Jak vypadá karbon? Vlastnosti struktury atomu uhlíku
Uhlík (z latiny: carbo "uhlí") je chemický prvek se symbolem C a atomovým číslem 6. Pro vznik kovalentní chemické vazby, jsou k dispozici čtyři elektrony. Látka je nekovová a čtyřmocná. Přirozeně se vyskytují tři izotopy uhlíku, 12C a 13C jsou stabilní a 14C je rozkládající se radioaktivní izotop s poločasem rozpadu asi 5730 let. Uhlík je jedním z mála prvků známých již od starověku. Uhlík je 15. nejrozšířenějším prvkem zemská kůra a čtvrtý nejrozšířenější prvek ve vesmíru podle hmotnosti po vodíku, heliu a kyslíku. Množství uhlíku, jedinečná rozmanitost jeho organických sloučenin a jeho neobvyklá schopnost tvořit polymery při teplotách běžně se vyskytujících na Zemi umožňují tomuto prvku sloužit jako společný prvek pro všechny známé formy života. Je to druhý nejrozšířenější prvek v lidském těle podle hmotnosti (asi 18,5 %) po kyslíku. Atomy uhlíku se mohou vázat různými způsoby, zatímco se nazývají allotropy uhlíku. Nejznámější allotropy jsou grafit, diamant a amorfní uhlík. Fyzikální vlastnosti uhlíku se značně liší v závislosti na alotropní formě. Například grafit je neprůhledný a černý, zatímco diamant je velmi průhledný. Grafit je dostatečně měkký, aby vytvořil pruh na papíře (odtud jeho název, z řeckého slovesa „γράφειν“ znamená „psát“), zatímco diamant je nejtvrdší materiál známý v přírodě. Grafit je dobrý elektrický vodič, zatímco diamant má nízkou elektrickou vodivost. Za normálních podmínek mají diamant, uhlíkové nanotrubice a grafen nejvyšší tepelnou vodivost ze všech známých materiálů. Všechny uhlíkové allotropy jsou za normálních podmínek pevné látky, přičemž grafit je termodynamicky nejstabilnější formou. Jsou chemicky stabilní a vyžadují vysoké teploty, aby reagovaly i s kyslíkem. Nejběžnější oxidační stav uhlíku v anorganických sloučeninách je +4 a +2 v karboxylových komplexech oxidu uhelnatého a přechodného kovu. Největšími zdroji anorganického uhlíku jsou vápence, dolomity a oxid uhličitý, ale významné množství pochází z organických ložisek uhlí, rašeliny, ropy a metanových klatrátů. Formy uhlíku velké množství sloučenin, více než kterýkoli jiný prvek, s téměř deseti miliony dosud popsaných sloučenin, a přesto je toto číslo pouze zlomkem počtu teoreticky možných sloučenin za standardních podmínek. Z tohoto důvodu je uhlík často označován jako „král prvků“.
Charakteristika
Mezi allotropy uhlíku patří grafit, jedna z nejměkčích známých látek, a diamant, nejtvrdší přírodní látka. Uhlík se snadno váže na jiné malé atomy, včetně jiných atomů uhlíku, a je schopen tvořit četné stabilní kovalentní vazby s vhodnými vícevaznými atomy. Je známo, že uhlík tvoří téměř deset milionů různých sloučenin, drtivou většinu ze všech chemické sloučeniny. Uhlík má také nejvyšší bod sublimace ze všech prvků. Při atmosférickém tlaku nemá bod tání, protože jeho trojný bod je 10,8 ± 0,2 MPa a 4600 ± 300 K (~4330 °C nebo 7820 °F), takže sublimuje při teplotě asi 3900 K. Grafit je mnohem reaktivnější než diamant pod standardní podmínky, přestože je termodynamicky stabilnější, protože jeho delokalizovaný pí systém je mnohem zranitelnější vůči útoku. Například grafit lze oxidovat horkou koncentrovanou kyselinou dusičnou za standardních podmínek na kyselinu mellitovou C6(CO2H)6, která si zachovává hexagonální jednotky grafitu, když je větší struktura zničena. Uhlík je sublimován v uhlíkovém oblouku, což je asi 5800 K (5530 °C, 9980 °F). Bez ohledu na svou alotropní formu tedy uhlík zůstává pevný při vyšších teplotách, než jsou nejvyšší body tání, jako je wolfram nebo rhenium. Přestože je uhlík termodynamicky náchylný k oxidaci, je vůči oxidaci odolnější než prvky jako železo a měď, které jsou při pokojové teplotě slabšími redukčními činidly. Uhlík je šestý prvek se základní elektronovou konfigurací 1s22s22p2, z nichž čtyři vnější elektrony jsou valenční elektrony. Jeho první čtyři ionizační energie jsou 1086,5, 2352,6, 4620,5 a 6222,7 kJ/mol, mnohem vyšší než u těžších prvků skupiny 14. Elektronegativita uhlíku je 2,5, což je výrazně vyšší hodnota než u těžších prvků skupiny 14 (1,8-1,9), ale má blízko k většině sousedních nekovů, stejně jako k některým přechodným kovům druhé a třetí řady. Kovalentní poloměry uhlíku jsou obvykle brány jako 77,2 pm (C-C), 66,7 pm (C=C) a 60,3 pm (C≡C), ačkoli se mohou lišit v závislosti na koordinačním čísle a na tom, s čím je spojeno. Obecně se kovalentní poloměr zmenšuje s tím, jak klesá koordinační číslo a zvyšuje se pořadí vazeb. Sloučeniny uhlíku tvoří základ všech známých forem života na Zemi a cyklus uhlík-dusík poskytuje část energie uvolňované Sluncem a jinými hvězdami. Ačkoli uhlík tvoří neobyčejnou rozmanitost sloučenin, většina forem uhlíku je za normálních podmínek poměrně nereaktivní. Při standardních teplotách a tlacích karbon odolá všem oxidantům kromě nejsilnějších. Nereaguje s kyselinou sírovou, kyselina chlorovodíková chlór nebo alkálie. Při zvýšených teplotách uhlík reaguje s kyslíkem za vzniku oxidů uhlíku a odstraňuje kyslík z oxidů kovů, přičemž zanechává elementární kov. Tato exotermická reakce se používá v ocelářském průmyslu k tavení železa a řízení obsahu uhlíku v oceli:
Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)
se sírou za vzniku sirouhlíku a s párou při reakci uhelný plyn:
C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)
Uhlík se spojuje s některými kovy při vysokých teplotách za vzniku kovových karbidů, jako je karbid železa cementit v oceli a karbid wolframu, široce používaný jako brusivo a pro výrobu tvrdých hrotů pro řezné nástroje. Systém uhlíkových allotropů pokrývá řadu extrémů:
Některé typy grafitu se používají pro tepelnou izolaci (jako jsou protipožární bariéry a tepelné štíty), ale některé jiné formy jsou dobrými tepelnými vodiči. Diamant je nejznámější přírodní tepelný vodič. Grafit je neprůhledný. Diamant je velmi průhledný. Grafit krystalizuje v hexagonální soustavě. Diamant krystalizuje v kubické soustavě. Amorfní uhlík je zcela izotropní. Uhlíkové nanotrubice patří mezi nejznámější anizotropní materiály.
