الصيغة الجزيئية للكربون. هيكل ذرة الكربون – المعرفة هايبر ماركت

الكربون هو العنصر السادس في الجدول الدوري لمندليف. وزنه الذري 12.

يقع الكربون في الدورة الثانية من نظام مندليف وفي المجموعة الرابعة من هذا النظام.

يخبرنا رقم الدورة أن إلكترونات الكربون الستة تقع في مستويين للطاقة.

ويشير رقم المجموعة الرابعة إلى أن الكربون يحتوي على أربعة إلكترونات في مستوى الطاقة الخارجي. تم إقران اثنين منهم س- الإلكترونان، والإلكترونان الآخران غير مقترنين ر-الإلكترونات.

يمكن التعبير عن بنية الطبقة الإلكترونية الخارجية لذرة الكربون بالمخططات التالية:

كل خلية في هذه المخططات تعني مدارًا إلكترونيًا منفصلاً، والسهم يعني إلكترونًا موجودًا في المدار. يوجد سهمان داخل خلية واحدة عبارة عن إلكترونين يقعان في نفس المدار، ولكن لهما دوران معاكس.

عندما تكون الذرة مثارة (عند نقل الطاقة إليها)، يقترن أحدها س-الإلكترونات مشغولة ر-المداري.

يمكن لذرة الكربون المثارة أن تشارك في تكوين أربع روابط تساهمية. لذلك، في الغالبية العظمى من مركباته، يظهر الكربون تكافؤًا قدره أربعة.

وهكذا، فإن أبسط مركب عضوي، وهو الميثان الهيدروكربوني، له التركيبة الفصل 4. يمكن التعبير عن هيكلها بالصيغ الهيكلية أو الإلكترونية:

توضح الصيغة الإلكترونية أن ذرة الكربون في جزيء الميثان لها غلاف خارجي ثابت مكون من ثمانية إلكترونات، وذرات الهيدروجين لها غلاف ثابت ثنائي الإلكترون.

جميع روابط الكربون التساهمية الأربعة في الميثان (وفي مركبات أخرى مماثلة) متساوية وموجهة بشكل متماثل في الفضاء. تقع ذرة الكربون، كما كانت، في وسط رباعي الاسطح (العادي الهرم الرباعي) وأربع ذرات متصلة به (في حالة الميثان، أربع ذرات هيدروجين) عند رؤوس رباعي الاسطح.

الزوايا بين اتجاهات أي زوج من الروابط هي نفسها وتساوي 109 درجة و28 دقيقة.

ويفسر ذلك أنه في ذرة الكربون، عندما تشكل روابط تساهمية مع أربع ذرات أخرى، من ذرة واحدة س- وثلاثة ص- المدارات نتيجة لذلك س 3- ينتج عن التهجين أربعة أنواع هجينة متوضعة بشكل متناظر في الفضاء س 3- المدارات الممتدة نحو رؤوس رباعي الاسطح.

ملامح خصائص الكربون.

إن عدد الإلكترونات في مستوى الطاقة الخارجي هو العامل الرئيسي الذي يحدد الخواص الكيميائيةعنصر.

على الجانب الأيسر من الجدول الدوري توجد عناصر ذات مستوى إلكتروني خارجي منخفض الامتلاء. تحتوي عناصر المجموعة الأولى على إلكترون واحد في المستوى الخارجي، بينما تحتوي عناصر المجموعة الثانية على إلكترونين.

عناصر هاتين المجموعتين هي المعادن. فهي تتأكسد بسهولة، أي. تفقد إلكتروناتها الخارجية وتصبح أيونات موجبة.

على الجانب الأيمن من الجدول الدوري، على العكس من ذلك، هناك اللافلزات (العوامل المؤكسدة). بالمقارنة مع المعادن، فهي تحتوي على نواة تحتوي على عدد أكبر من البروتونات. توفر مثل هذه النواة الضخمة قوة سحب أقوى بكثير من سحابة الإلكترون الخاصة بها.

تفقد هذه العناصر إلكتروناتها بصعوبة كبيرة، لكنها لا تنفر من ربط إلكترونات إضافية من ذرات أخرى، أي. أكسدتها، وفي نفس الوقت تتحول إلى أيون سالب.

مع زيادة رقم المجموعة في الجدول الدوري، تضعف الخواص المعدنية للعناصر، وتزداد قدرتها على أكسدة العناصر الأخرى.

الكربون يقع في المجموعة الرابعة أي . فقط في المنتصف بين المعادن، التي تتخلى عن الإلكترونات بسهولة، واللافلزات، التي تكتسب هذه الإلكترونات بسهولة.

لهذا السبب ليس لدى الكربون ميل واضح للتبرع أو اكتساب الإلكترونات.

سلاسل الكربون.

من الخصائص الاستثنائية للكربون، التي تحدد تنوع المركبات العضوية، قدرة ذراته على الارتباط بروابط تساهمية قوية مع بعضها البعض، وتشكيل دوائر كربونية ذات أطوال غير محدودة تقريبًا.

بالإضافة إلى الكربون، يتم تشكيل سلاسل من الذرات المتطابقة من خلال التناظرية من المجموعة الرابعة - السيليكون. ومع ذلك، فإن هذه السلاسل لا تحتوي على أكثر من ست ذرات Si. والسلاسل الطويلة من ذرات الكبريت معروفة، لكن المركبات التي تحتوي عليها هشة.

يتم استخدام تكافؤ ذرات الكربون التي لا تستخدم للاتصال المتبادل لإضافة ذرات أو مجموعات أخرى (في الهيدروكربونات - لإضافة الهيدروجين).

لذلك الهيدروكربونات الإيثان ( ج2ح6) والبروبان ( ج3ح8) تحتوي على سلاسل من ذرتين وثلاث ذرات كربون على التوالي. يتم التعبير عن هيكلها من خلال الصيغ الهيكلية والإلكترونية التالية:

من المعروف أن المركبات تحتوي على مئات أو أكثر من ذرات الكربون في سلاسلها.

نظرًا لاتجاه روابط الكربون رباعي السطوح، فإن ذراته الموجودة في السلسلة لا تقع في خط مستقيم، بل في نمط متعرج. علاوة على ذلك، ونظرًا لإمكانية دوران الذرات حول محور الرابطة، فإن السلسلة في الفضاء يمكن أن تتخذ أشكالًا مختلفة (التشكلات):

يتيح هيكل السلاسل هذا لذرات الكربون الطرفية أو غيرها من ذرات الكربون غير المتجاورة أن تقترب من بعضها البعض. ونتيجة لتكوين روابط بين هذه الذرات يمكن لسلاسل الكربون أن تنغلق على شكل حلقات (دورات)، على سبيل المثال:

وبالتالي، يتم تحديد تنوع المركبات العضوية من خلال حقيقة أنه متى نفس العددذرات الكربون في الجزيء، من الممكن وجود مركبات ذات سلسلة مفتوحة ومفتوحة من ذرات الكربون، وكذلك المواد التي تحتوي جزيئاتها على دورات.

اتصالات بسيطة ومتعددة.

تسمى الروابط التساهمية بين ذرات الكربون المكونة من زوج واحد من الإلكترونات المعممة بالروابط البسيطة.

لا يمكن تنفيذ الرابطة بين ذرات الكربون بواسطة زوج واحد، بل بواسطة اثنين أو ثلاثة أزواج مشتركة من الإلكترونات. ثم نحصل على سلاسل ذات روابط متعددة – مزدوجة أو ثلاثية. ويمكن تصوير هذه الروابط على النحو التالي:

أبسط المركبات التي تحتوي على روابط متعددة هي الهيدروكربونات الإيثيلين(مع رابطة مزدوجة) و الأسيتيلين(مع الرابطة الثلاثية):

تسمى الهيدروكربونات ذات الروابط المتعددة غير المشبعة أو غير المشبعة. الإيثيلين والأسيتيلين هما الممثلان الأولان لسلسلتين متماثلتين - الإيثيلين وهيدروكربونات الأسيتيلين.

المؤسسة التعليمية البلدية "مدرسة نيكيفوروفسكايا الثانوية رقم 1"

الكربون وأساسياته مركبات العضوية

مقال

أكمله: طالب في الصف التاسع ب

سيدوروف الكسندر

المعلم: ساخاروفا إل.ن.

دميترييفكا 2009

مقدمة

الفصل الأول. كل شيء عن الكربون

1.1. الكربون في الطبيعة

1.2. التعديلات المتآصلة للكربون

1.3. الخواص الكيميائية للكربون

1.4. تطبيق الكربون

الباب الثاني. مركبات الكربون غير العضوية

خاتمة

الأدب

مقدمة

الكربون (lat. Carboneum) C – عنصر كيميائيالمجموعة الرابعة من نظام مندليف الدوري: العدد الذري 6، الكتلة الذرية 12.011(1). دعونا نفكر في بنية ذرة الكربون. يحتوي مستوى الطاقة الخارجي لذرة الكربون على أربعة إلكترونات. دعونا نصورها بيانيا:

عرف الكربون منذ القدم، واسم مكتشف هذا العنصر غير معروف.

