Kohlenstoff ist vielleicht das Wichtigste und Erstaunlichste Chemisches Element auf der Erde, weil mit ihrer Hilfe eine Vielzahl verschiedener anorganischer und organischer Verbindungen gebildet werden. Kohlenstoff ist die Grundlage aller Lebewesen, wir können sagen, dass Kohlenstoff zusammen mit Wasser und Sauerstoff die Grundlage des Lebens auf unserem Planeten ist! Kohlenstoff hat eine Vielzahl von Formen, die sich in keiner Weise ähneln. physikalische und chemische Eigenschaften, noch durch Aussehen. Aber es ist alles Kohlenstoff!

Geschichte der Entdeckung des Kohlenstoffs

Kohlenstoff ist der Menschheit seit der Antike bekannt. Graphit und Kohle wurden von den alten Griechen verwendet, und Diamanten wurden in Indien verwendet. Zwar wurden ähnlich aussehende Verbindungen oft mit Graphit verwechselt. Allerdings hat Graphit Breite Anwendung in der Antike, insbesondere zum Schreiben. Sogar sein Name kommt von griechisches Wort Grafik - Ich schreibe. Graphit wird jetzt in Bleistiften verwendet. Diamanten wurden erstmals in der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts in Brasilien gehandelt, seitdem wurden viele Vorkommen entdeckt und 1970 eine Technologie zur künstlichen Herstellung von Diamanten entwickelt. Solche künstlichen Diamanten werden in der Industrie verwendet, während natürliche Diamanten wiederum in Schmuck verwendet werden.

Kohlenstoff in der Natur

Die bedeutendste Menge an Kohlenstoff wird in Form von Kohlendioxid in der Atmosphäre und Hydrosphäre gesammelt. Die Atmosphäre enthält etwa 0,046 % Kohlenstoff und noch mehr – in gelöster Form im Weltmeer.

Darüber hinaus ist Kohlenstoff, wie wir oben gesehen haben, die Grundlage lebender Organismen. Beispielsweise enthält ein 70 kg schwerer menschlicher Körper etwa 13 kg Kohlenstoff! Es ist nur in einer Person! Und Kohlenstoff findet sich auch in allen Pflanzen und Tieren. Also bedenke...

Der Kohlenstoffkreislauf in der Natur

Allotrope Modifikationen von Kohlenstoff

Kohlenstoff ist ein einzigartiges chemisches Element, das die sogenannten allotropen Modifikationen oder einfacher verschiedene Formen bildet. Diese Modifikationen werden in kristalline, amorphe und in Form von Clustern unterteilt.

Kristallmodifikationen haben das richtige Kristallgitter. Zu dieser Gruppe gehören: Diamant, Fullerit, Graphit, Lonsdaleit, Kohlenstofffasern und -röhren. Die überwiegende Mehrheit der kristallinen Modifikationen des Kohlenstoffs belegt den ersten Platz im Ranking „Die härtesten Materialien der Welt“.

Amorphe Formen werden durch Kohlenstoff mit kleinen Verunreinigungen anderer chemischer Elemente gebildet. Die Hauptvertreter dieser Gruppe sind: Kohle (Stein, Holz, aktiviert), Ruß, Anthrazit.

Am komplexesten und technisch anspruchsvollsten sind Kohlenstoffverbindungen in Form von Clustern. Cluster sind eine spezielle Struktur, bei der Kohlenstoffatome so angeordnet sind, dass sie eine Hohlform bilden, die von innen mit Atomen anderer Elemente, beispielsweise Wasser, gefüllt ist. Es gibt nicht so viele Vertreter in dieser Gruppe, sie umfasst Kohlenstoffnanokegel, Astralene und Dikohlenstoff.

Anwendung von Kohlenstoff

Kohlenstoff und seine Verbindungen sind im menschlichen Leben von großer Bedeutung. Kohlenstoff bildet die wichtigsten Brennstoffarten auf der Erde – Erdgas und Öl. Kohlenstoffverbindungen werden in großem Umfang in der chemischen und metallurgischen Industrie, im Bauwesen, im Maschinenbau und in der Medizin verwendet. Allotrope Modifikationen in Form von Diamanten werden in Schmuck, Fullerit und Lonsdaleit in der Raketenwissenschaft verwendet. Verschiedene Schmiermittel für Mechanismen werden aus Kohlenstoffverbindungen hergestellt, Technisches Equipment und vieles mehr. Die Industrie kommt heute ohne Kohlenstoff nicht mehr aus, er wird überall eingesetzt!

Kohlenstoff ist das sechste Element in Mendelejews Periodensystem. Sein Atomgewicht beträgt 12.

Kohlenstoff befindet sich in der zweiten Periode des Mendelejew-Systems und in der vierten Gruppe dieses Systems.

Die Periodenzahl sagt uns, dass sich die sechs Elektronen des Kohlenstoffs in zwei Energieniveaus befinden.

Und die vierte Gruppennummer besagt, dass Kohlenstoff auf der Ebene der äußeren Energie vier Elektronen hat. Zwei davon sind gepaart s-Elektronen, und die anderen beiden sind nicht gepaart R-Elektronen.

Die Struktur der äußeren Elektronenschicht des Kohlenstoffatoms kann durch die folgenden Schemata ausgedrückt werden:

Jede Zelle in diesen Diagrammen bedeutet ein separates Elektronenorbital, der Pfeil bedeutet ein Elektron, das sich im Orbital befindet. Zwei Pfeile in einer Zelle sind zwei Elektronen, die sich auf derselben Umlaufbahn befinden, aber entgegengesetzte Spins haben.

Wenn ein Atom angeregt wird (wenn ihm Energie zugeführt wird), wird eines der gepaarten S-Elektronen besetzt R-orbital.

Ein angeregtes Kohlenstoffatom kann an der Bildung von vier kovalenten Bindungen teilnehmen. Daher weist Kohlenstoff in der überwiegenden Mehrheit seiner Verbindungen eine Wertigkeit von vier auf.