Alotropy uhlíku
Atomový uhlík je druh s velmi krátkou životností, a proto je uhlík stabilizován v různých polyatomárních strukturách s různými molekulárními konfiguracemi nazývanými allotropy. Tři relativně dobře známé alotropy uhlíku jsou amorfní uhlík, grafit a diamant. Dříve považovány za exotické, fullereny jsou nyní běžně syntetizovány a používány ve výzkumu; zahrnují buckyballs, uhlíkové nanotrubice, uhlíkové nanotečky a nanovlákna. Bylo také objeveno několik dalších exotických alotropů, jako je lonsaletit, skelný uhlík, uhlíkové nanofaum a lineární acetylenický uhlík (karbina). Od roku 2009 je grafen považován za nejpevnější materiál, jaký byl kdy testován. Proces jeho oddělování od grafitu bude vyžadovat určitý další technologický vývoj, než se stane ekonomickým pro průmyslové procesy. Pokud by se to povedlo, grafen by se dal použít na stavbu vesmírných výtahů. Může být také použit k bezpečnému skladování vodíku pro použití ve vozidlech na bázi vodíku ve vozidlech. Amorfní forma je soubor atomů uhlíku v nekrystalickém, nepravidelném, sklovitém stavu, který není obsažen v krystalické makrostruktuře. Je přítomen v práškové formě a je hlavní složkou látek, jako je dřevěné uhlí, lampové saze (saze) a aktivní uhlí. Za normálního tlaku má uhlík formu grafitu, ve kterém je každý atom trigonálně vázán třemi dalšími atomy v rovině složené z kondenzovaných šestiúhelníkových kruhů, jako u aromatických uhlovodíků. Výsledná síť je dvourozměrná a výsledné ploché plechy jsou složeny a volně spojeny slabými van der Waalsovými silami. To dává grafitu jeho měkkost a štěpnost (listy po sobě snadno klouzají). Kvůli delokalizaci jednoho z vnějších elektronů každého atomu za vzniku π oblaku vede grafit elektřinu, ale pouze v rovině každého kovalentně vázaného listu. To má za následek nižší elektrickou vodivost uhlíku než u většiny kovů. Delokalizace také vysvětluje energetickou stabilitu grafitu oproti diamantu při pokojové teplotě. Při velmi vysokých tlacích tvoří uhlík kompaktnější allotrop, diamant, který má téměř dvojnásobnou hustotu než grafit. Zde je každý atom čtyřstěnně spojen se čtyřmi dalšími a tvoří trojrozměrnou síť vrásčitých šestičlenných kruhů atomů. Diamant má stejnou krychlovou strukturu jako křemík a germanium a vzhledem k síle jeho vazeb uhlík-uhlík je to nejtvrdší přírodní látka měřená odolností proti poškrábání. Na rozdíl od všeobecného přesvědčení, že „diamanty jsou navždy“, jsou za normálních podmínek termodynamicky nestabilní a mění se v grafit. Díky vysoce energetické aktivační bariéře je přechod do grafitové formy za normální teploty tak pomalý, že není patrný. Za určitých podmínek uhlík krystalizuje jako lonsaleit, hexagonální krystalová mřížka se všemi kovalentními vázané atomy a vlastnosti podobné vlastnostem diamantu. Fullereny jsou syntetický krystalický útvar se strukturou podobnou grafitu, ale místo šestiúhelníků jsou fullereny složeny z pětiúhelníků (nebo i sedmiúhelníků) atomů uhlíku. Chybějící (nebo nadbytečné) atomy deformují listy na koule, elipsy nebo válce. Vlastnosti fullerenů (rozdělených na buckyballs, buckytubes a nanobad) dosud nebyly plně analyzovány a představují intenzivní oblast výzkumu nanomateriálů. Názvy „fulleren“ a „buckyball“ jsou spojeny se jménem Richarda Buckminstera Fullera, který popularizoval geodetické dómy připomínající strukturu fullerenů. Buckyballs jsou poměrně velké molekuly tvořené výhradně uhlíkovými vazbami trigonálně, tvořící sféroidy (nejznámější a nejjednodušší je C60 baksinisterfellerene s tvarem fotbalového míče). Uhlíkové nanotrubice jsou strukturálně podobné buckyballs, až na to, že každý atom je trigonálně spojen v zakřivené desce, která tvoří dutý válec. Nanobad byly poprvé představeny v roce 2007 a jsou to hybridní materiály (bubybally jsou kovalentně navázány na vnější stěnu nanotrubice), které spojují vlastnosti obou v jediné struktuře. Z dalších objevených alotropů je uhlíková nanopěna feromagnetický alotrop objevený v roce 1997. Skládá se ze seskupené sestavy atomů uhlíku s nízkou hustotou navlečených dohromady ve volné trojrozměrné síti, ve které jsou atomy trigonálně spojeny v šesti- a sedmičlenných kruzích. Patří mezi nejlehčí pevné látky s hustotou kolem 2 kg/m3. Podobně sklovitý uhlík obsahuje vysoký podíl uzavřené pórovitosti, ale na rozdíl od běžného grafitu nejsou grafitové vrstvy naskládány jako stránky v knize, ale jsou uspořádány více náhodně. Lineární acetylenický uhlík má chemickou strukturu - (C:::C) n-. Uhlík v této modifikaci je lineární s sp orbitální hybridizací a je to polymer se střídajícími se jednoduchými a trojnými vazbami. Tato karabina je velmi zajímavá pro nanotechnologie, protože její Youngův modul je čtyřicetkrát větší než u nejtvrdšího materiálu, diamantu. V roce 2015 tým z University of North Carolina oznámil vývoj dalšího allotropu, který nazvali Q-carbon, vytvořeného laserovým pulzem s nízkou dobou trvání a vysokou energií na amorfním uhlíkovém prachu. Uvádí se, že Q-uhlík vykazuje feromagnetismus, fluorescenci a má vyšší tvrdost než diamanty.
Prevalence
Uhlík je po vodíku, heliu a kyslíku čtvrtým nejrozšířenějším chemickým prvkem ve vesmíru. Uhlík je hojný ve Slunci, hvězdách, kometách a atmosférách většiny planet. Některé meteority obsahují mikroskopické diamanty, které vznikly, když byla sluneční soustava ještě protoplanetárním diskem. Mikroskopické diamanty se mohou také tvořit pod intenzivním tlakem a vysokou teplotou v místech dopadu meteoritů. V roce 2014 NASA oznámila aktualizovanou databázi pro sledování polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH) ve vesmíru. Více než 20 % uhlíku ve vesmíru může být spojeno s PAH, komplexními sloučeninami uhlíku a vodíku bez kyslíku. Tyto sloučeniny se objevují ve světové hypotéze PAH, kde pravděpodobně hrají roli v abiogenezi a utváření života. Vypadá to, že PAH vznikly „pár miliard let“ poté velký třesk, jsou rozšířené ve vesmíru a spojovány s novými hvězdami a exoplanetami. Odhaduje se, že tvrdá skořápka Země obsahuje celkem 730 ppm uhlíku, přičemž 2000 ppm v jádru a 120 ppm v kombinovaném plášti a kůře. Vzhledem k tomu, že hmotnost Země je 5,9 x 72 x 1024 kg, znamenalo by to 4360 milionů gigatun uhlíku. To je mnohem více než množství uhlíku v oceánech nebo atmosféře (níže). V kombinaci s kyslíkem v oxidu uhličitém se uhlík nachází v zemské atmosféře (přibližně 810 gigatun uhlíku) a je rozpuštěn ve všech vodních plochách (přibližně 36 000 gigatun uhlíku). V biosféře je asi 1900 gigatun uhlíku. Uhlovodíky (jako je uhlí, ropa a zemní plyn) také obsahují uhlík. "Zásoby" uhlí (spíše než "zdroje") jsou asi 900 gigatun s možná 18 000 Gt zdrojů. Zásoby ropy jsou asi 150 gigatun. Osvědčené zdroje zemní plyn jsou asi 175 1012 metrů krychlových (obsahujících asi 105 gigatun uhlíku), ale studie odhadují dalších 900 1012 metrů krychlových „nekonvenčních“ ložisek, jako je břidlicový plyn, což je asi 540 gigatun uhlíku. Uhlík byl také nalezen v hydrátech metanu v polárních oblastech a pod mořem. Podle různých odhadů je množství tohoto uhlíku 500, 2500 Gt nebo 3000 Gt. V minulosti bylo množství uhlovodíků větší. Podle jednoho zdroje se mezi lety 1751 a 2008 uvolnilo do atmosféry asi 347 gigatun uhlíku jako oxid uhličitý do atmosféry ze spalování fosilních paliv. Jiný zdroj přidává množství přidané do atmosféry mezi 1750 až 879 Gt a celkové množství v atmosféře, moři a zemi (jako jsou rašeliniště) je téměř 2000 Gt. Uhlík je součástí (12 % hm.) velmi velkých mas karbonátových hornin (vápenec, dolomit, mramor atd.). Uhlí obsahuje velmi vysoké množství uhlíku (antracit obsahuje 92–98 % uhlíku) a je největším komerčním zdrojem minerálního uhlíku, který představuje 4 000 gigatun neboli 80 % fosilních paliv. Pokud jde o jednotlivé uhlíkové allotropy, grafit se nachází ve velkém množství ve Spojených státech amerických (hlavně v New Yorku a Texasu), Rusku, Mexiku, Grónsku a Indii. Přírodní diamanty se nacházejí v horninovém kimberlitu obsaženém ve starověkých vulkanických „krcích“ nebo „trubkách“. Nejvíce diamantových nalezišť se nachází v Africe, zejména v Jižní Africe, Namibii, Botswaně, Konžské republice a Sieře Leone. Naleziště diamantů byla také nalezena v Arkansasu v Kanadě, Ruská Arktida, Brazílii a severní a západní Austrálii. Nyní jsou diamanty získávány také ze dna oceánu na Mysu Dobré naděje. Diamanty se vyskytují přirozeně, ale nyní se vyrábí asi 30 % všech průmyslových diamantů používaných v USA. Uhlík-14 se tvoří v horní troposféře a stratosféře ve výškách 9-15 km reakcí, která je ukládána kosmickým zářením. Vznikají tepelné neutrony, které se srazí s jádry dusíku-14 za vzniku uhlíku-14 a protonu. 1,2 × 1010 % atmosférického oxidu uhličitého tedy obsahuje uhlík-14. Asteroidy bohaté na uhlík jsou relativně dominantní ve vnějších částech pásu asteroidů v naší sluneční soustavě. Tyto asteroidy zatím vědci přímo neprozkoumali. Asteroidy by mohly být použity při hypotetické vesmírné těžbě uhlí, což by v budoucnu mohlo být možné, ale v současnosti je to technologicky nemožné.