في نهاية القرن السابع عشر. حاول العالمان الفلورنسيان أفيراني وتاردجيوني دمج عدة ماسات صغيرة في واحدة كبيرة وتسخينها بزجاج محترق باستخدام ضوء الشمس. اختفى الماس واحترق في الهواء. في عام 1772، أظهر الكيميائي الفرنسي أ. لافوازييه أنه عندما يحترق الماس، يتكون ثاني أكسيد الكربون. فقط في عام 1797 أثبت العالم الإنجليزي إس تينانت هوية طبيعة الجرافيت والفحم. وبعد حرق كميات متساوية من الفحم والماس، تبين أن أحجام أول أكسيد الكربون (IV) متساوية.

تنوع مركبات الكربون، ويفسر ذلك بقدرة ذراته على الاتحاد مع بعضها البعض وذرات العناصر الأخرى طرق مختلفةيحدد الموقع الخاص للكربون بين العناصر الأخرى.

الفصل أنا . كل شيء عن الكربون

1.1. الكربون في الطبيعة

يوجد الكربون في الطبيعة، سواء في حالة حرة أو في شكل مركبات.

يحدث الكربون الحر في شكل الماس والجرافيت والكاربين.

الماس نادر جدًا. تم العثور على أكبر ماسة معروفة، كولينان، في عام 1905 جنوب أفريقياوزنها 621.2 جرامًا وأبعادها 10 × 6.5 × 5 سم، ويضم صندوق الماس في موسكو واحدة من أكبر وأجمل الماسات في العالم - "أورلوف" (37.92 جم).

حصلت الماسة على اسمها من اليونانية. "أداماس" - لا يقهر وغير قابل للتدمير. توجد أهم رواسب الماس في جنوب أفريقيا والبرازيل وياكوتيا.

توجد رواسب كبيرة من الجرافيت في ألمانيا وسريلانكا وسيبيريا وألتاي.

المعادن الرئيسية المحتوية على الكربون هي: المغنسيت MgCO 3، الكالسيت (الصاري الجيري، الحجر الجيري، الرخام، الطباشير) CaCO 3، الدولوميت CaMg(CO 3) 2، إلخ.

جميع أنواع الوقود الأحفوري - النفط والغاز والجفت والفحم والفحم البني والصخر الزيتي - مبنية على أساس الكربون. بعض أنواع الفحم الأحفوري، التي تحتوي على نسبة تصل إلى 99% من الكربون، تكون قريبة في تركيبها من الكربون.

يشكل الكربون 0.1% من القشرة الأرضية.

في شكل أول أكسيد الكربون (IV) CO 2، يدخل الكربون الغلاف الجوي. تذوب كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف المائي.

1.2. التعديلات المتآصلة للكربون

يشكل الكربون الأولي ثلاثة تعديلات متآصلة: الماس، الجرافيت، كاربين.

1. الماس مادة بلورية شفافة عديمة اللون، تعمل على كسر أشعة الضوء بقوة شديدة. ذرات الكربون الموجودة في الألماس تكون في حالة تهجين sp3. في الحالة المثارة، تقترن إلكترونات التكافؤ في ذرات الكربون وتتشكل أربعة إلكترونات غير متزاوجة. عندما تتشكل الروابط الكيميائية، تكتسب السحب الإلكترونية نفس الشكل الممدود وتقع في الفضاء بحيث تتجه محاورها نحو رؤوس رباعي السطوح. وعندما تتداخل قمم هذه السحب مع سحب من ذرات الكربون الأخرى، تنشأ روابط تساهمية بزاوية 109°28"، وتتشكل شبكة بلورية ذرية مميزة للألماس.

كل ذرة كربون في الماس محاطة بأربع ذرات أخرى، تقع منها في اتجاهات من مركز رباعيات السطوح إلى القمم. المسافة بين الذرات في رباعي الاسطح هي 0.154 نانومتر. قوة جميع الاتصالات هي نفسها. وهكذا، فإن ذرات الماس "معبأة" بإحكام شديد. عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، تبلغ كثافة الماس 3.515 جم/سم3. وهذا ما يفسر صلابته الاستثنائية. الماس هو موصل رديء للكهرباء.

في عام 1961، بدأ الاتحاد السوفييتي الإنتاج الصناعي للماس الاصطناعي من الجرافيت.

في التركيب الصناعي للماس، يتم استخدام ضغوط تصل إلى آلاف ميجاباسكال ودرجات حرارة تتراوح من 1500 إلى 3000 درجة مئوية. تتم العملية في وجود المحفزات، والتي يمكن أن تكون بعض المعادن، على سبيل المثال النيكل. الجزء الأكبر من الماس المتكون عبارة عن بلورات صغيرة وغبار الماس.

عند تسخينه دون الوصول إلى الهواء فوق 1000 درجة مئوية، يتحول الماس إلى الجرافيت. عند درجة حرارة 1750 درجة مئوية، يحدث تحول الماس إلى جرافيت بسرعة.

هيكل الماس

2. الجرافيت مادة بلورية ذات لون رمادي-أسود ذات لمعان معدني، دهنية الملمس، وأقل صلابة حتى بالنسبة للورق.

تكون ذرات الكربون في بلورات الجرافيت في حالة تهجين sp 2: تشكل كل واحدة منها ثلاث روابط تساهمية مع الذرات المجاورة. الزوايا بين اتجاهات الرابطة هي 120 درجة. والنتيجة هي شبكة مكونة من أشكال سداسية منتظمة. المسافة بين النوى المتجاورة لذرات الكربون داخل الطبقة هي 0.142 نانومتر. يحتل الإلكترون الرابع الموجود في الطبقة الخارجية لكل ذرة كربون في الجرافيت مدارًا p لا يشارك في التهجين.

يتم توجيه السحب الإلكترونية غير الهجينة من ذرات الكربون بشكل عمودي على مستوى الطبقة، وتتداخل مع بعضها البعض، وتشكل روابط غير متمركزة. تقع الطبقات المتجاورة في بلورة الجرافيت على مسافة 0.335 نانومتر من بعضها البعض وترتبط ببعضها البعض بشكل ضعيف، وذلك بشكل رئيسي بواسطة قوى فان دير فالس. لذلك، يتمتع الجرافيت بقوة ميكانيكية منخفضة وينقسم بسهولة إلى رقائق، وهي في حد ذاتها قوية جدًا. الرابطة بين طبقات ذرات الكربون في الجرافيت تكون معدنية جزئيًا بطبيعتها. وهذا ما يفسر حقيقة أن الجرافيت يوصل الكهرباء بشكل جيد، ولكن ليس بنفس جودة المعادن.

هيكل الجرافيت

تختلف الخصائص الفيزيائية للجرافيت بشكل كبير في الاتجاهات - المتعامدة والمتوازية مع طبقات ذرات الكربون.

عند تسخينه دون وصول الهواء، لا يخضع الجرافيت لأي تغييرات تصل إلى 3700 درجة مئوية. عند درجة الحرارة المحددة، فإنه يتسامى دون ذوبان.

يتم الحصول على الجرافيت الاصطناعي من أفضل الأصنافالفحم عند 3000 درجة مئوية في الأفران الكهربائية دون وصول الهواء.

يعتبر الجرافيت مستقرًا من الناحية الديناميكية الحرارية على نطاق واسع من درجات الحرارة والضغوط، لذلك يتم قبوله كحالة قياسية للكربون. كثافة الجرافيت 2.265 جرام/سم3.

3. الكاربين عبارة عن مسحوق أسود بلوري ناعم. ترتبط ذرات الكربون في بنيتها البلورية بروابط مفردة وثلاثية بالتناوب في سلاسل خطية:

−С≡С−С≡С−С≡С−

تم الحصول على هذه المادة لأول مرة بواسطة V.V. كورشاك، أ.م. سلادكوف، ف. كاساتوتشكين، يو.بي. كودريافتسيف في أوائل الستينيات من القرن العشرين.

وفي وقت لاحق تبين أن الكارباين يمكن أن توجد فيه أشكال مختلفةويحتوي على سلسلتي البولي أسيتيلين والبوليكومولين، حيث ترتبط ذرات الكربون بروابط مزدوجة:

ج=ج=ج=ج=ج=ج=

في وقت لاحق، تم العثور على كارباين في الطبيعة - في مادة النيزك.

يتمتع الكارباين بخصائص شبه موصلة، فعند تعرضه للضوء تزداد موصليته بشكل كبير. بسبب الوجود أنواع مختلفةاتصالات وطرق مختلفة لوضع سلاسل ذرات الكربون في الشبكة البلورية الخصائص الفيزيائيةيمكن أن تختلف القربينات ضمن حدود واسعة. عند تسخينه دون الوصول إلى الهواء فوق 2000 درجة مئوية، يكون الكاربين مستقرًا، وعند درجات حرارة حوالي 2300 درجة مئوية، تتم ملاحظة تحوله إلى الجرافيت.