So hat die einfachste organische Verbindung Kohlenwasserstoffmethan die Zusammensetzung CH4. Seine Struktur kann durch strukturelle oder elektronische Formeln ausgedrückt werden:

Die elektronische Formel zeigt, dass das Kohlenstoffatom im Methanmolekül eine stabile Acht-Elektronen-Außenhülle hat und Wasserstoffatome eine stabile Zwei-Elektronen-Hülle haben.

Alle vier kovalenten Kohlenstoffbindungen in Methan (und in anderen ähnlichen Verbindungen) sind äquivalent und im Raum symmetrisch ausgerichtet. Das Kohlenstoffatom befindet sich sozusagen im Zentrum eines Tetraeders (richtig viereckige Pyramide) und vier damit verbundene Atome (im Fall von Methan vier Wasserstoffatome) an den Ecken des Tetraeders.

Die Winkel zwischen den Richtungen jedes Bindungspaares sind gleich und betragen 109 Grad 28 Minuten.

Dies liegt daran, dass bei einem Kohlenstoffatom, wenn es mit vier anderen Atomen kovalente Bindungen eingeht, eines ab s- und drei p-Orbitale als Ergebnis sp 3-Hybridisierungen werden vier symmetrisch im Raum angeordnete Hybriden gebildet sp 3-Orbitale zu den Eckpunkten des Tetraeders verlängert.

Merkmale der Eigenschaften von Kohlenstoff.

Die Anzahl der Elektronen in der äußeren Energieebene ist der bestimmende Hauptfaktor Chemische Eigenschaften Element.

Auf der linken Seite des Periodensystems befinden sich Elemente mit einer niedrig gefüllten externen elektronischen Ebene. Die Elemente der ersten Gruppe haben auf der äußeren Ebene ein Elektron, die Elemente der zweiten Gruppe zwei.

Die Elemente dieser beiden Gruppen sind Metalle. Sie sind leicht oxidierbar, d.h. verlieren ihre äußeren Elektronen und verwandeln sich in positive Ionen.

Auf der rechten Seite des Periodensystems befinden sich dagegen Nichtmetalle (Oxidationsmittel). Im Vergleich zu Metallen haben sie einen Kern mit eine große Anzahl Protonen. Ein solch massiver Kern bietet eine viel stärkere Anziehungskraft für seine Elektronenwolke.

Solche Elemente verlieren ihre Elektronen sehr schwer, aber sie sind nicht abgeneigt, zusätzliche Elektronen von anderen Atomen hinzuzufügen, d.h. oxidieren sie und verwandeln sich gleichzeitig in ein negatives Ion.

Metallische Eigenschaften der Elemente mit zunehmender Gruppenzahl Periodensystem werden geschwächt und ihre Fähigkeit, andere Elemente zu oxidieren, wird erhöht.

Kohlenstoff ist in der vierten Gruppe, d.h. genau in der Mitte zwischen Metallen, die leicht Elektronen abgeben, und Nichtmetallen, die diese Elektronen leicht aufnehmen.

Aus diesem Grund Kohlenstoff hat keine ausgeprägte Tendenz, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen.

Kohlenstoffketten.

Die exklusive Eigenschaft von Kohlenstoff, die Vielfalt verursacht organische Verbindungen, ist die Fähigkeit seiner Atome, sich durch starke kovalente Bindungen miteinander zu verbinden und Kohlenstoffschemata von nahezu unbegrenzter Länge zu bilden.

Neben Kohlenstoff bilden Ketten identischer Atome sein Analogon aus der Gruppe IV - Silizium. Solche Ketten enthalten jedoch nicht mehr als sechs Si-Atome. Lange Ketten von Schwefelatomen sind bekannt, aber Verbindungen, die sie enthalten, sind zerbrechlich.

Die Valenzen von Kohlenstoffatomen, die nicht an der Verknüpfung beteiligt sind, werden für die Anlagerung anderer Atome oder Gruppen (bei Kohlenwasserstoffen für die Anlagerung von Wasserstoff) genutzt.

Ethankohlenwasserstoffe ( C 2 H 6) und Propan ( C 3 H 8) enthalten Ketten aus zwei bzw. drei Kohlenstoffatomen. Ihre Struktur wird durch die folgenden strukturellen und elektronischen Formeln ausgedrückt:

Verbindungen mit Hunderten oder mehr Kohlenstoffatomen sind bekannt.

Aufgrund der tetraedrischen Ausrichtung von Kohlenstoffbindungen sind die in der Kette enthaltenen Atome nicht in einer geraden Linie, sondern in einem Zickzackmuster angeordnet. Darüber hinaus kann die Kette im Raum aufgrund der Rotationsmöglichkeit von Atomen um die Bindungsachse verschiedene Formen (Konformationen) annehmen:

Eine solche Kettenstruktur ermöglicht es endständigen oder anderen nicht benachbarten Kohlenstoffatomen, sich einander anzunähern. Durch das Auftreten einer Bindung zwischen diesen Atomen können Kohlenstoffketten zu Ringen (Zyklen) geschlossen werden, zum Beispiel:

Die Vielfalt organischer Verbindungen wird also auch dadurch bestimmt, wann die gleiche Nummer Kohlenstoffatome in einem Molekül, Verbindungen mit einer offenen Kette von Kohlenstoffatomen sind ebenso möglich wie Substanzen, deren Moleküle Zyklen enthalten.

Einfach- und Mehrfachbindungen.

Kovalente Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen, die durch ein Paar verallgemeinerter Elektronen gebildet werden, werden einfache Bindungen genannt.

Die Bindung zwischen Kohlenstoffatomen kann nicht durch ein, sondern durch zwei oder drei gemeinsame Elektronenpaare erfolgen. Dann werden Ketten mit mehreren Doppel- oder Dreifachbindungen erhalten. Diese Verbindungen lassen sich wie folgt darstellen:

Die einfachsten Verbindungen mit Mehrfachbindungen sind Kohlenwasserstoffe Ethylen(mit Doppelbindung) und Acetylen(mit Dreifachbindung):

Kohlenwasserstoffe mit Mehrfachbindungen werden als ungesättigt oder ungesättigt bezeichnet. Ethylen und Acetylen sind die ersten Vertreter zweier homologer Reihen - Ethylen- und Acetylen-Kohlenwasserstoffe.