Izotopy uhlíku
Izotopy uhlíku jsou atomová jádra, která obsahují šest protonů plus určitý počet neutronů (od 2 do 16). Uhlík má dva stabilní přirozeně se vyskytující izotopy. Izotop uhlík-12 (12C) tvoří 98,93 % uhlíku na Zemi a uhlík-13 (13C) tvoří zbývajících 1,07 %. Koncentrace 12C se v biologických materiálech ještě více zvyšuje, protože biochemické reakce diskriminují 13C. V roce 1961 přijala Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie (IUPAC) izotopový uhlík-12 jako základ pro atomové hmotnosti. Identifikace uhlíku v experimentech s nukleární magnetickou rezonancí (NMR) se provádí s izotopem 13C. Uhlík-14 (14C) je přírodní radioizotop vytvořený v horních vrstvách atmosféry (spodní stratosféře a horní troposféře) interakcí dusíku s kosmickým zářením. Na Zemi se vyskytuje ve stopových množstvích až 1 díl na bilion (0,0000000001 %), především v atmosféře a povrchových sedimentech, zejména rašelině a dalších organických materiálech. Tento izotop se rozpadá během 0,158 MeV β-emise. Vzhledem k relativně krátkému poločasu rozpadu 5730 let se 14C ve starých horninách prakticky nevyskytuje. V atmosféře a v živých organismech je množství 14C téměř konstantní, ale v organismech po smrti klesá. Tento princip se používá při radiokarbonovém datování, vynalezeném v roce 1949, které bylo široce používáno ke stárnutí uhlíkatých materiálů starých až 40 000 let. Existuje 15 známých izotopů uhlíku a nejkratší životnost z nich je 8C, který se rozkládá emisí protonů a alfa rozpadem a má poločas rozpadu 1,98739 × 10-21 s. Exotický 19C vykazuje jaderné halo, což znamená, že jeho poloměr je výrazně větší, než jaký by se očekával, kdyby jádro bylo sférou konstantní hustoty.
Vzdělávání ve hvězdách
Formace atomové jádro uhlík vyžaduje téměř současnou trojitou srážku částic alfa (jádra helia) uvnitř jádra obří nebo veleobří hvězdy, která je známá jako proces trojitého alfa, protože produkty dalších reakcí jaderné fúze helia s vodíkem nebo jiným jádrem helia produkují lithium-5 a berylium-8, oba jsou vysoce nestabilní a téměř okamžitě se rozpadají zpět na menší jádra. K tomu dochází při teplotách nad 100 megacalvinů a koncentracích helia, což je za podmínek rychlé expanze a ochlazování nepřijatelné. raný vesmír, a proto během Velkého třesku nevzniklo žádné významné množství uhlíku. Podle moderní teorie fyzikální kosmologie, uhlík vzniká uvnitř hvězd v horizontální větvi srážkou a přeměnou tří jader helia. Když tyto hvězdy zemřou v supernově, uhlík je rozptýlen do vesmíru jako prach. Tento prach se stává základním materiálem pro formování hvězdných systémů druhé nebo třetí generace s narostlými planetami. Sluneční Soustava je jeden takový hvězdný systém s množstvím uhlíku, který umožňuje existenci života, jak ho známe. Cyklus CNO je další fúzní mechanismus, který pohání hvězdy, kde uhlík působí jako katalyzátor. Rotační přechody různých izotopových forem oxidu uhelnatého (například 12CO, 13CO a 18CO) jsou detekovány v submilimetrovém rozsahu vlnových délek a používají se při studiu nově vznikajících hvězd v molekulárních mračnech.
uhlíkový cyklus
V pozemských podmínkách je přeměna jednoho prvku na druhý velmi vzácným jevem. Proto je množství uhlíku na Zemi prakticky konstantní. V procesech, které využívají uhlík, se tedy musí odněkud získat a jinde zlikvidovat. Uhlíkové dráhy životní prostředí tvoří uhlíkový cyklus. Například fotosyntetické rostliny extrahují oxid uhličitý z atmosféry (nebo mořské vody) a zabudovávají jej do biomasy, jako v Calvinově cyklu, procesu fixace uhlíku. Část této biomasy sežerou zvířata, zatímco část uhlíku zvířata vydechnou jako oxid uhličitý. Cyklus uhlíku je mnohem složitější než tento krátký cyklus; například v oceánech je rozpuštěno určité množství oxidu uhličitého; pokud jej bakterie neabsorbují, mrtvá rostlinná nebo živočišná hmota se může stát ropou nebo uhlím, které při spalování uvolňuje uhlík.
Sloučeniny uhlíku
Uhlík může tvořit velmi dlouhé řetězce vzájemně propojených vazeb uhlík-uhlík, což je vlastnost nazývaná tvorba řetězce. Vazby uhlík-uhlík jsou stabilní. Katanací (tvorbou řetězců) tvoří uhlík nesčetné množství sloučenin. Hodnocení unikátních sloučenin ukazuje, že více z nich obsahuje uhlík. Podobné tvrzení lze učinit pro vodík, protože většina organických sloučenin také obsahuje vodík. Nejjednodušší formou organické molekuly je uhlovodík, velká rodina organických molekul, které se skládají z atomů vodíku vázaných na řetězec atomů uhlíku. Délka řetězce, postranní řetězce a funkční skupiny ovlivňují vlastnosti organických molekul. Uhlík se nachází v každé formě známého organického života a je základem organické chemie. V kombinaci s vodíkem tvoří uhlík různé uhlovodíky, které jsou důležité pro průmysl jako chladiva, maziva, rozpouštědla, jako chemické suroviny pro výrobu plastů a ropných produktů a jako fosilní paliva. V kombinaci s kyslíkem a vodíkem může uhlík tvořit mnoho skupin důležitých biologických sloučenin, včetně cukrů, lignanů, chitinů, alkoholů, tuků a aromatických esterů, karotenoidů a terpenů. Uhlík tvoří s dusíkem alkaloidy a s přídavkem síry také antibiotika, aminokyseliny a pryžové produkty. S přidáním fosforu k těmto dalším prvkům tvoří DNA a RNA, nositele chemického kódu života, a adenosintrifosfát (ATP), nejdůležitější molekulu transportu energie ve všech živých buňkách.
anorganické sloučeniny
Obvykle se sloučeniny obsahující uhlík, které jsou spojeny s minerály nebo které neobsahují vodík nebo fluor, zpracovávají odděleně od klasických organických sloučenin; tato definice není striktní. Mezi nimi jsou jednoduché oxidy uhlíku. Nejznámějším oxidem je oxid uhličitý (CO2). Tato hmota, kdysi hlavní složkou paleoatmosféry, je dnes vedlejší složkou zemské atmosféry. Po rozpuštění ve vodě tvoří tato látka kyselinu uhličitou (H2CO3), ale jako většina sloučenin s několika jednoduchými vázanými kyslíky na jednom uhlíku je nestabilní. Prostřednictvím tohoto meziproduktu se však tvoří rezonanční stabilizované uhličitanové ionty. Některé důležité minerály jsou uhličitany, zejména kalcit. Sirouhlík (CS2) je podobný. Dalším běžným oxidem je oxid uhelnatý (CO). Vzniká při nedokonalém spalování a je to bezbarvý plyn bez zápachu. Každá molekula obsahuje trojnou vazbu a je poměrně polární, což vede k tomu, že se neustále váže na molekuly hemoglobinu a vytlačuje kyslík, který má nižší vazebnou afinitu. Kyanid (CN-) má podobnou strukturu, ale chová se jako halogenidový iont (pseudohalogen). Může například tvořit molekulu nitridu kyanogenu (CN) 2 podobnou halogenidům rozsivek. Dalšími neobvyklými oxidy jsou suboxid uhlíku (C3O2), nestabilní oxid uhelnatý (C2O), oxid uhličitý (CO3), cyklopentanpepton (C5O5), cyklohexanhexon (C6O6) a anhydrid kyseliny mellitové (C12O9). S reaktivními kovy, jako je wolfram, uhlík tvoří buď karbidy (C4-) nebo acetylidy (C2-2) za vzniku slitin s vysokými teplotami tání. Tyto anionty jsou také spojeny s metanem a acetylenem, což jsou oba velmi slabé kyseliny. Při elektronegativitě 2,5 uhlík dává přednost tvorbě kovalentních vazeb. Několik karbidů jsou kovalentní mřížky, jako je karborundum (SiC), které se podobá diamantu. Avšak ani ty nejpolární karbidy a karbidy podobné soli nejsou plně iontové sloučeniny.