يتكون الكربون الطبيعي من نظيرين

في السابق، كان يُعتقد أن الفحم والسخام وفحم الكوك متشابهون في تركيبهم مع الكربون النقي ويختلفون في خصائصهم عن الماس والجرافيت، وهو ما يمثل تعديلًا متآصلًا مستقلاً للكربون ("الكربون غير المتبلور"). ومع ذلك، فقد وجد أن هذه المواد تتكون من جزيئات بلورية صغيرة ترتبط فيها ذرات الكربون بنفس الطريقة كما هو الحال في الجرافيت.

4. الفحم – الجرافيت المطحون ناعماً. يتشكل أثناء التحلل الحراري للمركبات المحتوية على الكربون دون الوصول إلى الهواء. يختلف الفحم بشكل كبير في خصائصه حسب المادة التي يتم الحصول عليه منها وطريقة إنتاجه. أنها تحتوي دائمًا على شوائب تؤثر على خصائصها. وأهم أنواع الفحم هي فحم الكوك، والفحم النباتي، والسخام.

يتم إنتاج فحم الكوك عن طريق تسخين الفحم دون الوصول إلى الهواء.

يتكون الفحم عندما يتم تسخين الخشب دون الوصول إلى الهواء.

السخام عبارة عن مسحوق بلوري من الجرافيت ناعم جدًا. يتكون من احتراق الهيدروكربونات (الغاز الطبيعي، الأسيتيلين، زيت التربنتين، إلخ) مع وصول محدود للهواء.

الكربون المنشط عبارة عن مواد ماصة صناعية مسامية تتكون أساسًا من الكربون. الامتزاز هو الامتصاص بواسطة السطح. المواد الصلبةالغازات والمواد الذائبة. يتم الحصول على الكربون المنشط من الوقود الصلب (الخث، والفحم البني والصلب، والأنثراسايت)، والخشب ومنتجاته المعالجة (الفحم، ونشارة الخشب، ونفايات الورق)، ونفايات صناعة الجلود، والمواد الحيوانية، مثل العظام. يتم إنتاج الفحم، الذي يتميز بقوة ميكانيكية عالية، من قشور جوز الهند والمكسرات الأخرى، ومن بذور الفاكهة. يتم تمثيل بنية الفحم من خلال المسام من جميع الأحجام، ومع ذلك، يتم تحديد قدرة الامتزاز ومعدل الامتزاز من خلال محتوى المسام الدقيقة لكل وحدة كتلة أو حجم الحبيبات. عند إنتاج الكربون النشط، تخضع المادة الأولية أولاً للمعالجة الحرارية دون الوصول إلى الهواء، ونتيجة لذلك تتم إزالة الرطوبة والراتنجات جزئيًا منها. في هذه الحالة، يتم تشكيل هيكل كبير يسهل اختراقه من الفحم. للحصول على بنية مسامية صغيرة، يتم التنشيط إما عن طريق الأكسدة بالغاز أو البخار، أو عن طريق المعالجة بالكواشف الكيميائية.

تتمثل الحياة العضوية على الأرض بمركبات الكربون. العنصر هو جزء من المكونات الرئيسية للهياكل الخلوية: البروتينات والكربوهيدرات والدهون، ويشكل أيضا أساس مادة الوراثة - حمض الديوكسي ريبونوكلييك. في الطبيعة غير العضوية، يعد الكربون أحد العناصر الأكثر شيوعًا التي تشكل القشرة الأرضية والغلاف الجوي للكوكب. الكيمياء العضويةكفرع من العلوم الكيميائية، فهو مخصص بالكامل لخصائص العنصر الكيميائي الكربون ومركباته. ستنظر مقالتنا في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكربون وخصائص خصائصه.

مكان العنصر في الجدول الدوري لمندليف

مجموعة الكربون الفرعية هي المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة الرابعة، والتي، بالإضافة إلى الكربون، تشمل أيضًا السيليكون والجرمانيوم والقصدير والرصاص. كل هذه العناصر لها نفس بنية مستوى الطاقة الخارجي الذي توجد عليه أربعة إلكترونات. هذا يحدد تشابه خصائصها الكيميائية. في الحالة الطبيعية، تكون عناصر المجموعة الفرعية ثنائية التكافؤ، وعندما تدخل ذراتها في حالة مثارة، فإنها تظهر تكافؤًا قدره 4. تعتمد الخواص الفيزيائية والكيميائية للكربون على حالة الأغلفة الإلكترونية لذرته. وهكذا، في التفاعل مع الأكسجين، يشكل العنصر الذي تكون جزيئاته في حالة غير مستثارة أكسيد ثاني أكسيد الكربون غير المكترث. تتأكسد ذرات الكربون في حالة مثارة إلى ثاني أكسيد الكربون، وهو ما يظهر خصائص الحمض.

أشكال الكربون في الطبيعة

الماس والجرافيت والكارباين هي ثلاثة تعديلات متآصلة للكربون كمادة بسيطة. بلورات شفافة مع درجة عاليةانكسارات أشعة الضوء، وهي أصعب المركبات في الطبيعة، هي الماس. أنها موصلة للحرارة بشكل سيء وهي عازلة. الشبكة البلورية ذرية وقوية جدًا. وفيه، كل ذرة من العنصر محاطة بأربعة جسيمات أخرى، لتشكل رباعيًا منتظمًا.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية مختلفة تمامًا للكربون الذي يشكل الجرافيت. وهي مادة بلورية ذات لون رمادي داكن وتكون دهنية عند اللمس. لها بنية طبقة تلو الأخرى، والمسافات بين طبقات الذرات كبيرة جدًا، في حين أن قوى جاذبيتها ضعيفة. لذلك، عند الضغط على قضيب الجرافيت، تتقشر المادة إلى رقائق رقيقة. يتركون علامة داكنة على الورق. الجرافيت موصل للحرارة وأقل قليلاً من المعادن في التوصيل الكهربائي.

يتم تفسير القدرة على توصيل التيار الكهربائي من خلال بنية بلورة المادة. وفيها، ترتبط جزيئات الكربون بثلاثة جزيئات أخرى باستخدام روابط كيميائية تساهمية قوية. يظل إلكترون التكافؤ الرابع لكل ذرة حرا وقادرا على التحرك في جميع أنحاء المادة. الحركة الموجهة للجزيئات سالبة الشحنة تسبب المظهر التيار الكهربائي. مجالات تطبيق الجرافيت متنوعة. وبالتالي يتم استخدامه لصناعة الأقطاب الكهربائية في الهندسة الكهربائية ولإجراء عملية التحليل الكهربائي، والتي يتم من خلالها، على سبيل المثال، الحصول على المعادن القلوية في شكل نقي. وقد وجد الجرافيت تطبيقًا في المفاعلات النووية للتحكم في سرعة مرور المواد عبرها. ردود الفعل المتسلسلةكمهدئ نيوتروني. ومن المعروف أن المادة تستخدم كقضبان أردواز أو مواد تشحيم في فرك أجزاء الآليات.

ما هو كارباين؟

مسحوق بلوري أسود ذو لمعان زجاجي هو كاربين. تم تصنيعه في منتصف القرن العشرين في روسيا. تتفوق المادة على الجرافيت في الصلابة، وهي سلبية كيميائيًا، ولها خصائص أشباه الموصلات وهي التعديل الأكثر استقرارًا للكربون. الاتصال أقوى من الجرافيت. هناك أيضًا أشكال من الكربون تختلف خصائصها الكيميائية عن بعضها البعض. هذه هي السخام والفحم وفحم الكوك.

خصائص مختلفةيتم تفسير التعديلات المتآصلة للكربون من خلال بنية الشبكات البلورية الخاصة بها. وهي مادة حرارية، عديم اللون والرائحة. وهو غير قابل للذوبان في المذيبات العضوية، ولكنه قادر على تكوين محاليل صلبة - السبائك، على سبيل المثال، مع الحديد.

الخواص الكيميائية للكربون

اعتمادا على المادة التي يتفاعل معها الكربون، فإنه يمكن أن يظهر خصائص مزدوجة: عامل اختزال وعامل مؤكسد. على سبيل المثال، عن طريق دمج فحم الكوك مع المعادن، يتم الحصول على مركباتها - كربيدات. التفاعل مع الهيدروجين ينتج الهيدروكربونات. هذه هي المركبات العضوية، على سبيل المثال، الميثان والإيثيلين والأسيتيلين، حيث، كما هو الحال في المعادن، يكون للكربون حالة أكسدة تبلغ -4. وتظهر التفاعلات الكيميائية الاختزالية للكربون، التي ندرس خواصها، أثناء تفاعله مع الأكسجين والهالوجينات والماء والأكاسيد الأساسية.

أكاسيد الكربون

عن طريق حرق الفحم في الهواء الذي يحتوي على نسبة منخفضة من الأكسجين، يتم إنتاج أول أكسيد الكربون - أكسيد الكربون ثنائي التكافؤ. إنه عديم اللون والرائحة وشديد السمية. وبالاتحاد مع الهيموجلوبين في الدم أثناء التنفس، ينتشر أول أكسيد الكربون في جميع أنحاء الجسم إلى جسم الإنسانمما يسبب التسمم ومن ثم الوفاة اختناقا. في التصنيف، تأخذ المادة مكان الأكاسيد المختلفة، ولا تتفاعل مع الماء، ولا تتوافق مع قاعدة أو حمض. تختلف الخصائص الكيميائية للكربون، الذي لديه تكافؤ 4، عن الخصائص التي تمت مناقشتها سابقًا.