Kohlenstoff

KOHLENSTOFF-a; m. Chemisches Element (C), essentiell Komponente alle organischen Stoffe in der Natur. Kohlenstoffatome. Prozentsatz des Kohlenstoffgehalts. Ohne Kohlenstoff ist kein Leben möglich.

◁ Kohlenstoff, th, th. Y-te Atome. Kohlenhaltig, th, th. Kohlenstoff enthält. Wow Stahl.

(lat. Carboneum), ein chemisches Element der IV. Gruppe des Periodensystems. Die wichtigsten kristallinen Modifikationen sind Diamant und Graphit. Unter normalen Bedingungen ist Kohlenstoff chemisch inert; bei hohe Temperaturen verbindet sich mit vielen Elementen (starkes Reduktionsmittel). Der Kohlenstoffgehalt in der Erdkruste beträgt 6,5 10 16 Tonnen. Signifikante Menge Kohlenstoff (etwa 10 13 Tonnen) ist Bestandteil fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdgas, Öl usw.) sowie im Kohlendioxid der Atmosphäre (6 10 11 Tonnen) und der Hydrosphäre (10 14 Tonnen). Die wichtigsten kohlenstoffhaltigen Mineralien sind Karbonate. Kohlenstoff hat die einzigartige Fähigkeit, sich zu formen große Menge Verbindungen, die aus einer praktisch unbegrenzten Anzahl von Kohlenstoffatomen bestehen können. Die Vielfalt der Kohlenstoffverbindungen bestimmte die Entstehung eines der Hauptzweige der Chemie - der organischen Chemie. Kohlenstoff ist ein biogenes Element; Seine Verbindungen spielen eine besondere Rolle im Leben pflanzlicher und tierischer Organismen (der durchschnittliche Kohlenstoffgehalt beträgt 18%). Kohlenstoff ist im Weltraum weit verbreitet; auf der Sonne belegt es nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff den 4. Platz.