Organokovové sloučeniny
Organokovové sloučeniny podle definice obsahují alespoň jednu vazbu uhlík-kov. Existuje široká škála takových sloučenin; hlavní třídy zahrnují jednoduché alkylkovové sloučeniny (např. tetraethylelid), η2-alkenové sloučeniny (např. Zeise sůl) a η3-allylové sloučeniny (např. dimer allylpalladium chloridu); metaloceny obsahující cyklopentadienylové ligandy (např. ferrocen); a karbenové komplexy přechodných kovů. Existuje mnoho karbonylů kovů (například tetrakarbonyl niklu); někteří pracovníci věří, že ligand oxidu uhelnatého je čistě anorganická, nikoli organokovová sloučenina. Zatímco se předpokládá, že uhlík tvoří výhradně čtyři vazby, byla popsána zajímavá sloučenina obsahující oktaedrický atom uhlíku s hexakoordinací. Kationt této sloučeniny je 2+. Tento jev se vysvětluje aurofilitou zlatých ligandů. V roce 2016 bylo potvrzeno, že hexamethylbenzen obsahuje atom uhlíku se šesti vazbami namísto obvyklých čtyř.
Historie a etymologie
Anglický název uhlík (carbon) pochází z latinského carbo, což znamená „dřevěné uhlí“ a „dřevěné uhlí“, odtud francouzské slovo charbon, které znamená „dřevěné uhlí“. Německé, nizozemské a dánské názvy uhlíku jsou Kohlenstoff, koolstof a kulstof, všechny doslova znamenají uhelnou látku. Uhlík byl objeven v prehistorických dobách a byl znám ve formě sazí a dřevěného uhlí již v nejstarších lidských civilizacích. Diamanty byly známy pravděpodobně již 2500 let před naším letopočtem. v Číně a uhlík ve formě dřevěného uhlí byl vyroben v římských dobách stejnou chemií jako dnes, zahříváním dřeva v jílem pokryté pyramidě, aby se vyloučil vzduch. V roce 1722 René Antoine Ferhot de Réamour prokázal, že železo se přeměňuje na ocel absorpcí nějaké látky dnes známé jako uhlík. V roce 1772 Antoine Lavoisier ukázal, že diamanty jsou formou uhlíku; když spálil vzorky dřevěného uhlí a diamantu a zjistil, že ani jeden neprodukuje žádnou vodu a že obě látky uvolňují stejné množství oxidu uhličitého na gram. V roce 1779 Carl Wilhelm Scheele ukázal, že grafit, považovaný za formu olova, byl místo toho identický s dřevěným uhlím, ale s malým množstvím železa, a že při oxidaci kyselinou dusičnou produkoval „vzdušnou kyselinu“ (což je oxid uhličitý). . V roce 1786 francouzští vědci Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge a C. A. Vandermonde potvrdili, že grafit je v podstatě uhlík, tím, že jej oxidovali v kyslíku v podstatě stejným způsobem, jako to udělal Lavoisier s diamantem. Zůstalo opět nějaké železo, které bylo podle francouzských vědců nezbytné pro strukturu grafitu. Ve své publikaci navrhli název uhlík (latinsky carbonum) pro prvek v grafitu, který se uvolnil jako plyn při spalování grafitu. Antoine Lavoisier pak ve své učebnici z roku 1789 uvedl uhlík jako prvek. Nový allotrop uhlíku, fulleren, který byl objeven v roce 1985, zahrnuje nanostrukturované formy, jako jsou buckyballs a nanotrubice. Jejich objevitelé - Robert Curl, Harold Kroto a Richard Smalley - obdrželi v roce 1996 Nobelovu cenu za chemii. Výsledný obnovený zájem o nové formy vede k objevu dalších exotických alotropů, včetně skelného uhlíku, a zjištění, že „amorfní uhlík“ není striktně amorfní.
Výroba
Grafit
Komerčně životaschopná ložiska přírodního grafitu se vyskytují v mnoha částech světa, ale nejvíce ekonomicky důležité zdroje se sídlem v Číně, Indii, Brazílii a Severní Korea. Ložiska grafitu jsou metamorfního původu, nacházejí se ve spojení s křemenem, slídou a živci v břidlicích, rulách a metamorfovaných pískovcích a vápencích ve formě čoček nebo žil, někdy o mocnosti několika metrů nebo více. Zásoby grafitu v Borrowdale, Cumberland, Anglie byly na počátku dostatečné velikosti a čistoty, takže až do 19. století se tužky vyráběly jednoduše řezáním bloků přírodního grafitu na pásy před vložením pásů do dřeva. Menší ložiska grafitu se dnes získávají drcením matečné horniny a plavením lehčího grafitu na vodě. Existují tři druhy přírodního grafitu – amorfní, vločkový nebo krystalický. Amorfní grafit je nejméně kvalitní a je nejrozšířenější. Na rozdíl od vědy se v průmyslu "amorfní" vztahuje spíše k velmi malé velikosti krystalů než k úplnému nedostatku krystalické struktury. Slovo „amorfní“ se používá k označení výrobků s nízkým množstvím grafitu a je nejlevnějším grafitem. Velká ložiska amorfního grafitu se nacházejí v Číně, Evropě, Mexiku a USA. Planární grafit je méně běžný a kvalitnější než amorfní; vypadá jako samostatné desky, které krystalizují v metamorfovaných horninách. Cena granulovaného grafitu může být čtyřikrát vyšší než cena amorfního. Vločkový grafit dobré kvality lze zpracovat na expandovatelný grafit pro mnoho aplikací, jako jsou retardéry hoření. Primární ložiska grafitu se nacházejí v Rakousku, Brazílii, Kanadě, Číně, Německu a na Madagaskaru. Tekutý neboli kusový grafit je nejvzácnější, nejcennější a nejkvalitnější druh přírodního grafitu. Nachází se v žilách podél rušivých kontaktů v tvrdých hrudkách a komerčně se těží pouze na Srí Lance. Podle USGS byla celosvětová produkce přírodního grafitu v roce 2010 1,1 milionu tun, přičemž Čína vyprodukovala 800 000 tun, Indie 130 000 tun, Brazílie 76 000 tun, Severní Korea 30 000 tun a Kanada 25 000 tun. Ve Spojených státech se přírodní grafit netěžil státech, ale v roce 2009 bylo vytěženo 118 000 tun syntetického grafitu s odhadovanými náklady 998 milionů dolarů.
diamant
Dodávku diamantů kontroluje omezený počet podniků a je také vysoce koncentrovaná v malém počtu míst po celém světě. Pouze velmi malý podíl diamantové rudy tvoří pravé diamanty. Ruda se drtí, při čemž je třeba dbát na to, aby se při tomto procesu nezničily velké diamanty, a poté se částice třídí podle hustoty. Dnes se diamanty těží ve frakci bohaté na diamanty pomocí rentgenové fluorescence, po které se konečné kroky třídění provádějí ručně. Před rozšířením používání rentgenových paprsků se separace prováděla pomocí mazacích pásek; je známo, že diamanty byly nalezeny pouze v aluviálních ložiscích v jižní Indii. Je známo, že diamanty s větší pravděpodobností ulpívají na hmotě než jiné minerály v rudě. Indie byla lídrem v produkci diamantů od jejich objevení kolem 9. století př. n. l. až do poloviny 18. století našeho letopočtu, ale komerční potenciál těchto zdrojů byl vyčerpán koncem 18. století, kdy byla Indie zaplavena Brazílie, kde byly v roce 1725 nalezeny první diamanty. Diamantová produkce primárních ložisek (kimberlitů a lamproitů) začala až v 70. letech 19. století, po objevení diamantových ložisek v Jižní Africe. Produkce diamantů se postupem času zvýšila a od tohoto data se nashromáždilo pouze 4,5 miliardy karátů. Jen za posledních 5 let bylo vytěženo asi 20 % z tohoto množství a za posledních deset let zahájilo těžbu 9 nových ložisek a 4 další čekají na brzké objevení. Většina těchto ložisek se nachází v Kanadě, Zimbabwe, Angole a jedno v Rusku. Ve Spojených státech byly diamanty objeveny v Arkansasu, Coloradu a Montaně. V roce 2004 vedl překvapivý objev mikroskopického diamantu ve Spojených státech k vydání hromadného odběru vzorků kimberlitových dýmek v lednu 2008 v odlehlé části Montany. Dnes je většina komerčně životaschopných diamantových ložisek v Rusku, Botswaně, Austrálii a demokratická republika Kongo. V roce 2005 Rusko produkovalo téměř jednu pětinu světové nabídky diamantů, podle Britské geologické služby. V Austrálii dosáhla nejbohatší diamantová dýmka v 90. letech 20. století nejvyšší úrovně produkce 42 metrických tun (41 tun, 46 malých tun) ročně. Existují také komerční ložiska, která se aktivně těží na severozápadních územích Kanady, na Sibiři (hlavně v Jakutsku, například v Mir Pipe a Udachnaya Pipe), v Brazílii a také v severní a západní Austrálii.