ثاني أكسيد الكربون

عديم اللون مادة غازيةعند درجة حرارة 15 وضغط جوي واحد يمر إلى الطور الصلب. يطلق عليه الثلج الجاف. جزيئات ثاني أكسيد الكربون غير قطبية، على الرغم من أن الرابطة التساهمية بين ذرات الأكسجين والكربون قطبية. ينتمي المركب إلى أكاسيد الحمض. عند تفاعله مع الماء يتكون حمض الكربونات. التفاعلات بين ثاني أكسيد الكربون والمواد البسيطة معروفة: المعادن واللافلزات، على سبيل المثال مع المغنيسيوم أو الكالسيوم أو فحم الكوك. فيها يلعب دور العامل المؤكسد.

رد فعل نوعي لثاني أكسيد الكربون

للتأكد من أن الغاز قيد الدراسة هو في الواقع أول أكسيد الكربون CO 2، يتم إجراء التجربة التالية في الكيمياء غير العضوية: يتم تمرير المادة من خلال محلول واضح من ماء الجير. ملاحظة تعكر المحلول بسبب ترسيب راسب أبيض من كربونات الكالسيوم يؤكد وجود جزيئات ثاني أكسيد الكربون في خليط الكواشف. عندما يتم تمرير الغاز عبر محلول هيدروكسيد الكالسيوم، يذوب راسب CaCO 3 بسبب تحوله إلى بيكربونات الكالسيوم، وهو ملح قابل للذوبان في الماء.

دور الكربون في عملية الفرن العالي

يتم استخدام الخواص الكيميائية للكربون في الإنتاج الصناعيالحديد من خاماته: خام الحديد المغناطيسي أو الأحمر أو البني. وأهمها خصائص الاختزال للكربون والأكاسيد - ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. يمكن تمثيل العمليات التي تحدث في الفرن العالي بالتسلسل التالي من التفاعلات:

• أولاً، يحترق فحم الكوك في تيار من الهواء يتم تسخينه إلى 1850 درجة مئوية ويتكون ثاني أكسيد الكربون: C + O 2 = CO 2.
• وبمروره عبر الكربون الساخن، يتحول إلى أول أكسيد الكربون: CO 2 + C = 2CO.
• يتفاعل أول أكسيد الكربون مع خام الحديد، مما ينتج عنه أكسيد الحديد: 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2، Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2.
• سيكون تفاعل إنتاج الحديد على الشكل التالي: FeO + CO = Fe + CO 2

يذيب الحديد المنصهر خليطًا من الكربون وأول أكسيد الكربون، وينتج عنه مادة - السمنتيت.

يحتوي الحديد الزهر المنصهر في الفرن العالي، بالإضافة إلى الحديد، على ما يصل إلى 4.5٪ من الكربون والشوائب الأخرى: المنغنيز والفوسفور والكبريت. الصلب، الذي يختلف عن الحديد الزهر في عدد من النواحي، مثل قدرته على الدرفلة والتشكيل، يحتوي فقط على 0.3 إلى 1.7% من الكربون. تم العثور على منتجات الصلب تطبيق واسعفي جميع الصناعات تقريبًا: الهندسة الميكانيكية والمعادن والطب.

اكتشفنا في مقالتنا الخواص الكيميائية للكربون ومركباته المستخدمة في مختلف مجالات النشاط البشري.

محتوى المقال

كربون، C (الكربونيوم)، عنصر كيميائي غير معدني من المجموعة IVA (C، Si، Ge، Sn، Pb) من الجدول الدوري للعناصر. ويوجد في الطبيعة على شكل بلورات الماس (الشكل 1) أو الجرافيت أو الفوليرين وأشكال أخرى وهو جزء من المواد العضوية (الفحم والنفط والكائنات الحيوانية والنباتية وغيرها) والمواد غير العضوية (الحجر الجيري وصودا الخبز، إلخ.).

ينتشر الكربون على نطاق واسع، لكن محتواه في القشرة الأرضية لا يتجاوز 0.19%.

يستخدم الكربون على نطاق واسع في شكل مواد بسيطة. وبالإضافة إلى الألماس الثمين الذي يدخل في صناعة المجوهرات، فإن للألماس الصناعي أهمية كبيرة في صناعة أدوات الطحن والقطع.

يتم استخدام الفحم والأشكال غير المتبلورة الأخرى من الكربون لإزالة اللون، والتنقية، وامتزاز الغاز، وفي مجالات التكنولوجيا التي تتطلب مواد ماصة ذات سطح متطور. الكربيدات، مركبات الكربون مع المعادن، وكذلك مع البورون والسيليكون (على سبيل المثال، Al 4 C 3، SiC، B 4 C) تتميز بالصلابة العالية وتستخدم لتصنيع أدوات الكشط والقطع. الكربون هو جزء من الفولاذ والسبائك في الحالة الأولية وعلى شكل كربيدات. إن تشبع سطح المسبوكات الفولاذية بالكربون عند درجات حرارة عالية (الأسمنت) يزيد بشكل كبير من صلابة السطح ومقاومة التآكل. أنظر أيضاسبائك.

هناك العديد من أشكال الجرافيت المختلفة في الطبيعة؛ يتم الحصول على بعضها بشكل مصطنع. هناك أشكال غير متبلورة (على سبيل المثال، فحم الكوك والفحم). يتشكل السخام وفحم العظام وأسود المصباح وأسود الأسيتيلين عند حرق الهيدروكربونات في غياب الأكسجين. ما يسمى الكربون الأبيضيتم الحصول عليها عن طريق تسامي الجرافيت الحراري تحت ضغط منخفض - وهي عبارة عن بلورات شفافة صغيرة من أوراق الجرافيت ذات حواف مدببة.

مرجع تاريخي.

يُعرف الجرافيت والماس والكربون غير المتبلور منذ العصور القديمة. من المعروف منذ فترة طويلة أنه يمكن استخدام الجرافيت لتمييز مواد أخرى، وقد اقترح أ. فيرنر اسم "الجرافيت" نفسه، والذي يأتي من الكلمة اليونانية التي تعني "الكتابة"، في عام 1789. ومع ذلك، فإن تاريخ الجرافيت معقدة؛ غالبًا ما يتم الخلط بين المواد ذات الخصائص الفيزيائية الخارجية المشابهة لها، مثل الموليبدينيت (كبريتيد الموليبدينوم)، الذي كان يُعتبر في وقت ما من الجرافيت. تشمل الأسماء الأخرى للجرافيت "الرصاص الأسود" و"كربيد الحديد" و"الرصاص الفضي". في عام 1779، أثبت K. Scheele أنه يمكن أكسدة الجرافيت بالهواء لتكوين ثاني أكسيد الكربون.

تم استخدام الماس لأول مرة في الهند، وفي البرازيل أصبحت الأحجار الكريمة ذات أهمية تجارية في عام 1725؛ تم اكتشاف الرواسب في جنوب إفريقيا عام 1867. في القرن العشرين. المنتجون الرئيسيون للماس هم جنوب أفريقيا وزائير وبوتسوانا وناميبيا وأنجولا وسيراليون وتنزانيا وروسيا. يتم إنتاج الماس من صنع الإنسان، الذي تم إنشاء التكنولوجيا في عام 1970، للأغراض الصناعية.

التآصل.

لو الوحدات الهيكليةالمواد (ذرات العناصر أحادية الذرة أو جزيئات العناصر والمركبات متعددة الذرات) قادرة على الاتحاد مع بعضها البعض في أكثر من شكل بلوري، وهي ظاهرة تسمى التآصل. يحتوي الكربون على ثلاثة تعديلات متآصلة: الماس والجرافيت والفوليرين. في الماس، تحتوي كل ذرة كربون على 4 جيران مرتبة بشكل رباعي السطوح، وتشكل بنية مكعبة (الشكل 1، أ). يتوافق هذا الهيكل مع الحد الأقصى للتساهمية للرابطة، وجميع الإلكترونات الأربعة لكل ذرة كربون تشكل روابط C-C عالية القوة، أي. لا توجد إلكترونات التوصيل في الهيكل. ولذلك يتميز الماس بافتقاره إلى الموصلية الحرارية، وانخفاض التوصيل الحراري، والصلابة العالية؛ وهي أصعب مادة معروفة (الشكل 2). يتطلب كسر الرابطة C-C (طول الرابطة 1.54 Å، وبالتالي نصف القطر التساهمي 1.54/2 = 0.77 Å) في هيكل رباعي السطوح كميات كبيرة من الطاقة، لذلك يتميز الماس، إلى جانب الصلابة الاستثنائية، بنقطة انصهار عالية (3550 درجة). ج).