CARBON (lat. Carboneum, von carbo - Kohle), C (gelesen "tse"), ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 6, Atommasse 12.011. Natürlicher Kohlenstoff besteht aus zwei stabilen Nukliden: 12 C, 98,892 Gew.-%, und 13 C, 1,108 %. In einem natürlichen Nuklidgemisch ist das radioaktive Nuklid 14 C immer in Spuren vorhanden (b - Strahler, Halbwertszeit 5730 Jahre). Es entsteht ständig in den unteren Schichten der Atmosphäre unter Einwirkung von Neutronen der kosmischen Strahlung auf das Stickstoffisotop 14 N:
14 7 N + 1 0 n = 14 6 C + 1 1 H.
Kohlenstoff befindet sich in der Gruppe IVA, in der zweiten Periode des Periodensystems. Die Konfiguration der äußeren Elektronenschicht eines Atoms im Grundzustand 2 s 2 p 2 . Die wichtigsten Oxidationsstufen sind +2 +4, -4, Valenzen IV und II.
Der Radius des neutralen Kohlenstoffatoms beträgt 0,077 nm. Der Radius des C 4+ -Ions beträgt 0,029 nm (Koordinationszahl 4), 0,030 nm (Koordinationszahl 6). Die aufeinander folgenden Ionisierungsenergien eines neutralen Atoms sind 11,260, 24,382, 47,883, 64,492 und 392,09 eV. Elektronegativität nach Pauling (cm. Pauling Linus) 2,5.
Geschichtlicher Bezug
Kohlenstoff ist seit der Antike bekannt. Holzkohle wurde verwendet, um Metalle aus Erzen und Diamanten zurückzugewinnen (cm. DIAMANT (Mineral))- wie ein Juwel. 1789 der französische Chemiker A. L. Lavoisier (cm. Lavoisier Antoine Laurent) eine Schlussfolgerung über die elementare Natur von Kohlenstoff gezogen.
Künstliche Diamanten wurden erstmals 1953 von schwedischen Forschern erhalten, aber sie hatten keine Zeit, die Ergebnisse zu veröffentlichen. Im Dezember 1954 wurden künstliche Diamanten erhalten, und Anfang 1955 wurden die Ergebnisse von Mitarbeitern der General Electric Company veröffentlicht. (cm. ALLGEMEINE ELEKTRIK)
In der UdSSR wurden künstliche Diamanten erstmals 1960 von einer Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von V. N. Bakul und L. F. Vereshchagin gewonnen (cm. Wereschtschagin Leonid Fjodorowitsch) .
1961 eine Gruppe Sowjetische Chemiker Unter der Leitung von V. V. Korshak wurde eine lineare Modifikation von Kohlenstoff, Karabiner, synthetisiert. Bald wurde Karabiner im Rees-Meteoritenkrater (Deutschland) entdeckt. 1969 wurden in der UdSSR unter gewöhnlichem Druck Diamantwhisker synthetisiert, die eine hohe Festigkeit besitzen und praktisch frei von Defekten sind.
1985 G. Kroto (cm. KROTO Harald) entdeckt neue Form Kohlenstoff-Fullerene (cm. Fullerene) C 60 und C 70 im Massenspektrum des bei der Laserbestrahlung verdampften Graphits. Bei hohe Drücke erhielt Lonsdaleit.
In der Natur sein
Der Gehalt in der Erdkruste beträgt 0,48 Masse-%. Es reichert sich in der Biosphäre an: in lebender Materie 18 % Kohle, in Holz 50 %, Torf 62 %, natürliche brennbare Gase 75 %, Ölschiefer 78 %, Stein- und Braunkohle 80 %, Öl 85 %, Anthrazit 96 %. Ein erheblicher Teil der Kohle der Lithosphäre ist in Kalksteinen und Dolomiten konzentriert. Kohlenstoff in der Oxidationsstufe +4 ist Bestandteil von Karbonatgesteinen und Mineralien (Kreide, Kalkstein, Marmor, Dolomit). Kohlendioxid CO 2 (0,046 Masse-%) konstanter Bestandteil atmosphärische Luft. Kohlendioxid in gelöster Form ist im Wasser von Flüssen, Seen und Meeren immer vorhanden.
Kohlenstoffhaltige Substanzen wurden in der Atmosphäre von Sternen, Planeten und in Meteoriten gefunden.
Kassenbon
Seit der Antike wird Kohle durch unvollständige Verbrennung von Holz gewonnen. Im 19. Jahrhundert Holzkohle in der Metallurgie wurden sie durch Kohle (Koks) ersetzt.
Derzeit wird Cracking zur industriellen Herstellung von reinem Kohlenstoff eingesetzt. (cm. KNACKEN) Erdgas Methan (cm. METHAN) CH 4:
CH 4 \u003d C + 2 H 2
Holzkohle für medizinische Zwecke wird durch Verbrennen der Schalen von Kokosnüssen hergestellt. Für den Laborbedarf wird reine Kohle, die keine nicht brennbaren Verunreinigungen enthält, durch unvollständige Verbrennung von Zucker gewonnen.
Physikalische und chemische Eigenschaften
Kohlenstoff ist ein Nichtmetall.
Die Vielfalt der Kohlenstoffverbindungen erklärt sich aus der Fähigkeit ihrer Atome, sich aneinander zu binden und dreidimensionale Strukturen, Schichten, Ketten und Zyklen zu bilden. Vier allotrope Kohlenstoffmodifikationen sind bekannt: Diamant, Graphit, Carbin und Fullerit. Holzkohle besteht aus winzigen Kristallen mit einer ungeordneten Graphitstruktur. Seine Dichte beträgt 1,8–2,1 g/cm 3 . Ruß ist hochgradig pulverisierter Graphit.
Diamant ist ein Mineral mit einem kubisch flächenzentrierten Gitter. Die C-Atome im Diamanten sind drin sp 3 -hybridisierter Zustand. Jedes Atom bildet 4 kovalente s-Bindungen mit vier benachbarten C-Atomen, die sich an den Ecken des Tetraeders befinden, in dessen Mitte sich das C-Atom befindet Die Atomabstände im Tetraeder betragen 0,154 nm. Es gibt keine elektronische Leitfähigkeit, die Bandlücke beträgt 5,7 eV. Von allen einfachen Substanzen hat Diamant die maximale Anzahl an Atomen pro Volumeneinheit. Seine Dichte beträgt 3,51 g/cm3. Mohs-Härte (cm. MOHS-SKALA) als 10 angenommen. Ein Diamant kann nur mit einem anderen Diamanten geritzt werden; aber es ist spröde und zerbricht beim Aufprall in Stücke unregelmäßige Form. Thermodynamisch stabil nur bei hohen Drücken. Bei 1800 °C erfolgt die Umwandlung von Diamant in Graphit jedoch schnell. Die Rückumwandlung von Graphit in Diamant erfolgt bei 2700 °C und einem Druck von 11–12 GPa.
Graphit ist eine geschichtete dunkelgraue Substanz mit einem hexagonalen Kristallgitter. Thermodynamisch stabil in einem weiten Temperatur- und Druckbereich. Sie besteht aus parallelen Schichten, die aus regelmäßigen Sechsecken von C-Atomen gebildet sind, wobei die Kohlenstoffatome jeder Schicht gegenüber den Mittelpunkten der Sechsecke angeordnet sind, die sich in benachbarten Schichten befinden; die Position der Schichten wird um eine wiederholt, und jede Schicht wird relativ zur anderen in horizontaler Richtung um 0,1418 nm verschoben. Innerhalb der Schicht werden die Bindungen zwischen den Atomen kovalent, gebildet sp 2 hybride Orbitale. Die Verbindungen zwischen den Schichten werden durch schwache Van-der-Waals-Verbindungen hergestellt (cm. INTERMOLEKULARE WECHSELWIRKUNG) Kräfte, so dass Graphit leicht geschichtet wird. Dieser Zustand wird durch die vierte delokalisierte p-Bindung stabilisiert. Graphit hat eine gute elektrische Leitfähigkeit. Die Dichte von Graphit beträgt 2,1-2,5 kg / dm 3.
Bei allen allotropen Modifikationen ist Kohlenstoff unter normalen Bedingungen chemisch inaktiv. BEI chemische Reaktionen tritt nur bei Erwärmung ein. Dabei nimmt die chemische Aktivität von Kohlenstoff in der Reihe Ruß-Kohle-Graphit-Diamant ab. Ruß in Luft entzündet sich beim Erhitzen auf 300°C, Diamant - bei 850-1000°C. Bei der Verbrennung entstehen Kohlendioxid CO 2 und CO. Durch Erhitzen von CO 2 mit Kohle wird auch Kohlenmonoxid (II) CO gewonnen:
CO 2 + C \u003d 2CO
C + H 2 O ( überhitzter Dampf) \u003d CO + H 2
Synthetisiertes Kohlenmonoxid C 2 O 3 .
CO 2 ist ein saures Oxid, es entspricht einer schwach instabilen Kohlensäure H 2 CO 3 , die nur in stark verdünnten kalten wässrigen Lösungen vorkommt. Salze der Kohlensäure - Carbonate (cm. CARBONATE)(K 2 CO 3, CaCO 3) und Bicarbonate (cm. Kohlenwasserstoffe)(NaHCO 3 , Ca(HCO 3 ) 2).
Mit Wasserstoff (cm. WASSERSTOFF) Graphit und Holzkohle reagieren bei Temperaturen über 1200 °C zu einem Kohlenwasserstoffgemisch. Es reagiert mit Fluor bei 900 °C und bildet ein Gemisch aus Fluorkohlenstoffverbindungen. Durch Durchleiten einer elektrischen Entladung zwischen Kohlenstoffelektroden in einer Stickstoffatmosphäre wird Cyangas (CN) 2 erhalten; ist Wasserstoff im Gasgemisch vorhanden, entsteht Blausäure HCN. Bei sehr hohen Temperaturen reagiert Graphit mit Schwefel, (cm. SCHWEFEL) Silizium, Bor, Karbidbildung - CS 2, SiC, B 4 C.
Carbide werden durch Wechselwirkung von Graphit mit Metallen bei hohen Temperaturen erhalten: Natriumcarbid Na 2 C 2, Calciumcarbid CaC 2, Magnesiumcarbid Mg 2 C 3, Aluminiumcarbid Al 4 C 3. Diese Carbide werden durch Wasser leicht in Metallhydroxid und den entsprechenden Kohlenwasserstoff zersetzt:
Al 4 C 3 + 12H 2 O \u003d 4Al (OH) 3 + 3CH 4
Kohlenstoff bildet mit Übergangsmetallen metallähnliche chemisch beständige Karbide, zB Eisenkarbid (Zementit) Fe 3 C, Chromkarbid Cr 2 C 3 , Wolframkarbid WC. Carbide - kristalline Substanzen, Natur chemische Bindung kann anders sein.
Beim Erhitzen reduziert Kohle viele Metalle aus ihren Oxiden:
FeO + C = Fe + CO
2CuO+ C = 2Cu+ CO 2
Beim Erhitzen reduziert es Schwefel (VI) zu Schwefel (IV) aus konzentrierter Schwefelsäure:
2H 2 SO 4 + C \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
Bei 3500°C und Normaldruck Kohlenstoff sublimiert.
Anwendung
Über 90 % aller weltweit verbrauchten Primärenergiequellen stammen aus fossilen Brennstoffen. 10 % des geförderten Brennstoffs werden als Rohstoff für die wichtigsten organischen und petrochemischen Synthesen zur Herstellung von Kunststoffen verwendet.
Physiologische Wirkung
Kohlenstoff ist das wichtigste biogene Element bauliche Einheit organische Verbindungen, die am Aufbau von Organismen beteiligt sind und ihre lebenswichtige Aktivität sicherstellen (Biopolymere, Vitamine, Hormone, Mediatoren und andere). Der Kohlenstoffgehalt in lebenden Organismen in Trockenmasse beträgt 34,5-40 % Wasserpflanzen und Tieren, 45,4-46,5 % in Landpflanzen und -tieren und 54 % in Bakterien. Bei der lebenswichtigen Aktivität von Organismen kommt es mit der Freisetzung in zu einem oxidativen Abbau organischer Verbindungen Außenumgebung CO2. Kohlendioxid (cm. KOHLENDIOXID), gelöst in biologischen Flüssigkeiten und natürlichen Gewässern, ist an der Aufrechterhaltung des für das Leben optimalen Säuregehalts der Umwelt beteiligt. Als Teil von CaCO 3 bildet Kohlenstoff das Außenskelett vieler Wirbelloser, findet sich in Korallen, Eierschalen.
Bei verschiedenen Produktionsprozessen gelangen Kohle-, Ruß-, Graphit- und Diamantpartikel in die Atmosphäre und befinden sich darin in Form von Aerosolen. MPC für Kohlenstaub in Arbeitsbereichen 4,0 mg/m 3 , für Steinkohle 10 mg/m 3 .