Aplikace
Uhlík je nezbytný pro všechny známé živé systémy. Bez něj nemůže existovat život, jak ho známe. Hlavním ekonomickým využitím uhlíku kromě potravin a dřeva jsou uhlovodíky, především fosilní paliva, metan a ropa. Surovou ropu zpracovávají rafinérie na benzin, petrolej a další produkty. Celulóza je přirozeně se vyskytující polymer obsahující uhlík produkovaný rostlinami ve formě dřeva, bavlny, lnu a konopí. Celulóza se používá především k udržení struktury rostlin. Komerčně cenné uhlíkové polymery na živočišné bázi zahrnují vlnu, kašmír a hedvábí. Plasty jsou vyrobeny ze syntetických uhlíkových polymerů, často s atomy kyslíku a dusíku začleněnými v pravidelných intervalech do hlavního řetězce polymeru. Surovina pro mnoho z těchto syntetických látek pochází ze surové ropy. Využití uhlíku a jeho sloučenin je nesmírně rozmanité. Uhlík může tvořit slitiny se železem, z nichž nejběžnější je uhlíková ocel. Grafit se kombinuje s jíly a tvoří „olovo“ používané v tužkách používaných pro psaní a kreslení. Používá se také jako mazivo a pigment jako formovací materiál při výrobě skla, v elektrodách pro suché baterie a pro galvanické pokovování a galvanoplastiku, v kartáčích pro elektromotory a jako moderátor neutronů v jaderných reaktorech. Dřevěné uhlí se používá jako materiál pro uměleckou výrobu, jako grilovací gril, pro tavení železa a pro mnoho dalších použití. Dřevo, uhlí a ropa se používají jako palivo pro výrobu energie a pro vytápění. Diamanty Vysoká kvalita se používají při výrobě šperků, zatímco průmyslové diamanty se používají k vrtání, řezání a leštění kovových a kamenných nástrojů. Plasty se vyrábějí z fosilních uhlovodíků a uhlíková vlákna, vyrobená pyrolýzou syntetických polyesterových vláken, se používají k vyztužení plastů na pokročilé, lehké kompozitní materiály. Uhlíkové vlákno se vyrábí pyrolýzou extrudovaných a dloužených vláken z polyakrylonitrilu (PAN) a dalších organických materiálů. Krystalová struktura a mechanické vlastnosti vlákna závisí na typu výchozího materiálu a následném zpracování. Uhlíková vlákna vyrobená z PAN mají strukturu připomínající úzká vlákna grafitu, ale tepelné zpracování může strukturu změnit na souvislou vrstvu. Díky tomu mají vlákna vyšší specifickou pevnost v tahu než ocel. Saze se používají jako černý pigment v tiskařských barvách, olejových barvách a vodových barvách pro umělce, uhlovém papíru, lemování automobilů, inkoustech a laserových tiskárnách. Saze se také používají jako plnivo v pryžových výrobcích, jako jsou pneumatiky a v plastových směsích. Aktivní uhlí se používá jako absorbent a adsorbent ve filtračních médiích v různých aplikacích, jako jsou plynové masky, úprava vody a digestoře, a v lékařství k absorpci toxinů, jedů nebo plynů z trávicího systému. Uhlík se používá při chemické redukci při vysokých teplotách. Koks se používá k redukci železné rudy v železe (tavení). Tuhnutí oceli se dosahuje zahřátím hotových ocelových součástí v uhlíkovém prášku. Karbidy křemíku, wolframu, boru a titanu patří mezi nejtvrdší materiály a používají se jako brusivo pro řezání a broušení. Uhlíkové sloučeniny tvoří většinu materiálů používaných v oděvech, jako jsou přírodní a syntetické textilie a kůže, a téměř všechny vnitřní povrchy v jiných prostředích než sklo, kámen a kov.
diamanty
Diamantový průmysl je rozdělen do dvou kategorií, jednou jsou vysoce kvalitní diamanty (drahokamy) a druhou jsou diamanty průmyslové kvality. Zatímco s oběma typy diamantů se hodně obchoduje, fungují tyto dva trhy zcela odlišně. Na rozdíl od drahých kovů, jako je zlato nebo platina, se s drahými kameny neobchoduje jako s komoditou: na prodeji diamantů je značná přirážka a trh s diamanty není příliš aktivní. Průmyslové diamanty jsou ceněny především pro svou tvrdost a tepelnou vodivost, zatímco gemologické kvality čirosti a barvy jsou do značné míry nepodstatné. Asi 80 % vytěžených diamantů (rovná se asi 100 milionům karátů nebo 20 tunám ročně) je nepoužitelných a používá se v průmyslu (diamantový šrot). Syntetické diamanty, vynalezené v 50. letech minulého století, byly nalezeny téměř okamžitě průmyslové aplikace; Ročně se vyrobí 3 miliardy karátů (600 tun) syntetických diamantů. Dominantním průmyslovým využitím diamantu je řezání, vrtání, broušení a leštění. Většina těchto aplikací nevyžaduje velké diamanty; ve skutečnosti většina diamantů jakosti drahokamů, s výjimkou diamantů malých rozměrů, může být použita v průmyslu. Diamanty se vkládají do špiček vrtáků nebo pilových listů nebo se brousí na prášek pro použití při broušení a leštění. Specializované aplikace zahrnují použití v laboratořích jako úložiště pro experimenty vysoký tlak, vysoce výkonná ložiska a omezené použití ve specializovaných boxech. Díky pokroku ve výrobě syntetických diamantů se stávají realizovatelné nové aplikace. Velká pozornost byla věnována možnému použití diamantu jako polovodiče vhodného pro mikročipy a kvůli jeho výjimečné tepelné vodivosti jako chladiče v elektronice.
UHLÍK, С, chemický prvek skupiny IV periodický systém, atomová hmotnost 12,00, pořadové číslo 6. Až donedávna se mělo za to, že uhlík nemá žádné izotopy; teprve nedávno byla pomocí zvláště citlivých metod objevena existence izotopu C 13. Uhlík je jedním z nejdůležitějších prvků, pokud jde o hojnost, hojnost a rozmanitost jeho sloučenin, biologický význam(jako organogen), rozsáhlostí technického využití uhlíku samotného a jeho sloučenin (jako suroviny i jako zdroje energie pro průmyslové a domácí potřeby) a konečně jeho úlohou ve vývoji chemické vědy. Uhlík ve volném stavu odhaluje výrazný fenomén alotropie, který je znám již více než půldruhého století, ale stále není zcela pochopen, a to jak kvůli extrémní obtížnosti získávání uhlíku v chemicky čisté formě, tak kvůli většině konstanty alotropních modifikací uhlíku se velmi liší v závislosti na morfologických vlastnostech jejich struktury, v důsledku způsobu a podmínek získávání.
Uhlík tvoří dvě krystalické formy – diamant a grafit a je znám i v amorfním stavu v podobě tzv. amorfní uhlí. Jeho individualita byla v důsledku nedávných studií sporná: uhlí bylo identifikováno s grafitem, přičemž oba byly považovány za morfologické odrůdy stejné formy - „černý uhlík“, a rozdíl v jejich vlastnostech byl vysvětlen fyzikální strukturou a stupněm disperze látky. Nicméně při samotném V poslední době byla získána fakta potvrzující existenci uhlí jako speciální alotropní formy (viz níže).
Přírodní zdroje a zásoby uhlíku. Pokud jde o hojnost v přírodě, uhlík zaujímá 10. místo mezi prvky, tvoří 0,013 % atmosféry, 0,0025 % hydrosféry a asi 0,35 % celé hmoty zemské kůry. Většina uhlíku je ve formě sloučenin kyslíku: atmosférický vzduch obsahuje ~800 miliard tun uhlíku ve formě oxidu CO 2 ; ve vodách oceánů a moří - až 50 000 miliard tun uhlíku ve formě CO 2, iontů kyseliny uhličité a hydrogenuhličitanů; v skály ax - nerozpustné uhličitany (vápník, hořčík a další kovy) a podíl jednoho CaCO 3 tvoří ~160·10 6 miliard tun uhlíku. Tyto kolosální zásoby však nepředstavují energetickou hodnotu; mnohem cennější jsou hořlavé uhlíkaté materiály - fosilní uhlí, rašelina, dále ropa, uhlovodíkové plyny a další přírodní bitumeny. Zásoba těchto látek v zemské kůře je také poměrně významná: celková hmotnost uhlíku ve fosilních uhlích dosahuje ~6000 miliard tun, v ropě ~10 miliard tun atd. Ve volném stavu je uhlík dosti vzácný (diamant a část grafitové látky). Fosilní uhlí obsahuje málo nebo žádný volný uhlík: skládají se z Ch. arr. z vysokomolekulárních (polycyklických) a velmi stabilních sloučenin uhlíku s dalšími prvky (H, O, N, S) jsou zatím velmi málo prozkoumány. Uhlíkaté sloučeniny živé přírody (biosféra zeměkoule), syntetizované v rostlinných a živočišných buňkách, se vyznačují mimořádnou rozmanitostí vlastností a množstvím složení; nejběžnější látky v rostlinném světě – vláknina a lignin – hrají roli i jako energetické zdroje.