شكل آخر من أشكال الكربون المتآصل هو الجرافيت، الذي له خصائص مختلفة تمامًا عن الماس. الجرافيت مادة سوداء ناعمة مصنوعة من بلورات سهلة التقشر، وتتميز بالتوصيل الكهربائي الجيد (المقاومة الكهربائية 0.0014 أوم سم). لذلك، يتم استخدام الجرافيت في مصابيح القوس والأفران (الشكل 3)، حيث من الضروري خلق درجات حرارة عالية. يستخدم الجرافيت عالي النقاء في المفاعلات النووية كمهدئ للنيوترونات. نقطة انصهاره عند ضغط دم مرتفعتساوي 3527 درجة مئوية. عند الضغط العادي، يتسامى الجرافيت (الانتقال من الحالة الصلبة إلى الغاز) عند 3780 درجة مئوية.

هيكل الجرافيت (الشكل 1، ب) هو نظام من حلقات سداسية مندمجة بطول رابطة يبلغ 1.42 أنجستروم (أقصر بكثير من الماس)، ولكن كل ذرة كربون لها ثلاث روابط تساهمية (بدلاً من أربعة، كما هو الحال في الماس) مع ثلاثة جيران، والرابطة الرابعة (3.4). Å) طويلة جدًا بالنسبة للرابطة التساهمية وتربط طبقات الجرافيت المتوازية ببعضها البعض بشكل ضعيف. إنه الإلكترون الرابع للكربون الذي يحدد التوصيل الحراري والكهربائي للجرافيت - تشكل هذه الرابطة الأطول والأقل قوة الجرافيت الأقل انضغاطًا، وهو ما ينعكس في صلابته الأقل مقارنة بالماس (كثافة الجرافيت 2.26 جم / سم 3، الماس) - 3.51 جم/سم3). وللسبب نفسه، يكون الجرافيت زلقًا عند اللمس ويفصل بسهولة رقائق المادة، ولهذا السبب يتم استخدامه في صناعة مواد التشحيم وقلم الرصاص. يرجع لمعان الرصاص الذي يشبه الرصاص بشكل أساسي إلى وجود الجرافيت.

تتمتع ألياف الكربون بقوة عالية ويمكن استخدامها لصنع خيوط الرايون أو غيرها من الخيوط عالية الكربون.

في ضغط مرتفعودرجة الحرارة في وجود عامل محفز مثل الحديد، يمكن أن يتحول الجرافيت إلى الماس. يتم تنفيذ هذه العملية للإنتاج الصناعي للماس الاصطناعي. تنمو بلورات الماس على سطح المحفز. يوجد توازن الجرافيت والماس عند 15000 ضغط جوي و300 كلفن أو 4000 ضغط جوي و1500 كلفن. ويمكن أيضًا الحصول على الماس الاصطناعي من الهيدروكربونات.

تشمل الأشكال غير المتبلورة من الكربون التي لا تشكل بلورات الفحم، الذي يتم الحصول عليه عن طريق تسخين الخشب دون الوصول إلى الهواء، وسخام المصباح والغاز، الذي يتشكل أثناء احتراق الهيدروكربونات في درجة حرارة منخفضة مع نقص الهواء والتكثيف على سطح بارد، والفحم العظمي - و خليط من فوسفات الكالسيوم في عملية التدمير أنسجة العظام، وكذلك الفحم (مادة طبيعية بها شوائب) وفحم الكوك، وهي بقايا جافة يتم الحصول عليها عن طريق فحم الكوك عن طريق التقطير الجاف للفحم أو بقايا النفط (الفحم البيتوميني)، أي. التدفئة دون الوصول إلى الهواء. يستخدم فحم الكوك لصهر الحديد الزهر وفي صناعة المعادن الحديدية وغير الحديدية. أثناء فحم الكوك، يتم أيضًا تشكيل المنتجات الغازية - غاز فرن فحم الكوك (H 2، CH 4، CO، وما إلى ذلك) والمنتجات الكيماوية، وهي مواد خام لإنتاج البنزين والدهانات والأسمدة والأدوية والبلاستيك وما إلى ذلك. يظهر في الشكل رسم تخطيطي للجهاز الرئيسي لإنتاج فحم الكوك - فرن فحم الكوك. 3.

أنواع مختلفة من الفحم والسخام لها سطح متطور، وبالتالي يتم استخدامها كمواد ماصة لتنقية الغاز والسوائل، وكذلك كمحفزات. للحصول على أشكال مختلفة من الكربون، يتم استخدام أساليب خاصة للتكنولوجيا الكيميائية. يتم إنتاج الجرافيت الاصطناعي عن طريق تكليس الجمرة الخبيثة أو فحم الكوك بين أقطاب الكربون عند درجة حرارة 2260 درجة مئوية (عملية أتشيسون) ويستخدم في إنتاج مواد التشحيم والأقطاب الكهربائية، وخاصة لإنتاج المعادن كهربائيا.

هيكل ذرة الكربون.

تحتوي نواة نظير الكربون الأكثر استقرارًا، الكتلة 12 (وفرة 98.9%)، على 6 بروتونات و6 نيوترونات (12 نيوكليون)، مرتبة في ثلاث رباعيات، تحتوي كل منها على بروتونين ونيوترونين، على غرار نواة الهيليوم. نظير مستقر آخر للكربون هو 13 درجة مئوية (حوالي 1.1%)، وبكميات ضئيلة يوجد في الطبيعة نظير غير مستقر 14 درجة مئوية مع عمر نصف يبلغ 5730 عامًا، والذي ب- الإشعاع. تشارك النظائر الثلاثة جميعها في دورة الكربون الطبيعية للمادة الحية على شكل ثاني أكسيد الكربون. بعد وفاة الكائن الحي، يتوقف استهلاك الكربون ويمكن تأريخ الأجسام المحتوية على C عن طريق قياس مستوى النشاط الإشعاعي 14 درجة مئوية. ب-14 يتناسب إشعاع ثاني أكسيد الكربون مع الوقت المنقضي منذ الوفاة. في عام 1960، حصل دبليو ليبي على جائزة نوبل لأبحاثه حول الكربون المشع.

في الحالة الأرضية، تشكل 6 إلكترونات من الكربون التكوين الإلكتروني 1 س 2 2س 2 2ص س 1 2السنة التحضيرية 1 2ص ض 0 . أربعة إلكترونات من المستوى الثاني هي التكافؤ، والذي يتوافق مع موضع الكربون في المجموعة IVA من الجدول الدوري ( سم. النظام الدوري للعناصر). نظرًا لأن طاقة كبيرة مطلوبة لإزالة إلكترون من الذرة في الطور الغازي (حوالي 1070 كيلوجول/مول)، فإن الكربون لا يشكل روابط أيونية مع عناصر أخرى، لأن هذا يتطلب إزالة إلكترون لتكوين أيون موجب. نظرًا لأن الكربون له سالبية كهربية تبلغ 2.5، فإنه لا يُظهر تقاربًا إلكترونيًا قويًا، وبالتالي فهو ليس متقبلًا نشطًا للإلكترون. لذلك، فهو ليس عرضة لتكوين جسيم بشحنة سالبة. لكن بعض مركبات الكربون توجد ذات طبيعة أيونية جزئية للرابطة، على سبيل المثال الكربيدات. في المركبات، يظهر الكربون حالة أكسدة تبلغ 4. لكي تشارك أربعة إلكترونات في تكوين الروابط، من الضروري الاقتران 2 س- الإلكترونات وقفز أحد هذه الإلكترونات بمقدار 2 ص ض-مداري؛ في هذه الحالة، يتم تشكيل 4 روابط رباعية السطوح بزاوية 109 درجة بينهما. في المركبات، يتم سحب إلكترونات التكافؤ الخاصة بالكربون جزئيًا فقط، لذلك يشكل الكربون روابط تساهمية قوية بين ذرات C-C المجاورة باستخدام زوج إلكترون مشترك. تبلغ طاقة كسر هذه الرابطة 335 كيلو جول/مول، في حين تبلغ طاقة كسر رابطة Si-Si 210 كيلو جول/مول فقط، لذا فإن سلاسل Si-Si الطويلة غير مستقرة. يتم الحفاظ على الطبيعة التساهمية للرابطة حتى في مركبات الهالوجينات شديدة التفاعل مع الكربون، CF 4 وCCl 4. ذرات الكربون قادرة على التبرع بأكثر من إلكترون واحد من كل ذرة كربون لتكوين رابطة؛ هذه هي الطريقة التي يتم بها تشكيل روابط C=C المزدوجة والثلاثية CєC. تشكل العناصر الأخرى أيضًا روابط بين ذراتها، لكن الكربون وحده هو القادر على تكوين سلاسل طويلة. لذلك، بالنسبة للكربون، تُعرف آلاف المركبات، التي تسمى الهيدروكربونات، حيث يرتبط الكربون بالهيدروجين وذرات الكربون الأخرى لتكوين سلاسل طويلة أو هياكل حلقية. سم. الكيمياء العضوية.

في هذه المركبات، من الممكن استبدال الهيدروجين بذرات أخرى، في أغلب الأحيان بالأكسجين والنيتروجين والهالوجينات لتشكيل مجموعة متنوعة من المركبات العضوية. من بينها مركبات الفلوروكربون مهمة - الهيدروكربونات التي يتم فيها استبدال الهيدروجين بالفلور. هذه المركبات خاملة للغاية، وتستخدم كمادة بلاستيكية ومواد تشحيم (الفلوروكربونات، أي الهيدروكربونات التي يتم فيها استبدال جميع ذرات الهيدروجين بذرات الفلور) وكمبردات منخفضة الحرارة (مركبات الكربون الكلورية فلورية، أو الفريون).