Enzyklopädisches Wörterbuch . 2009 .

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Elementcharakteristik

6 C 1s 2 2s 2 2p 2

Isotope: 12 C (98,892 %); 13 °C (1,108 %); 14 C (radioaktiv)

Clark in der Erdkruste 0,48 Gew.-%. Standortformulare:

in freier Form (Kohle, Diamanten);

in der Zusammensetzung von Carbonaten (CaCO 3, MgCO 3 usw.);

in der Zusammensetzung fossiler Brennstoffe (Kohle, Öl, Gas);

in Form von CO 2 - in der Atmosphäre (0,03 Vol.-%);

in den Ozeanen - in Form von HCO 3 - Anionen;

in der Zusammensetzung lebender Materie (-18 % Kohlenstoff).

Die Chemie der Kohlenstoffverbindungen ist grundlegend organische Chemie. Im Rahmen der Anorganischen Chemie werden folgende C-haltige Substanzen untersucht: freier Kohlenstoff, Oxide (CO und CO 2), Kohlensäure, Carbonate und Bicarbonate.

Freier Kohlenstoff. Allotropie.

Kohlenstoff bildet im freien Zustand 3 allotrope Modifikationen: Diamant, Graphit und künstlich gewonnenes Karabiner. Diese Kohlenstoffmodifikationen unterscheiden sich in kristallchemischer Struktur und physikalischen Eigenschaften.

Diamant

In einem Diamantkristall ist jedes Kohlenstoffatom durch starke kovalente Bindungen an vier andere gebunden, die in gleichen Abständen darum angeordnet sind.

Alle Kohlenstoffatome befinden sich in einem Zustand der sp 3 -Hybridisierung. Das atomare Kristallgitter von Diamant hat eine tetraedrische Struktur.

Diamant ist eine farblose, transparente, hochbrechende Substanz. Es hat die höchste Härte unter allen bekannten Stoffen. Diamant ist spröde, feuerfest, leitet Wärme schlecht und elektrischer Strom. Kleine Abstände zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen (0,154 nm) bestimmen die ziemlich hohe Dichte von Diamant (3,5 g/cm 3 ).

Graphit

Im Kristallgitter von Graphit befindet sich jedes Kohlenstoffatom in einem Zustand der sp 2 -Hybridisierung und bildet drei starke kovalente Bindungen mit Kohlenstoffatomen, die sich in derselben Schicht befinden. Drei Elektronen jedes Atoms, Kohlenstoff, sind an der Bildung dieser Bindungen beteiligt, und die vierten Valenzelektronen bilden n-Bindungen und sind relativ frei (mobil). Sie bestimmen die elektrische und thermische Leitfähigkeit von Graphit.