Uhlík si v přírodě udržuje stálou distribuci díky nepřetržitému cyklu, jehož koloběh je tvořen syntézou složitých organických látek v rostlinných a živočišných buňkách a zpětným rozkladem těchto látek při jejich oxidativním rozkladu (spalování, rozpad, dýchání ), což vede k tvorbě CO 2 , který je znovu využíván rostlinami pro syntézu. Obecné schéma tohoto oběhu může být. prezentovány v následující podobě:
Získávání uhlíku. Uhlíkaté sloučeniny rostlinného a živočišného původu jsou nestabilní při vysokých teplotách a při zahřátí na alespoň 150-400 °C bez vzduchu se rozkládají, uvolňují vodu a těkavé sloučeniny uhlíku a zanechávají pevný netěkavý zbytek bohatý na uhlík a běžně nazývaný uhlí . Tento pyrolytický proces se nazývá zuhelnatění nebo suchá destilace a je široce používán ve strojírenství. Vysokoteplotní pyrolýza fosilního uhlí, ropy a rašeliny (při teplotě 450-1150°C) vede k uvolňování uhlíku ve formě grafitu (koks, retortové uhlí). Čím vyšší je teplota zuhelnatění výchozích materiálů, tím se výsledné uhlí nebo koks svým složením blíží volnému uhlíku a svými vlastnostmi grafitu.
Amorfní uhlí, které vzniká při teplotách pod 800 °C, nemůže být. považujeme jej za volný uhlík, protože obsahuje značné množství chemicky vázaných dalších prvků, Ch. arr. vodík a kyslík. Z technických produktů se amorfnímu uhlí svými vlastnostmi nejvíce blíží aktivní uhlí a saze. Nejčistší uhlí může být. získaný zuhelnatělým čistým cukrem nebo piperonalem, speciální úpravou sazí atd. Umělý grafit získaný elektrotermální cestou je svým složením téměř čistý uhlík. Přírodní grafit je vždy znečištěn minerálními nečistotami a obsahuje také určité množství vázaného vodíku (H) a kyslíku (O); v relativně čistém stavu může být. obdržel až poté speciální ošetření: mechanické obohacování, praní, úprava oxidačními činidly a kalcinace při vysoké teplotě až do úplného odstranění těkavých látek. Uhlíková technologie se nikdy nezabývá dokonale čistým uhlíkem; to platí nejen pro přírodní uhlíkové suroviny, ale i pro produkty jeho obohacování, rafinace a tepelného rozkladu (pyrolýzy). Níže je uveden obsah uhlíku v některých uhlíkatých materiálech (v %):
Fyzikální vlastnosti uhlíku. Volný uhlík je téměř úplně netavitelný, netěkavý a při běžné teplotě je nerozpustný v jakémkoli ze známých rozpouštědel. Rozpouští se pouze v určitých roztavených kovech, zejména při teplotách blížících se jejich bodu varu: v železe (do 5 %), stříbře (do 6 %) | ruthenium (až 4 %), kobalt, nikl, zlato a platina. V nepřítomnosti kyslíku je uhlík nejvíce žáruvzdorným materiálem; kapalný stav čistého uhlíku není znám a jeho přeměna na páru začíná až při teplotách nad 3000 °C. Proto bylo stanovení vlastností uhlíku provedeno výhradně pro pevný stav agregace. Z modifikací uhlíku má nejstálejší fyzikální vlastnosti diamant; vlastnosti grafitu v jeho různých vzorcích (i těch nejčistších) se značně liší; vlastnosti amorfního uhlí jsou ještě variabilnější. Nejdůležitější fyzikální konstanty různých modifikací uhlíku jsou porovnány v tabulce.
Diamant je typické dielektrikum, zatímco grafit a uhlík mají kovovou elektrickou vodivost. V absolutní hodnotě se jejich vodivost pohybuje ve velmi širokém rozmezí, ale u uhlí je vždy nižší než u grafitů; v grafitech se blíží vodivosti skutečných kovů. Tepelná kapacita všech modifikací uhlíku při teplotě >1000°C má tendenci ke konstantní hodnotě 0,47. Při teplotách pod -180°C se tepelná kapacita diamantu mizí a při -27°C se prakticky rovná nule.
Chemické vlastnosti uhlíku. Při zahřátí nad 1000°C se diamant i uhlí postupně přeměňují na grafit, který by proto měl být považován za nejstabilnější (při vysokých teplotách) monotropní formu uhlíku. Přeměna amorfního uhlíku na grafit zřejmě začíná asi při 800 °C a končí při 1100 °C (v tomto posledním bodě uhlí ztrácí svou adsorpční aktivitu a schopnost reaktivace a jeho elektrická vodivost se prudce zvyšuje a v budoucnu zůstane téměř konstantní) . Volný uhlík se vyznačuje inertností při běžných teplotách a významnou aktivitou při vysokých teplotách. Chemicky nejaktivnější je amorfní uhlík, nejodolnější je diamant. Například fluor reaguje s uhlím při 15 °C, s grafitem pouze při 500 °C a s diamantem při 700 °C. Při zahřátí na vzduchu začíná porézní uhlí oxidovat pod 100 °C, grafit při asi 650 °C a diamant nad 800 °C. Při teplotě 300 °C a výše se uhlí spojuje se sírou za vzniku sirouhlíku CS2. Při teplotách nad 1800 °C začíná uhlík (uhlí) interagovat s dusíkem a vytváří (v malých množstvích) kyanogen C 2 N 2 . Interakce uhlíku s vodíkem začíná při 1200°C a v teplotním rozmezí 1200-1500°C vzniká pouze metan CH 4; nad 1500 °C - směs methanu, ethylenu (C2H4) a acetylenu (C2H2); při teplotě asi 3000 °C se získává téměř výhradně acetylen. Při teplotě elektrického oblouku vstupuje uhlík do přímé kombinace s kovy, křemíkem a borem za vzniku odpovídajících karbidů. Přímé nebo nepřímé způsoby m. b. byly získány sloučeniny uhlíku se všemi známými prvky, kromě plynů nulové skupiny. Uhlík je nekovový prvek, který vykazuje určité známky amfoternosti. Atom uhlíku má průměr 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) a obsahuje vnější sféra 4 valenční elektrony, které lze stejně snadno rozdat nebo doplnit 8; proto je normální mocenství uhlíku, kyslíku i vodíku, čtyři. V naprosté většině jeho sloučenin je uhlík čtyřvazný; jen malé množství je známo sloučenin dvojmocného uhlíku (oxid uhelnatý a jeho acetaly, isonitrily, výbušná kyselina a její soli) a trojmocného uhlíku (tzv. „volný radikál“).
S kyslíkem tvoří uhlík dva normální oxidy: kyselý oxid uhličitý CO 2 a neutrální oxid uhelnatý CO. Kromě toho existuje řada suboxidy uhlíku obsahující více než 1 atom C, nemající žádný technický význam; z nich nejznámější je podoxidace složení C 3 O 2 (plyn s bodem varu +7 °C a bodem tání -111 °C). Prvním produktem spalování uhlíku a jeho sloučenin je CO 2, který vzniká podle rovnice:
C + O 2 \u003d CO 2 +97600 kal.
Vznik CO při nedokonalém spalování paliva je výsledkem sekundárního redukčního procesu; v tomto případě slouží jako redukční činidlo samotný uhlík, který reaguje s CO 2 při teplotách nad 450 °C podle rovnice:
C02 + C \u003d 2CO -38800 cal;
tato reakce je reverzibilní; nad 950 °C je přeměna CO 2 na CO téměř úplná, což se provádí v pecích na výrobu plynu. Energetická redukční schopnost uhlíku při vysokých teplotách se také využívá při výrobě vodního plynu (H 2 O + C \u003d CO + H 2 -28380 cal) a v metalurgických procesech - k získání volného kovu z jeho oxidu. Alotropní formy uhlíku jsou zpracovány odlišně od působení některých oxidačních činidel: např. směs KCIO 3 + HNO 3 neovlivňuje diamant vůbec, amorfní uhlí se jí zcela oxiduje na CO 2, zatímco grafit poskytuje sloučeniny aromatická řada - grafitové kyseliny s empirickým vzorcem (C 2 OH) x a dále kyselina mellitová C6(COOH)6. Sloučeniny uhlíku s vodíkem - uhlovodíky - jsou extrémně četné; z nich se geneticky vyrábí většina zbývajících organických sloučenin, mezi které kromě uhlíku patří nejčastěji H, O, N, S a halogenidy.