في ثمانينيات القرن العشرين، اكتشف الفيزيائيون الأمريكيون مركبات كربون مثيرة للاهتمام للغاية، حيث ترتبط ذرات الكربون في 5 أو 6 أضلاع، لتشكل جزيء C 60 على شكل كرة مجوفة ذات تماثل مثالي لكرة القدم. نظرًا لأن هذا التصميم هو أساس "القبة الجيوديسية" التي اخترعها المهندس المعماري والمهندس الأمريكي بكمنستر فولر، فقد أُطلق على الفئة الجديدة من المركبات اسم "باكمينسترفوليرين" أو "فوليرين" (وأيضًا بشكل أكثر اختصارًا "كرات الطور" أو "كرات بوكي"). الفوليرين - التعديل الثالث للكربون النقي (باستثناء الماس والجرافيت)، والذي يتكون من 60 أو 70 (أو حتى أكثر) ذرة - تم الحصول عليه من خلال عمل إشعاع الليزر على أصغر جزيئات الكربون. تتكون الفوليرينات ذات الأشكال الأكثر تعقيدًا من عدة مئات من ذرات الكربون. قطر جزيء C هو 60 ~ 1 نانومتر. يوجد في وسط هذا الجزيء مساحة كافية لاستيعاب ذرة يورانيوم كبيرة.

الكتلة الذرية القياسية

في عام 1961 النقابات الدوليةاعتمدت الكيمياء النظرية والتطبيقية (IUPAC) والفيزياء كتلة نظير الكربون 12C كوحدة للكتلة الذرية، مما أدى إلى إلغاء مقياس الأكسجين الموجود سابقًا للكتل الذرية. الكتلة الذريةويبلغ عدد الكربون في هذا النظام 12.011، حيث أنه متوسط ​​النظائر الطبيعية الثلاثة للكربون، مع مراعاة وفرتها في الطبيعة. سم. الكتلة الذرية.

الخواص الكيميائية للكربون وبعض مركباته.

بعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكربون مذكورة في مقالة العناصر الكيميائية. تعتمد تفاعلية الكربون على تعديله ودرجة حرارته وتشتته. في درجات الحرارة المنخفضة، تكون جميع أشكال الكربون خاملة تمامًا، ولكن عند تسخينها تتأكسد بواسطة الأكسجين الجوي، وتشكل أكاسيد:

يمكن أن ينفجر الكربون المشتت جيدًا في الأكسجين الزائد عند تسخينه أو من شرارة. بالإضافة إلى الأكسدة المباشرة، هناك المزيد الأساليب الحديثةالحصول على أكاسيد.

ثاني أكسيد الكربون

يتكون C 3 O 2 من تجفيف حمض المالونيك فوق P 4 O 10:

C 3 O 2 لديه رائحة كريهةيتحلل بسهولة ويشكل حمض المالونيك مرة أخرى.

أول أكسيد الكربون (II).يتشكل ثاني أكسيد الكربون أثناء أكسدة أي تعديل للكربون في ظل ظروف نقص الأكسجين. يكون التفاعل طاردًا للحرارة، ويتم تحرير 111.6 كيلوجول/مول. يتفاعل فحم الكوك مع الماء عند درجة حرارة الحرارة البيضاء: C + H 2 O = CO + H 2 ; ويسمى خليط الغاز الناتج "غاز الماء" وهو وقود غازي. يتشكل ثاني أكسيد الكربون أيضًا أثناء الاحتراق غير الكامل للمنتجات البترولية، ويوجد بكميات ملحوظة في عوادم السيارات، ويتم الحصول عليه أثناء التفكك الحراري لحمض الفورميك:

حالة أكسدة الكربون في ثاني أكسيد الكربون هي +2، وبما أن الكربون أكثر استقرارًا في حالة الأكسدة +4، يتأكسد ثاني أكسيد الكربون بسهولة بواسطة الأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون: CO + O 2 → CO 2، وهذا التفاعل طارد للحرارة بدرجة كبيرة (283 كيلوجول) / مول). ويستخدم ثاني أكسيد الكربون في الصناعة في خليط مع الهيدروجين والغازات القابلة للاشتعال كوقود أو كعامل اختزال غازي. عند تسخينه إلى 500 درجة مئوية، يشكل ثاني أكسيد الكربون C وCO 2 إلى حد ملحوظ، ولكن عند 1000 درجة مئوية، يتم إنشاء التوازن عند تركيزات منخفضة من ثاني أكسيد الكربون. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الكلور، مكونًا الفوسجين - COCl 2، وتتم التفاعلات مع الهالوجينات الأخرى بشكل مشابه، بالتفاعل مع كبريتيد كربونيل الكبريت يتم الحصول على COS، مع المعادن (M) CO يشكل كربونات ذات تركيبات مختلفة M(CO) س، وهي مركبات معقدة. يتكون كربونيل الحديد عندما يتفاعل هيموجلوبين الدم مع ثاني أكسيد الكربون، مما يمنع تفاعل الهيموجلوبين مع الأكسجين، لأن كربونيل الحديد مركب أقوى. ونتيجة لذلك، يتم حظر وظيفة الهيموجلوبين كحامل للأكسجين إلى الخلايا، والتي تموت بعد ذلك (وتتأثر خلايا الدماغ في المقام الأول). (ومن هنا اسم آخر لثاني أكسيد الكربون - "أول أكسيد الكربون"). بالفعل 1٪ (حجم) ثاني أكسيد الكربون في الهواء يشكل خطورة على البشر إذا كانوا في مثل هذا الجو لأكثر من 10 دقائق. يوضح الجدول بعض الخواص الفيزيائية لثاني أكسيد الكربون.

ثاني أكسيد الكربون، أو أول أكسيد الكربون (IV)يتكون ثاني أكسيد الكربون من احتراق عنصر الكربون مع الأكسجين الزائد مع انطلاق حرارة (395 كيلوجول/مول). يتشكل ثاني أكسيد الكربون (الاسم التافه هو "ثاني أكسيد الكربون") أيضًا أثناء الأكسدة الكاملة لثاني أكسيد الكربون والمنتجات البترولية والبنزين والزيوت والمركبات العضوية الأخرى. عندما تذوب الكربونات في الماء، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون أيضًا نتيجة للتحلل المائي:

يُستخدم هذا التفاعل غالبًا في الممارسة المعملية لإنتاج ثاني أكسيد الكربون. ويمكن أيضًا الحصول على هذا الغاز عن طريق تكليس بيكربونات المعدن:

أثناء تفاعل المرحلة الغازية بخار مسخن جدامع ثاني أكسيد الكربون:

عند حرق الهيدروكربونات ومشتقاتها من الأكسجين، على سبيل المثال:

أنها تتأكسد بالمثل منتجات الطعامفي الكائن الحي مع إطلاق الطاقة الحرارية وأنواع الطاقة الأخرى. في هذه الحالة، تحدث الأكسدة في ظروف خفيفة من خلال المراحل المتوسطة، ولكن المنتجات النهائية هي نفسها - CO 2 وH 2 O، كما هو الحال، على سبيل المثال، أثناء تحلل السكريات تحت تأثير الإنزيمات، ولا سيما أثناء تخمير الجلوكوز:

يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد المعادن على نطاق واسع في الصناعة عن طريق التحلل الحراري للكربونات:

يستخدم CaO بكميات كبيرة في تكنولوجيا إنتاج الأسمنت. يزداد الثبات الحراري للكربونات والاستهلاك الحراري لتحللها وفق هذا المخطط في السلسلة CaCO 3 ( أنظر أيضاالوقاية من الحرائق والحماية من الحرائق).

الهيكل الإلكتروني لأكاسيد الكربون.

يمكن وصف البنية الإلكترونية لأي أول أكسيد الكربون من خلال ثلاثة مخططات محتملة متساوية مع ترتيبات مختلفة لأزواج الإلكترونات - ثلاثة أشكال رنانة:

جميع أكاسيد الكربون لها بنية خطية.

حمض الكربونيك.

عندما يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء، يتكون حمض الكربونيك H2CO3. في محلول مشبع من ثاني أكسيد الكربون (0.034 مول/لتر)، تكون بعض الجزيئات فقط H2CO3، ومعظم ثاني أكسيد الكربون يكون في الحالة المائية CO2CHH2O.

كربونات.