Die Länge der kovalenten Bindung zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen in derselben Ebene beträgt 0,152 nm, und der Abstand zwischen C-Atomen in verschiedenen Schichten ist 2,5-mal größer, sodass die Bindungen zwischen ihnen schwach sind.

Graphit ist eine undurchsichtige, weiche, sich fettig anfühlende Substanz von grauschwarzer Farbe mit metallischem Glanz; leitet Wärme und Strom gut. Graphit hat eine geringere Dichte als Diamant und zerfällt leicht in dünne Flocken.

Die ungeordnete Struktur aus feinkörnigem Graphit liegt der Struktur zugrunde verschiedene Formen amorpher Kohlenstoff, die wichtigsten davon sind Koks, Braun- und Steinkohle, Ruß, Aktivkohle.

Karabiner

Diese allotrope Modifikation von Kohlenstoff wird durch katalytische Oxidation (Dehydropolykondensation) von Acetylen erhalten. Carbyne ist ein Kettenpolymer, das zwei Formen hat:

C=C-C=C-... und...=C=C=C=

Carbin hat Halbleitereigenschaften.

Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff

Bei normaler Temperatur sind beide Kohlenstoffmodifikationen (Diamant und Graphit) chemisch inert. Feinkristalline Formen von Graphit - Koks, Ruß, Aktivkohle- reaktiver, aber in der Regel nach dem Vorheizen auf eine hohe Temperatur.

C - aktives Reduktionsmittel:

1. Wechselwirkung mit Sauerstoff

C + O 2 \u003d CO 2 + 393,5 kJ (über O 2)

2C + O 2 \u003d 2CO + 221 kJ (mit O 2-Mangel)

Die Kohleverbrennung ist eine davon die wichtigsten Quellen Energie.

2. Wechselwirkung mit Fluor und Schwefel.

C + 2F 2 = CF 4 Kohlenstofftetrafluorid

C + 2S \u003d CS 2 Schwefelkohlenstoff

3. Koks ist eines der wichtigsten Reduktionsmittel in der Industrie. In der Metallurgie wird es zur Herstellung von Metallen aus Oxiden verwendet, zum Beispiel:

ZS + Fe 2 O 3 \u003d 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. Wenn Kohlenstoff mit Oxiden von Alkali- und Erdalkalimetallen wechselwirkt, verbindet sich das reduzierte Metall mit Kohlenstoff, um Carbid zu bilden. Zum Beispiel: 3C + CaO \u003d CaC 2 + CO Calciumcarbid

5. Koks wird auch zur Gewinnung von Silizium verwendet:

2C + SiO 2 \u003d Si + 2CO

6. Mit einem Überschuss an Koks wird Siliziumkarbid (Carborundum) SiC gebildet.

Gewinnung von „Wassergas“ (Festbrennstoffvergasung)

Indem Wasserdampf durch heiße Kohle geleitet wird, entsteht ein brennbares Gemisch aus CO und H 2, Wassergas genannt:

C + H 2 O \u003d CO + H 2

7. Reaktionen mit oxidierenden Säuren.

Aktivkohle oder Holzkohle stellt beim Erhitzen NO 3 - und SO 4 2- Anionen aus konzentrierten Säuren wieder her:

C + 4HNO 3 \u003d CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2 SO 4 \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

8. Reaktionen mit geschmolzenen Alkalimetallnitraten

In KNO 3 - und NaNO 3 -Schmelzen brennt zerkleinerte Kohle intensiv unter Bildung einer blendenden Flamme:

5C + 4KNO 3 \u003d 2K 2 CO 3 + ZCO 2 + 2N 2

C - schwach aktives Oxidationsmittel:

1. Bildung salzartiger Karbide mit Aktivmetallen.

Eine deutliche Abschwächung der nichtmetallischen Eigenschaften des Kohlenstoffs äußert sich darin, dass seine Funktionen als Oxidationsmittel deutlich geringer ausgeprägt sind als die reduzierenden Funktionen.

2. Nur bei Reaktionen mit aktiven Metallen gehen Kohlenstoffatome in negativ geladene Ionen C -4 und (C \u003d C) 2- über und bilden salzartige Carbide:

ZS + 4Al \u003d Al 4 C 3 Aluminiumcarbid

2C + Ca \u003d CaC 2 Calciumcarbid

3. Karbide vom ionischen Typ sind sehr instabile Verbindungen, sie zersetzen sich leicht unter Einwirkung von Säuren und Wasser, was auf die Instabilität negativ geladener Kohlenstoffanionen hinweist:

Al 4 C 3 + 12H 2 O \u003d ZSN 4 + 4Al (OH) 3

CaC 2 + 2H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2

4. Bildung kovalenter Verbindungen mit Metallen

In Schmelzen von Mischungen von Kohlenstoff mit Übergangsmetallen werden überwiegend Karbide mit kovalentem Bindungstyp gebildet. Ihre Moleküle haben eine variable Zusammensetzung, und Substanzen sind im Allgemeinen Legierungen ähnlich. Solche Karbide sind sehr widerstandsfähig, sie sind gegenüber Wasser, Säuren, Laugen und vielen anderen Reagenzien chemisch inert.

5. Wechselwirkung mit Wasserstoff

Bei hohen T und P verbindet sich in Gegenwart eines Nickelkatalysators Kohlenstoff mit Wasserstoff:

C + 2HH 2 → CNN 4

Die Reaktion ist sehr reversibel und hat keine praktische Bedeutung.

Physikalische Eigenschaften: Kohlenstoff bildet viele allotrope Modifikationen: Diamant- einer der meisten Feststoffe, Graphit, Kohle, Ruß.