Výjimečná rozmanitost organických sloučenin, kterých je známo až 2 miliony, je způsobena určitými vlastnostmi uhlíku jako prvku. 1) Uhlík se vyznačuje pevností chemické vazby s většinou ostatních prvků, kovových i nekovových, díky čemuž s oběma tvoří poměrně stabilní sloučeniny. V kombinaci s jinými prvky je uhlík velmi málo náchylný k tvorbě iontů. Většina organických sloučenin je homeopolárního typu a za normálních podmínek nedisociuje; prasknutí intramolekulárních vazeb v nich často vyžaduje vynaložení značného množství energie. Při posuzování síly vazeb je však třeba rozlišovat; a) absolutní pevnost vazby, měřená termochemickými prostředky, a b) schopnost vazby rozbít se působením různých činidel; tyto dvě vlastnosti se ne vždy shodují. 2) Atomy uhlíku se mezi sebou vážou výjimečně snadno (nepolární), tvoří uhlíkové řetězce, otevřené nebo uzavřené. Délka takových řetězců se zdá být neomezená; jsou tedy známy zcela stabilní molekuly s otevřenými řetězci o 64 atomech uhlíku. Prodloužení a komplikace otevřených řetězů neovlivňuje pevnost spojení jejich článků mezi sebou nebo s jinými prvky. Mezi uzavřenými řetězci se nejsnáze tvoří 6- a 5-členné kruhy, ačkoli jsou známy prstencové řetězce obsahující 3 až 18 atomů uhlíku. Schopnost atomů uhlíku vzájemně se dobře propojovat vysvětluje speciální vlastnosti grafitu a mechanismus procesů zuhelnatění; objasňuje také skutečnost, že uhlík je neznámý ve formě dvouatomových molekul C2, což lze očekávat analogicky s jinými lehkými nekovovými prvky (ve formě páry se uhlík skládá z monoatomických molekul). 3) Vzhledem k nepolární povaze vazeb má mnoho uhlíkových sloučenin chemickou inertnost nejen vnější (pomalá odezva), ale také vnitřní (obtíže s intramolekulárním přeskupením). Přítomnost velkých „pasivních odporů“ značně komplikuje spontánní přeměnu nestabilních forem na stabilní, přičemž často snižuje rychlost takové přeměny na nulu. Výsledkem toho je možnost realizace velký počet izomerní formy, téměř stejně stabilní za běžné teploty.
Alotropie a atomová struktura uhlíku. Rentgenová analýza umožnila spolehlivě stanovit atomovou strukturu diamantu a grafitu. Stejná metoda výzkumu vrhla světlo na otázku existence třetí alotropní modifikace uhlíku, což je v podstatě otázka amorfismu nebo krystalinity uhlí: pokud je uhlí amorfní útvar, pak nemůže být. identifikován ani s grafitem, ani s diamantem, ale měl by být považován za speciální tvar uhlík jako samostatná jednoduchá látka. V diamantu jsou atomy uhlíku uspořádány tak, že každý atom leží ve středu čtyřstěnu, jehož vrcholy jsou 4 sousední atomy; každý z nich je zase středem dalšího takového čtyřstěnu; vzdálenosti mezi sousedními atomy jsou 1,54 Ᾰ (hrana elementární krychle krystalové mřížky je 3,55 Ᾰ). Tato struktura je nejkompaktnější; odpovídá vysoké tvrdosti, hustotě a chemické inertnosti diamantu (rovnoměrné rozložení valenčních sil). Vzájemná vazba atomů uhlíku v diamantové mřížce je stejná jako v molekulách většiny mastných organických sloučenin (tetraedrický model uhlíku). V krystalech grafitu jsou atomy uhlíku uspořádány v hustých vrstvách od sebe vzdálených 3,35-3,41 Ᾰ; směr těchto vrstev se shoduje s rovinami štěpení a skluzovými rovinami při mechanických deformacích. V rovině každé vrstvy tvoří atomy mřížku s šestihrannými buňkami (společnostmi); strana takového šestiúhelníku je 1,42-1,45 Ᾰ. V sousedních vrstvách šestiúhelníky neleží pod sebou: jejich vertikální shoda se opakuje až po 2 vrstvách ve třetí. Tři vazby každého atomu uhlíku leží ve stejné rovině a svírají úhly 120°; 4. vazba směřuje střídavě jedním nebo druhým směrem z roviny k atomům sousedních vrstev. Vzdálenosti mezi atomy ve vrstvě jsou striktně konstantní, zatímco vzdálenost mezi jednotlivými vrstvami může být změněno vnějšími vlivy: např. při lisování pod tlakem do 5000 atm klesá na 2,9 Ᾰ a při bobtnání grafitu v koncentrované HNO 3 se zvyšuje na 8 Ᾰ. V rovině jedné vrstvy jsou atomy uhlíku vázané homeopolárně (jako u uhlovodíkových řetězců), zatímco vazby mezi atomy sousedních vrstev jsou spíše kovové povahy; to je patrné ze skutečnosti, že elektrická vodivost krystalů grafitu ve směru kolmém k vrstvám je ~100krát vyšší než vodivost ve směru vrstvy. Že. grafit má v jednom směru vlastnosti kovu a ve druhém vlastnosti nekovu. Uspořádání atomů uhlíku v každé vrstvě grafitové mřížky je úplně stejné jako v molekulách komplexních aromatických sloučenin. Tato konfigurace dobře vysvětluje ostrou anizotropii grafitu, výjimečně vyvinuté štěpení, antifrikční vlastnosti a tvorbu aromatických sloučenin při jeho oxidaci. Amorfní modifikace černého uhlíku zjevně existuje jako nezávislá forma (O. Ruff). Pro ni je nejpravděpodobnější pěnová buněčná struktura, postrádající jakoukoli pravidelnost; stěny takových buněk jsou tvořeny vrstvami aktivních atomů uhlík asi 3 atomy tlusté. Účinná látka uhlí v praxi obvykle leží pod slupkou těsně rozmístěných neaktivních atomů uhlíku orientovaných jako grafit a je prostoupena vměstky velmi malých krystalitů grafitu. Pravděpodobně neexistuje jednoznačný bod přeměny uhlí → grafit: mezi oběma modifikacemi dochází k kontinuálnímu přechodu, při kterém se náhodně nahromaděná hmota C-atomů amorfního uhlí přeskupuje do pravidelné krystalové mřížky grafitu. Atomy uhlíku v amorfním uhlí vykazují díky svému náhodnému uspořádání maximum zbytkové afinity, která (podle Langmuirových představ o shodnosti adsorpčních sil s valenčními silami) odpovídá vysoké adsorpční a katalytické aktivitě tak charakteristické pro uhlí. Atomy uhlíku orientované v krystalové mřížce vynakládají veškerou svou afinitu (u diamantu) nebo většinu (v grafitu) na vzájemnou adhezi; to odpovídá snížení chemické aktivity a adsorpční aktivity. U diamantu je adsorpce možná pouze na povrchu monokrystalu, zatímco u grafitu se zbytková valence může objevit na obou površích každé ploché mřížky (v „mezerách“ mezi vrstvami atomů), což potvrzuje fakt, že grafit může bobtnat v kapalinách (HNO 3) a mechanismus její oxidace na kyselinu grafitovou.
Technický význam uhlíku. Pokud jde o b. nebo m. volného uhlíku získaného při procesech zuhelnatění a koksování, pak je jeho využití v technologii založeno jak na chemických (inertnost, redukční schopnost), tak na jeho fyzikálních vlastnostech (tepelná odolnost, elektrická vodivost, adsorpční kapacita). Koks a dřevěné uhlí se tedy kromě částečného přímého využití jako bezplamenné palivo používají k výrobě plynného paliva (generátorových plynů); v metalurgii železných a neželezných kovů - pro redukci oxidů kovů (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); v chemické technologii - jako redukční činidlo při výrobě sulfidů (Na, Ca, Ba) ze síranů, bezvodých chloridových solí (Mg, Al), z oxidů kovů, při výrobě rozpustného skla a fosforu - jako surovina pro výroba karbidu vápníku, karborunda a dalších karbidů sirouhlík atd.; ve stavebnictví - jako tepelně izolační materiál. Retortové uhlí a koks slouží jako materiál pro elektrody elektrických pecí, elektrolytických lázní a galvanických článků, pro výrobu obloukového uhlí, reostatů, sběrných kartáčů, tavicích kelímků atd. a také jako náplň do věžových chemických zařízení. Dřevěné uhlí se kromě výše uvedených aplikací používá k získávání koncentrovaného oxidu uhelnatého, kyanidových solí, pro nauhličování oceli, je široce používáno jako adsorbent, jako katalyzátor pro některé syntetické reakce a nakonec je součástí černého prachu a jiných výbušnin a pyrotechnické směsi.
Analytické stanovení uhlíku. Kvalitativně se uhlík zjišťuje zuhelnatěním vzorku látky bez přístupu vzduchu (což zdaleka není vhodné pro všechny látky) nebo, což je mnohem spolehlivější, vyčerpávající oxidací, např. kalcinací ve směsi s mědí. oxid, a vznik CO 2 se dokazuje běžnými reakcemi. Pro kvantifikaci uhlíku se vzorek látky spálí v kyslíkové atmosféře; výsledný C02 je zachycen alkalickým roztokem a stanoven hmotnostně nebo objemově běžnými metodami kvantitativní analýzy. Tato metoda je vhodná pro stanovení uhlíku nejen v organických sloučeninách a průmyslovém uhlí, ale i v kovech.
