciale struttura chiusa convessa, che ha al centrovuoto. E la forma di un cristallo: un poliedro, l'organizzazione corretta. Il numero di atomi è pari. La forma più famosa di fullerene è С60. Campioni di una sostanza simile sono stati trovati durante la ricerca:
- meteoriti;
- sedimenti di fondo;
- folgurite;
- shungite;
- spazio esterno, dove erano contenuti sotto forma di gas.
Tutte le varietà di carbonio cristallino sono di grande importanza pratica, poiché hanno una serie di proprietà utili in ingegneria.
Reattività
Il carbonio molecolare mostra una bassa reattività grazie alla sua configurazione stabile. Può essere costretto a entrare in reazioni solo impartendo energia aggiuntiva all'atomo e costringendo gli elettroni del livello esterno ad evaporare. A questo punto la valenza diventa 4. Pertanto, nei composti, ha uno stato di ossidazione di + 2, + 4, - 4.
In pratica tutte le reazioni con sostanze semplici, sia metalliche che non metalliche, procedono sotto l'influenza delle alte temperature. L'elemento in questione può essere sia un agente ossidante che un agente riducente. Tuttavia, queste ultime proprietà sono particolarmente pronunciate in esso, e questa è la base per il suo utilizzo nell'industria metallurgica e in altre industrie.
In generale, la capacità di entrare in interazioni chimiche dipende da tre fattori:
- dispersione di carbonio;
- modifica allotropica;
- temperatura di reazione.
Quindi, in alcuni casi c'è un'interazione con quanto seguesostanze:
- non metalli (idrogeno, ossigeno);
- metalli (alluminio, ferro, calcio e altri);
- ossidi metallici e loro sali.
Non reagisce con acidi e basi, molto raramente con alogeni. La più importante delle proprietà del carbonio è la capacità di formare lunghe catene tra loro. Possono chiudersi in un ciclo, formare rami. Nasce così la formazione dei composti organici, che oggi sono milioni. La base di questi composti sono due elementi: carbonio, idrogeno. Possono essere inclusi anche altri atomi: ossigeno, azoto, zolfo, alogeni, fosforo, metalli e altri.
Mescole principali e loro caratteristiche
Ci sono molti composti diversi che contengono carbonio. La formula del più famoso di questi è CO2 - anidride carbonica. Tuttavia, oltre a questo ossido, c'è anche CO - monossido o monossido di carbonio, così come il subossido C3O2.
Tra i sali che contengono questo elemento, i più comuni sono i carbonati di calcio e magnesio. Quindi, carbonato di calcio ha diversi sinonimi nel nome, poiché si trova in natura nella forma:
- gesso;
- marmo;
- pietra calcarea;
- dolomite.
L'importanza dei carbonati di metalli alcalino terrosi si manifesta nel fatto che partecipano attivamente alla formazione di stalattiti e stalagmiti, oltre che alle acque sotterranee.
L'acido carbonico è un altro composto che forma carbonio. La sua formula èH2CO3. Tuttavia, nella sua forma usuale, è estremamente instabile e si decompone immediatamente in anidride carbonica e acqua in soluzione. Pertanto, solo i suoi sali sono conosciuti, e non se stesso, come soluzione.
Alogenuri di carbonio - si ottengono principalmente indirettamente, poiché la sintesi diretta avviene solo a temperature molto elevate e con una bassa resa del prodotto. Uno dei più comuni - CCL4 - tetracloruro di carbonio. Un composto tossico che può causare avvelenamento se inalato. Ottenuto da reazioni di sostituzione fotochimica radicale di atomi di idrogeno in metano.
I carburi metallici sono composti di carbonio in cui presenta uno stato di ossidazione di 4. È anche possibile avere associazioni con boro e silicio. La proprietà principale dei carburi di alcuni metalli (alluminio, tungsteno, titanio, niobio, tantalio, afnio) è l'elevata resistenza e l'eccellente conduttività elettrica. Il carburo di boro В4С è una delle sostanze più dure dopo il diamante (9,5 secondo Mohs). Questi composti sono utilizzati nell'ingegneria, oltre che nell'industria chimica, come fonti per la produzione di idrocarburi (il carburo di calcio con l'acqua porta alla formazione di acetilene e idrossido di calcio).
Molte leghe metalliche sono realizzate utilizzando il carbonio, aumentandone notevolmente la qualità e le caratteristiche tecniche (l'acciaio è una lega di ferro e carbonio).
Un'attenzione particolare merita numerosi composti organici del carbonio, in cui il carbonio è un elemento fondamentale capace di combinarsi con gli stessi atomi in lunghe catene di varie strutture. Questi includono:
- alcani;
- alcheni;
- arene;
- proteine;
- carboidrati;
- acidi nucleici;
- alcoli;
- acidi carbossilici e molte altre classi di sostanze.
Uso del carbonio
L'importanza dei composti del carbonio e delle sue modificazioni allotropiche nella vita umana è molto alta. Puoi citare alcuni dei settori più globali per chiarire che questo è vero.
- Questo elemento forma tutti i tipi di combustibili fossili da cui una persona riceve energia.
- L'industria metallurgica utilizza il carbonio come agente riducente più forte per ottenere metalli dai loro composti. Anche i carbonati sono ampiamente utilizzati qui.
- L'edilizia e l'industria chimica consumano enormi quantità di composti di carbonio per sintetizzare nuove sostanze e ottenere i prodotti necessari.
Puoi anche nominare settori dell'economia come:
- industria nucleare;
- gioielli;
- attrezzatura tecnica (lubrificanti, crogioli resistenti al calore, matite, ecc.);
- determinazione dell'età geologica delle rocce - tracciante radioattivo 14С;
- Il carbonio è un ottimo adsorbente, che lo rende adatto alla realizzazione di filtri.
Circolazione nella natura
La massa di carbonio che si trova in natura è inclusa in un ciclo costante che scorre ogni secondo in tutto il mondo. Pertanto, la fonte atmosferica di carbonio - CO2, viene assorbitapiante ed è rilasciato da tutti gli esseri viventi nel processo di respirazione. Una volta nell'atmosfera, viene assorbito di nuovo, e quindi il ciclo non si ferma. Allo stesso tempo, la morte dei residui organici porta al rilascio di carbonio e al suo accumulo nella terra, da dove viene poi nuovamente assorbito dagli organismi viventi e rilasciato nell'atmosfera sotto forma di gas.