Ein Kohlenstoffatom hat 6 Elektronen: 1s 2 2s 2 2p 2 . Die letzten beiden Elektronen befinden sich in getrennten p-Orbitalen und sind ungepaart. Im Prinzip könnte dieses Paar ein Orbital besetzen, aber in diesem Fall nimmt die Interelektronenabstoßung stark zu. Aus diesem Grund nimmt der eine 2p x und der andere entweder 2p y , oder 2p z-Orbitale.

Der Unterschied zwischen den Energien der s- und p-Unterniveaus der äußeren Schicht ist gering, daher geht das Atom ziemlich leicht in einen angeregten Zustand über, in dem eines der beiden Elektronen aus dem 2s-Orbital in ein freies übergeht. 2r. Es entsteht ein Wertigkeitszustand mit der Konfiguration 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Es ist dieser Zustand des Kohlenstoffatoms, der für das Diamantgitter charakteristisch ist - die tetraedrische räumliche Anordnung von Hybridorbitalen, die gleiche Bindungslänge und Energie.

Dieses Phänomen wird bekanntermaßen genannt sp 3 -Hybridisierung, und die resultierenden Funktionen sind sp 3 -hybrid . Die Bildung von vier sp 3 -Bindungen verleiht dem Kohlenstoffatom einen stabileren Zustand als drei rr- und eine s-s-Bindung. Neben der sp 3 -Hybridisierung werden auch sp 2 - und sp-Hybridisierung am Kohlenstoffatom beobachtet . Im ersten Fall liegt eine gegenseitige Überschneidung vor s- und zwei p-Orbitale. Es werden drei äquivalente sp 2 - Hybridorbitale gebildet, die sich in derselben Ebene in einem Winkel von 120 ° zueinander befinden. Das dritte Orbital p bleibt unverändert und senkrecht zur Ebene gerichtet sp2.

Bei der sp-Hybridisierung überlappen sich die s- und p-Orbitale. Zwischen den beiden gebildeten äquivalenten Hybridorbitalen entsteht ein Winkel von 180°, während die beiden p-Orbitale jedes der Atome unverändert bleiben.

Allotropie von Kohlenstoff. Diamant und Graphit

In einem Graphitkristall befinden sich Kohlenstoffatome in parallelen Ebenen und besetzen die Ecken regelmäßiger Sechsecke in ihnen. Jedes der Kohlenstoffatome ist mit drei benachbarten sp 2 -Hybridbindungen verbunden. Zwischen parallele Ebenen die Verbindung erfolgt aufgrund von Van-der-Waals-Kräften. Freie p-Orbitale jedes der Atome sind senkrecht zu den Ebenen der kovalenten Bindungen gerichtet. Ihre Überlappung erklärt die zusätzliche π-Bindung zwischen Kohlenstoffatomen. Also ab von der Wertigkeitsstufe, in der sich Kohlenstoffatome in einem Stoff befinden, hängen die Eigenschaften dieses Stoffes ab.

Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff

Die charakteristischsten Oxidationsstufen: +4, +2.

Bei niedrige Temperaturen Kohlenstoff ist inert, aber wenn er erhitzt wird, nimmt seine Aktivität zu.

Kohlenstoff als Reduktionsmittel:

- mit Sauerstoff
C 0 + O 2 - t ° \u003d CO 2 Kohlendioxid
bei Sauerstoffmangel - unvollständige Verbrennung:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O Kohlenmonoxid

- mit Fluor
C + 2F 2 = CF 4

- mit Dampf
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 Wassergas

— mit Metalloxiden. Auf diese Weise wird aus Erz Metall geschmolzen.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2

- mit Säuren - Oxidationsmitteln:
C 0 + 2H 2 SO 4 (konz.) \u003d C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (konz.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- bildet mit Schwefel Schwefelkohlenstoff:
C + 2S 2 \u003d CS 2.

Kohlenstoff als Oxidationsmittel:

- bildet mit einigen Metallen Karbide

4 Al + 3 C 0 \u003d Al 4 C 3

Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4

- mit Wasserstoff - Methan (sowie eine große Menge organischer Verbindungen)

C 0 + 2 H 2 \u003d CH 4

- bildet mit Silizium Karborund (bei 2000 ° C im Elektroofen):

Kohlenstoff in der Natur finden

Freier Kohlenstoff kommt als Diamant und Graphit vor. Kohlenstoff kommt in Form von Verbindungen in Mineralien vor: Kreide, Marmor, Kalkstein - CaCO 3, Dolomit - MgCO 3 *CaCO 3; bicarbonate - Mg (HCO 3) 2 und Ca (HCO 3) 2, CO 2 ist Teil der Luft; Kohlenstoff ist der Hauptbestandteil natürlicher organischer Verbindungen - Gas, Öl, Kohle, Torf, ist Teil organischer Substanzen, Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Aminosäuren, die Teil lebender Organismen sind.

Anorganische Kohlenstoffverbindungen

Weder C 4+ - noch C 4– -Ionen werden bei herkömmlichen chemischen Prozessen gebildet: In Kohlenstoffverbindungen gibt es kovalente Bindungen unterschiedlicher Polarität.

Kohlenmonoxid (II) ALSO

Kohlenmonoxid; farblos, geruchlos, schwer löslich in Wasser, löslich in organischen Lösungsmitteln, giftig, Sdp. = -192°C; t sq. = -205 °C.

Kassenbon
1) In der Industrie (in Gasgeneratoren):
C + O 2 = CO 2

2) Im Labor - Thermische Zersetzung von Ameisen- oder Oxalsäure in Gegenwart von H 2 SO 4 (konz.):
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 \u003d CO + CO 2 + H 2 O

Chemische Eigenschaften

Unter normalen Bedingungen ist CO inert; beim Erhitzen - Reduktionsmittel; nicht salzbildendes Oxid.