وتتكون الكربونات من تفاعل أكاسيد المعادن مع ثاني أكسيد الكربون، على سبيل المثال Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

وباستثناء كربونات الفلزات القلوية، فإن الباقي غير قابل للذوبان عمليا في الماء، وكربونات الكالسيوم قابلة للذوبان جزئيا في حمض الكربونيك أو محلول ثاني أكسيد الكربون في الماء تحت الضغط:

تحدث هذه العمليات في المياه الجوفية التي تتدفق عبر طبقة الحجر الجيري. في الظروف ضغط منخفضوالتبخر منها المياه الجوفيةتحتوي على Ca(HCO 3) 2، ويتم ترسيب CaCO 3. هكذا تنمو الهوابط والصواعد في الكهوف. ويفسر لون هذه التكوينات الجيولوجية المثيرة للاهتمام بوجود شوائب في المياه من أيونات الحديد والنحاس والمنجنيز والكروم. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع هيدروكسيدات المعادن ومحاليلها لتكوين البيكربونات، على سبيل المثال:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

رباعي كلوريد CCl 4 هو مادة غير قابلة للاشتعال، وتستخدم كمذيب في عمليات التنظيف الجاف، ولكن لا ينصح باستخدامه كمانع للهب، لأنه عند درجات الحرارة المرتفعة يتكون الفوسجين السام (مادة غازية سامة). إن CCl 4 نفسه سام أيضًا، وإذا تم استنشاقه بكميات ملحوظة، يمكن أن يسبب تسمم الكبد. يتكون CCl 4 أيضًا من التفاعل الكيميائي الضوئي بين الميثان CH 4 وCl 2؛ في هذه الحالة، من الممكن تكوين منتجات الكلورة غير الكاملة للميثان - CHCl 3، CH 2 Cl 2 وCH 3 Cl -. تحدث التفاعلات بشكل مشابه مع الهالوجينات الأخرى.

ردود فعل الجرافيت.

الجرافيت كتعديل للكربون، يتميز بوجود مسافات كبيرة بين طبقات الحلقات السداسية، ويدخل في تفاعلات غير عادية، فمثلا تتغلغل المعادن القلوية والهالوجينات وبعض الأملاح (FeCl 3) بين الطبقات لتشكل مركبات مثل KC 8، KC 16 (تسمى الخلالي أو التضمين أو الكلاثرات). عوامل مؤكسدة قوية مثل KClO 3 in البيئة الحمضية(حمض الكبريتيك أو النيتريك) تشكل مواد ذات حجم كبير من الشبكة البلورية (تصل إلى 6 Å بين الطبقات)، وهو ما يفسر بإدخال ذرات الأكسجين وتكوين مركبات على سطحها نتيجة الأكسدة تتشكل مجموعات الكربوكسيل (–COOH) - مركبات مثل الجرافيت المؤكسد أو حمض الميليت (البنزين سداسي الكربوكسيل) C 6 (COOH) 6. في هذه المركبات، يمكن أن تختلف نسبة C:O من 6:1 إلى 6:2.5.

كربيدات.

يشكل الكربون مركبات مختلفة تسمى الكربيدات مع المعادن والبورون والسيليكون. المعادن الأكثر نشاطًا (المجموعات الفرعية IA–IIIA) تشكل كربيدات شبيهة بالملح، على سبيل المثال Na 2 C 2، CaC 2، Mg 4 C 3، Al 4 C 3. في الصناعة يتم الحصول على كربيد الكالسيوم من فحم الكوك والحجر الجيري باستخدام التفاعلات التالية:

الكربيدات غير موصلة للكهرباء، عديمة اللون تقريبًا، وتتحلل لتشكل الهيدروكربونات، على سبيل المثال

CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca(OH) 2

يعمل الأسيتيلين C 2 H 2 الناتج عن التفاعل كمادة أولية في إنتاج العديد من المواد العضوية. هذه العملية مثيرة للاهتمام لأنها تمثل الانتقال من المواد الخام ذات الطبيعة غير العضوية إلى تخليق المركبات العضوية. تسمى الكربيدات التي تشكل الأسيتيلين عند التحلل المائي بأسيتيلينيدات. في كربيدات السيليكون والبورون (SiC وB4C)، تكون الرابطة بين الذرات تساهمية. المعادن الانتقالية (عناصر المجموعة الفرعية B) عند تسخينها بالكربون تشكل أيضًا كربيدات ذات تركيبة متغيرة في الشقوق الموجودة على سطح المعدن؛ الرابطة فيها قريبة من المعدن. تتميز بعض الكربيدات من هذا النوع، على سبيل المثال WC، وW2C، وTiC، وSiC، بالصلابة العالية والحرارية، ولها موصلية كهربائية جيدة. على سبيل المثال، NbC وTaC وHfC هي أكثر المواد مقاومة للحرارة (mp = 4000–4200° C)، وكربيد الدينيوبيوم Nb 2 C موصل فائق عند درجة حرارة 9.18 كلفن، وTiC وW 2 C قريبان في الصلابة من الماس، والصلابة B 4 C (التناظرية الهيكلية للماس) هي 9.5 على مقياس موس ( سم. أرز. 2). تتشكل كربيدات خاملة إذا كان نصف قطر المعدن الانتقالي

مشتقات النيتروجين من الكربون.

تشمل هذه المجموعة اليوريا NH 2 CONH 2 - وهو سماد نيتروجيني يستخدم على شكل محلول. يتم الحصول على اليوريا من NH 3 و CO 2 عن طريق التسخين تحت الضغط:

يحتوي السيانوجين (CN) 2 على العديد من الخصائص المشابهة للهالوجينات، وغالبًا ما يطلق عليه اسم الهالوجين الكاذب. يتم الحصول على السيانيد عن طريق الأكسدة الخفيفة لأيون السيانيد مع الأكسجين أو بيروكسيد الهيدروجين أو أيون النحاس 2+: 2CN – ® (CN) 2 + 2e.

أيون السيانيد، كونه مانحًا للإلكترون، يشكل بسهولة مركبات معقدة مع أيونات فلزات انتقالية. مثل ثاني أكسيد الكربون، يعتبر أيون السيانيد سمًا يربط مركبات الحديد الحيوية في الكائن الحي. أيونات السيانيد المعقدة لها صيغة عامة –0,5س، أين X- رقم التنسيق للمعدن (عامل معقد)، يساوي تجريبيا ضعف حالة أكسدة أيون المعدن. ومن أمثلة هذه الأيونات المعقدة (هيكل بعض الأيونات موضح أدناه) أيون تيتراسيانونيكلات (II) 2–، هيكساسيانوفيرات (III) 3–، ديسيان أرجينتات –:

الكربونيل.

أول أكسيد الكربون قادر على التفاعل مباشرة مع العديد من المعادن أو أيونات المعادن، مكونًا مركبات معقدة تسمى الكربونيلات، على سبيل المثال Ni(CO) 4، Fe(CO) 5، Fe 2 (CO) 9، 3، Mo(CO) 6، 2 . الترابط في هذه المركبات يشبه الترابط في مجمعات السيانو الموصوفة أعلاه. Ni(CO)4 مادة متطايرة تستخدم لفصل النيكل عن المعادن الأخرى. غالبًا ما يرتبط تدهور بنية الحديد الزهر والصلب في الهياكل بتكوين الكربونيل. يمكن أن يكون الهيدروجين جزءًا من الكربونيلات، مكونًا هيدريدات الكربونيل، مثل H 2 Fe (CO) 4 وHCo (CO) 4، والتي تظهر خصائص حمضية وتتفاعل مع القلويات:

H 2 Fe(CO) 4 + NaOH → NaHFe(CO) 4 + H 2 O

ومن المعروف أيضا هاليدات الكربونيل، على سبيل المثال Fe(CO)X 2، Fe(CO) 2 X 2، Co(CO)I 2، Pt(CO)Cl 2، حيث X هو أي هالوجين.

الهيدروكربونات.

معروف كمية كبيرةمركبات الكربون الهيدروجينية

في هذه المقالة سوف نلقي نظرة على العنصر المتضمن فيه الجدول الدوريدي. مندليف، أي الكربون. وفي التسميات الحديثة يُشار إليه بالرمز C، ويندرج في المجموعة الرابعة عشرة وهو “مشارك” في الفترة الثانية، وله سادس رقم سري، و a.e.m. = 12.0107.

المدارات الذرية وتهجينها

لنبدأ بالنظر إلى الكربون بمداراته وتهجينها - سماته الرئيسية، والتي بفضلها لا يزال يذهل العلماء في جميع أنحاء العالم. ما هو هيكلهم؟

يتم ترتيب تهجين ذرة الكربون بطريقة تجعل إلكترونات التكافؤ تحتل مواقع في ثلاثة مدارات، وهي: واحد في المدار 2s، واثنان في المدارات 2p. يشكل المداران الأخيران من المدارات الثلاثة زاوية قدرها 90 درجة بالنسبة لبعضهما البعض، والمدار 2s له تناظر كروي. ومع ذلك، فإن هذا الشكل من ترتيب المدارات قيد النظر لا يسمح لنا أن نفهم لماذا يشكل الكربون زوايا 120 و 180 و 109.5 درجة عند دخوله إلى المركبات العضوية. معادلة الهيكل الإلكترونيذرة الكربون تعبر عن نفسها في النموذج التالي: ( هو ) 2 ق 2 2 ع 2 .

تم حل التناقض الذي نشأ عن طريق طرح مفهوم تهجين المدارات الذرية للتداول. لفهم الطبيعة المثلثية والمتغيرة لـ C، كان من الضروري إنشاء ثلاثة أشكال من التمثيل حول تهجينها. المساهمة الرئيسية في ظهور هذا المفهوم وتطويره قدمها لينوس بولينج.