1) mit Sauerstoff

2C +2 O + O 2 \u003d 2C +4 O 2

2) mit Metalloxiden

C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O 2

3) mit Chlor (im Licht)

CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (Phosgen)

4) reagiert mit Alkalischmelzen (unter Druck)

CO + NaOH = HCOONa (Natriumformiat)

5) bildet mit Übergangsmetallen Carbonyle

Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5

Kohlenmonoxid (IV) CO2

Kohlendioxid, farblos, geruchlos, Löslichkeit in Wasser - 0,9 V CO 2 löst sich in 1 V H 2 O (unter Normalbedingungen); schwerer als Luft; t°pl. = –78,5°C (festes CO 2 wird „Trockeneis“ genannt); unterstützt die Verbrennung nicht.

Kassenbon

1. Thermische Zersetzung von Salzen der Kohlensäure (Carbonate). Kalksteinbrand:

CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2

1. Die Wirkung starker Säuren auf Carbonate und Bicarbonate:

CaCO 3 + 2 HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2

ChemischEigenschaftenCO2
Säureoxid: reagiert mit basischen Oxiden und Basen zu Kohlensäuresalzen

Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 \u003d NaHCO 3

Bei erhöhte Temperatur kann oxidierende Eigenschaften aufweisen

C +4 O 2 + 2 Mg - t ° \u003d 2 Mg +2 O + C 0

Qualitative Reaktion

Trübung von Kalkwasser:

Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 3 ¯ (weißer Niederschlag) + H 2 O

Es verschwindet, wenn CO 2 längere Zeit durch Kalkwasser geleitet wird, weil. unlösliches Calciumcarbonat wird in lösliches Bicarbonat umgewandelt:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2

Kohlensäure und ihreSalz

H2CO3 — Schwache Säure, existiert nur in wässriger Lösung:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Doppelbasis:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Saure Salze- Bicarbonate, Bicarbonate
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Mittlere Salze - Karbonate

Alle Eigenschaften von Säuren sind charakteristisch.

Carbonate und Bicarbonate können ineinander umgewandelt werden:

2NaHCO 3 - t ° \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d 2NaHCO 3

Metallcarbonate (außer Alkalimetalle) decarboxylieren beim Erhitzen unter Bildung eines Oxids:

CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2

Qualitative Reaktion- "Kochen" unter Einwirkung einer starken Säure:

Na 2 CO 3 + 2 HCl \u003d 2 NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

Karbide

Calciumcarbid:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

Acetylen wird freigesetzt, wenn Zink-, Cadmium-, Lanthan- und Cerkarbide mit Wasser reagieren:

2 LaC 2 + 6 H 2 O \u003d 2 La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C und Al 4 C 3 werden durch Wasser zu Methan zersetzt:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O \u003d 4 Al (OH) 3 \u003d 3 CH 4.

Titankarbide TiC, Wolfram W 2 C (harte Legierungen), Silizium SiC (Karborund - als Schleifmittel und Material für Heizkörper) werden in der Technologie verwendet.

Cyanide

erhalten durch Erhitzen von Soda in einer Atmosphäre aus Ammoniak und Kohlenmonoxid:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Blausäure HCN - wichtiges Produkt chemische Industrie, weit verbreitet in der organischen Synthese. Sie Weltproduktion erreicht 200 Tausend Tonnen pro Jahr. Elektronische Struktur Cyanid-Anion, ähnlich wie Kohlenmonoxid (II), werden solche Partikel als isoelektronisch bezeichnet:

C = O:[:C = N:]-

Cyanide (0,1-0,2 % Wasserlösung) werden im Goldbergbau verwendet:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 \u003d 2 K + 2 KOH.

Wenn Cyanidlösungen mit Schwefel gekocht oder Feststoffe geschmolzen werden, Thiocyanate:
KCN + S = KSCN.

Wenn Cyanide von schwach aktiven Metallen erhitzt werden, wird Cyanid erhalten: Hg (CN) 2 \u003d Hg + (CN) 2. Cyanidlösungen werden dazu oxidiert Cyanate:

2KCN + O2 = 2KOCN.

Cyansäure existiert in zwei Formen:

H-N=C=O; H-O-C = N:

1828 erhielt Friedrich Wöhler (1800-1882) Harnstoff aus Ammoniumcyanat: NH 4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 durch Verdampfen einer wässrigen Lösung.

Dieses Ereignis wird gewöhnlich als Sieg der synthetischen Chemie über die „vitalistische Theorie“ angesehen.

Es gibt ein Isomer der Cyansäure - Fulminsäure

H-O-N=C.
Seine Salze (Quecksilberfulminat Hg(ONC) 2) werden in Schlagzündern verwendet.

Synthese Harnstoff(Harnstoff):

CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O. Bei 130 0 C und 100 atm.

Harnstoff ist ein Amid der Kohlensäure, es gibt auch sein "Stickstoffanalogon" - Guanidin.

Karbonate

Die wichtigsten anorganischen Kohlenstoffverbindungen sind Salze der Kohlensäure (Carbonate). H 2 CO 3 ist eine schwache Säure (K 1 \u003d 1,3 · 10 -4; K 2 \u003d 5 · 10 -11). Carbonatpuffer unterstützt Kohlendioxidbilanz in der Atmosphäre. Die Ozeane haben eine enorme Pufferkapazität, weil sie ein offenes System sind. Die Hauptpufferreaktion ist das Gleichgewicht während der Kohlensäuredissoziation:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

Bei abnehmendem Säuregehalt kommt es unter Bildung von Säure zu einer zusätzlichen Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

Mit zunehmendem Säuregehalt lösen sich Karbonatgesteine ​​​​(Muscheln, Kreide- und Kalksteinablagerungen im Ozean) auf; dies kompensiert den Verlust an Kohlenwasserstoffionen:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (tv.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Feste Carbonate werden in lösliche Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Es ist dieser Prozess des chemischen Auflösens von überschüssigem Kohlendioxid, der dem "Treibhauseffekt" entgegenwirkt - der globalen Erwärmung aufgrund der Absorption von Kohlendioxid. Wärmestrahlung Erde. Etwa ein Drittel der Weltproduktion an Soda (Natriumcarbonat Na 2 CO 3) wird für die Glasherstellung verwendet.