الخصائص الفيزيائية

يحدد هيكل ذرة الكربون وجود عدد من السمات الفيزيائية المحددة. تشكل ذرات هذا العنصر مادة بسيطة - الكربون، الذي لديه تعديلات. الاختلافات في التغييرات في هيكلها يمكن أن تعطي المادة الناتجة خصائص نوعية مختلفة. سبب التوفر كمية كبيرةتكمن تعديلات الكربون في قدرته على إنشاء وتشكيل أنواع مختلفة من الروابط ذات الطبيعة الكيميائية.

يمكن أن يختلف هيكل ذرة الكربون، مما يسمح لها بالحصول على عدد معين من الأشكال النظائرية. يتكون الكربون الموجود في الطبيعة باستخدام نظيرين مستقرين - 12 درجة مئوية و13 درجة مئوية - ونظير ذو خصائص مشعة - 14 درجة مئوية. ويتركز النظير الأخير في الطبقات العليا من القشرة الأرضية وفي الغلاف الجوي. وبسبب تأثير الإشعاع الكوني، أي نيوتروناته، على نواة ذرات النيتروجين، يتكون النظير المشع 14C، وبعد منتصف الخمسينيات من القرن العشرين، بدأ يندرج في بيئةكمنتج من صنع الإنسان تكوّن أثناء تشغيل محطات الطاقة النووية، وبسبب استخدام القنبلة الهيدروجينية. تعتمد تقنية التأريخ بالكربون المشع على عملية الاضمحلال بدرجة 14 مئوية، والتي وجدت تطبيقها على نطاق واسع في علم الآثار والجيولوجيا.

تعديل الكربون في شكل متآصل

هناك العديد من المواد في الطبيعة التي تحتوي على الكربون. يستخدم الإنسان تركيب ذرة الكربون لأغراضه الخاصة عند تكوين المواد المختلفة، ومنها:

1. الكربونات البلورية (الماس، أنابيب الكربون النانوية، الألياف والأسلاك، الفوليرين، الخ).
2. الكربونات غير المتبلورة (الكربون المنشط والفحم النباتي، أنواع مختلفةفحم الكوك، وأسود الكربون، والسخام، والرغوة النانوية، والأنثراسايت).
3. الأشكال العنقودية للكربون (الديكربونات، والمخاريط النانوية، ومركبات النجم).

السمات الهيكلية للتركيب الذري

يمكن أن يكون للهيكل الإلكتروني لذرة الكربون أشكال هندسية مختلفة، والتي تعتمد على مستوى تهجين المدارات التي تمتلكها. هناك 3 أنواع رئيسية من الهندسة:

1. رباعي السطوح - تم إنشاؤه بسبب إزاحة أربعة إلكترونات، أحدها إلكترونات s، وثلاثة تنتمي إلى إلكترونات p. تحتل ذرة C موقعًا مركزيًا في رباعي الأسطح وترتبط بأربعة روابط سيجما مكافئة مع ذرات أخرى تحتل قمة هذا الرباعي. هذا الترتيب الهندسي للكربون يمكن أن ينتج متآصلات مثل الماس واللونسداليت.
2. مثلثي - يرجع مظهره إلى إزاحة ثلاثة مدارات، واحدة منها s واثنان p-. توجد هنا ثلاث روابط سيجما، وهي في وضع متساوٍ مع بعضها البعض؛ تقع في مستوى مشترك وتحافظ على زاوية قدرها 120 درجة بالنسبة لبعضها البعض. يقع المدار p الحر بشكل عمودي على مستوى رابطة سيجما. يمتلك الجرافيت هندسة هيكلية مماثلة.
3. قطري - يظهر بسبب خلط إلكترونات s و p (تهجين sp). تمتد السحب الإلكترونية على طول الاتجاه العام وتأخذ شكل الدمبل غير المتماثل. الإلكترونات الحرة تخلق روابط π. يؤدي هذا الهيكل الهندسي للكربون إلى ظهور الكارباين، وهو شكل خاص من التعديل.

ذرات الكربون في الطبيعة

لقد أخذ الإنسان في الاعتبار منذ فترة طويلة بنية وخصائص ذرة الكربون وتستخدم للحصول على عدد كبير من المواد المختلفة. وتتميز ذرات هذا العنصر بقدرتها الفريدة على تكوين أشكال مختلفة الروابط الكيميائيةووجود التهجين المداري، فإنها تخلق العديد من التعديلات المتآصلة المختلفة بمشاركة عنصر واحد فقط، من ذرات من نفس النوع - الكربون.

يوجد الكربون في الطبيعة في القشرة الأرضية؛ يأخذ شكل الماس، والجرافيت، والموارد الطبيعية المختلفة القابلة للاحتراق، على سبيل المثال، النفط، والأنثراسيت، والفحم البني، والصخر الزيتي، والجفت، وما إلى ذلك. وهو جزء من الغازات التي يستخدمها الإنسان في صناعة الطاقة. يملأ الكربون في ثاني أكسيده الغلاف المائي والغلاف الجوي للأرض، ويصل إلى 0.046٪ في الهواء، وما يصل إلى ستين مرة أكثر في الماء.

يحتوي جسم الإنسان على C بنسبة تعادل 21٪ تقريبًا، ويتم إخراجه بشكل رئيسي عن طريق البول وهواء الزفير. ويشارك نفس العنصر في الدورة البيولوجية، حيث تمتصه النباتات وتستهلكه أثناء عمليات التمثيل الضوئي.

يمكن لذرات الكربون، بسبب قدرتها على إنشاء روابط تساهمية مختلفة وبناء سلاسل وحتى دورات منها، أن تخلق عددًا كبيرًا من المواد العضوية. بالإضافة إلى ذلك، يعد هذا العنصر جزءًا من الغلاف الجوي الشمسي، حيث يكون متحدًا مع الهيدروجين والنيتروجين.

خصائص الطبيعة الكيميائية

الآن دعونا نلقي نظرة على بنية وخصائص ذرة الكربون من وجهة نظر كيميائية.

من المهم أن نعرف أن الكربون يظهر خصائص خاملة في ظل ظروف درجة الحرارة العادية، ولكن يمكن أن يظهر لنا خصائص مختزلة تحت التأثير درجات حرارة عالية. حالات الأكسدة الرئيسية هي: + - 4، وأحيانًا +2، وأيضًا +3.

يشارك في ردود الفعل مع عدد كبير من العناصر. قد يتفاعل مع الماء والهيدروجين والهالوجينات والمعادن القلوية والأحماض والفلور والكبريت وما إلى ذلك.

يؤدي هيكل ذرة الكربون إلى ظهور عدد كبير بشكل لا يصدق من المواد المنفصلة إلى فئة منفصلة. تسمى هذه المركبات عضوية وتعتمد على C. وهذا ممكن بسبب خاصية ذرات هذا العنصر لتشكيل سلاسل بوليمر. ومن أشهر المجموعات وأوسعها البروتينات (البروتينات) والدهون والكربوهيدرات والمركبات الهيدروكربونية.

طرق التشغيل

نظرًا للبنية الفريدة لذرة الكربون والخصائص المصاحبة لها، يستخدم البشر العنصر على نطاق واسع، على سبيل المثال، في صنع أقلام الرصاص وصهر البوتقات المعدنية - يستخدم الجرافيت هنا. يُستخدم الماس كمواد كاشطة، ومجوهرات، ولقم الثقب، وما إلى ذلك.

يتعامل علم الصيدلة والطب أيضًا مع استخدام الكربون في مجموعة متنوعة من المركبات. هذا العنصر هو جزء من الفولاذ، وهو بمثابة الأساس لكل مادة عضوية، ويشارك في عملية التمثيل الضوئي، وما إلى ذلك.

سمية العنصر

يتضمن هيكل ذرة عنصر الكربون وجوده تأثير خطيرإلى المادة الحية. يدخل الكربون إلى العالم من حولنا نتيجة احتراق الفحم في محطات الطاقة الحرارية، وهو جزء من الغازات التي تنتجها السيارات، في حالة تركيز الفحم، وما إلى ذلك.

نسبة الكربون في الهباء الجوي مرتفعة، مما يؤدي إلى زيادة في نسبة الأشخاص الذين يصابون بالمرض. غالبًا ما تتأثر الأجزاء العلوية الخطوط الجويةوالرئتين. يمكن تصنيف بعض الأمراض على أنها أمراض مهنية، على سبيل المثال التهاب الشعب الهوائية الغباري وأمراض مجموعة تغبّر الرئة.

14 درجة مئوية مادة سامة، ويتم تحديد قوة تأثيرها من خلال التفاعل الإشعاعي مع جسيمات بيتا. تدخل هذه الذرة في تركيب الجزيئات البيولوجية، بما في ذلك تلك الموجودة في الأحماض النووية والريبونية. تعتبر الكمية المقبولة من 14 درجة مئوية في هواء منطقة العمل 1.3 بيكريل/لتر. الحد الأقصى لكمية الكربون التي تدخل الجسم أثناء التنفس تساوي 3.2*10 8 بيكريل/سنة.