Struktura diamantu (A) a grafit (b)
Uhlík(Latinský carboneum) - C, chemický prvek IV skupiny periodického systému Mendělejeva, atomové číslo 6, atomová hmotnost 12,011. V přírodě se vyskytuje ve formě krystalů diamantu, grafitu či fullerenu a dalších forem a je součástí organických (uhlí, ropa, živočišné a rostlinné organismy aj.) i anorganických látek (vápenec, jedlá soda aj.). Uhlík je rozšířený, ale jeho obsah v zemské kůře je pouze 0,19 %.
Uhlík je široce používán ve formě jednoduché látky. Kromě drahých diamantů, které jsou předmětem šperků, velká důležitost mají průmyslové diamanty - pro výrobu brusných a řezných nástrojů. Dřevěné uhlí a další amorfní formy uhlíku se používají pro odbarvování, čištění, adsorpci plynů, v oblastech techniky, kde jsou vyžadovány adsorbenty s vyvinutým povrchem. Karbidy, sloučeniny uhlíku s kovy, ale i s borem a křemíkem (např. Al 4 C 3, SiC, B 4 C) jsou vysoce tvrdé a používají se k výrobě brusných a řezných nástrojů. Uhlík je v ocelích a slitinách přítomen v elementárním stavu a ve formě karbidů. Nasycení povrchu ocelových odlitků uhlíkem při vysoké teplotě (nauhličování) výrazně zvyšuje tvrdost povrchu a odolnost proti opotřebení.
Odkaz na historii
Grafit, diamant a amorfní uhlík jsou známy již od starověku. Již dlouho je známo, že grafitem lze označit i jiný materiál a samotný název „grafit“, který pochází z řeckého slova znamenajícího „psát“, navrhl A. Werner v roce 1789. Historie grafitu je však zmatený, často za něj byly mylně zaměňovány látky s podobnými vnějšími fyzikálními vlastnostmi, např. molybdenit (sulfid molybdenu), svého času považovaný za grafit. Mezi jinými názvy grafitu jsou známé "černé olovo", "karbid železa", "stříbrné olovo".
V roce 1779 K. Scheele zjistil, že grafit lze oxidovat vzduchem za vzniku oxidu uhličitého. Poprvé našly diamanty použití v Indii a v Brazílii získaly drahé kameny obchodní význam v roce 1725; naleziště v Jižní Africe byla objevena v roce 1867.
Ve 20. století Hlavními producenty diamantů jsou Jižní Afrika, Zair, Botswana, Namibie, Angola, Sierra Leone, Tanzanie a Rusko. Umělé diamanty, jejichž technologie vznikla v roce 1970, jsou vyráběny pro průmyslové účely.
Vlastnosti
Jsou známy čtyři krystalické modifikace uhlíku:
- grafit,
- diamant,
- karabina,
- lonsdaleite.
Grafit- šedočerná, neprůhledná, na dotek mastná, šupinatá, velmi jemná hmota s kovovým leskem. Při pokojové teplotě a normálním tlaku (0,1 MN/m2 nebo 1 kgf/cm2) je grafit termodynamicky stabilní.
diamant- velmi pevná, krystalická látka. Krystaly mají kubickou plošně centrovanou mřížku. Při pokojové teplotě a normálním tlaku je diamant metastabilní. Znatelná přeměna diamantu na grafit je pozorována při teplotách nad 1400 °C ve vakuu nebo v inertní atmosféře. Při atmosférickém tlaku a teplotě asi 3700 °C grafit sublimuje.
Tekutý uhlík lze získat při tlacích nad 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) a teplotách nad 3700 °C. Pevný uhlík (koks, saze, dřevěné uhlí) se také vyznačuje stavem s neuspořádanou strukturou - tzv. "amorfní" uhlík, který není samostatnou modifikací; jeho struktura je založena na struktuře jemnozrnného grafitu. Zahřívání některých odrůd "amorfního" uhlíku nad 1500-1600 °C bez vzduchu způsobí jejich přeměnu na grafit.
Fyzikální vlastnosti "amorfního" uhlíku velmi silně závisí na disperzi částic a přítomnosti nečistot. Hustota, tepelná kapacita, tepelná vodivost a elektrická vodivost "amorfního" uhlíku je vždy vyšší než u grafitu.
Karabina získané uměle. Je to jemně krystalický prášek černé barvy (hustota 1,9-2 g / cm 3). Postaveno z dlouhých řetězců atomů Z položené paralelně k sobě.
Lonsdaleite nalezené v meteoritech a získané uměle; jeho struktura a vlastnosti nebyly s konečnou platností stanoveny.
Vlastnosti uhlíku | ||
---|---|---|
protonové číslo | 6 | |
Atomová hmotnost | 12,011 | |
Izotopy: | stabilní | 12, 13 |
nestabilní | 8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 | |
Teplota tání | 3550 °C | |
Teplota varu | 4200 °С | |
Hustota | 1,9-2,3 g / cm 3 (grafit) 3,5–3,53 g / cm 3 (diamant) |
|
Tvrdost (Mohs) | 1-2 | |
Obsah v zemské kůře (hmot.) | 0,19% | |
Oxidační stavy | -4; +2; +4 |
Slitiny
Ocel
Koks se používá v metalurgii jako redukční činidlo. Dřevěné uhlí - v kovárnách, k získávání střelného prachu (75 % KNO 3 + 13 % C + 12 % S), k pohlcování plynů (adsorpce) i v běžném životě. Saze se používají jako pryžové plnivo, pro výrobu černých barev - tiskařské barvy a inkoustu, stejně jako v suchých galvanických článcích. Skelný uhlík se používá k výrobě zařízení pro vysoce agresivní prostředí, dále v letectví a kosmonautice.
Aktivní uhlí absorbuje škodlivé látky z plynů a kapalin: plní plynové masky, čistící systémy, používá se v lékařství při otravách.
Uhlík je základem všech organických látek. Každý živý organismus je do značné míry z uhlíku. Uhlík je základ života. Zdrojem uhlíku pro živé organismy je obvykle CO 2 z atmosféry nebo vody. V důsledku fotosyntézy se dostává do biologických potravních řetězců, ve kterých se živé organismy navzájem požírají nebo navzájem pozůstatky a extrahují tak uhlík, aby si vybudovaly vlastní tělo. Biologický cyklus uhlíku končí buď oxidací a návratem do atmosféry, nebo likvidací ve formě uhlí či ropy.
K úspěchu přispělo použití radioaktivního izotopu 14C molekulární biologie při studiu mechanismů biosyntézy a přenosu bílkovin dědičné informace. Stanovení specifické aktivity 14 C v uhlíkatých organických zbytcích umožňuje posoudit jejich stáří, čehož se využívá v paleontologii a archeologii.
Prameny
Chemické prvky a materiály |
||
---|---|---|
Chemické prvky | Dusík. Argon. Vodík. Hélium. Žehlička . Vápník. Kyslík. Křemík. Hořčík. Mangan. |
Fyzikální vlastnosti: uhlík tvoří mnoho alotropních modifikací: diamant jedna z nejtvrdších látek grafit, uhlí, saze.
Atom uhlíku má 6 elektronů: 1s 2 2 s 2 2p 2 . Poslední dva elektrony jsou umístěny v samostatných p-orbitalech a jsou nepárové. V zásadě by tato dvojice mohla obsadit jeden orbital, ale v tomto případě se mezielektronové odpuzování silně zvyšuje. Z tohoto důvodu jeden z nich trvá 2p x a druhý buď 2p y , nebo 2p z-orbitaly.
Rozdíl mezi energiemi s- a p-podúrovně vnější vrstvy je malý, proto atom poměrně snadno přechází do excitovaného stavu, ve kterém jeden ze dvou elektronů z 2s-orbitalu přechází do volného. 2r. Vzniká valenční stav s konfigurací 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Právě tento stav atomu uhlíku je charakteristický pro diamantovou mřížku – tetraedrické prostorové uspořádání hybridních orbitalů, stejná délka vazby a energie.
Tento jev je známý jako tzv sp 3 -hybridizace, a výsledné funkce jsou sp 3 -hybridní . Vytvoření čtyř vazeb sp3 poskytuje atomu uhlíku stabilnější stav než tři rr- a jeden s-s-bond. Kromě hybridizace sp 3 jsou na atomu uhlíku také pozorovány hybridizace sp 2 a sp . V prvním případě dochází k vzájemnému překrývání s- a dva p-orbitaly. Jsou vytvořeny tři ekvivalentní sp 2 - hybridní orbitaly umístěné ve stejné rovině pod úhlem 120° vůči sobě. Třetí orbitál p je nezměněn a směřuje kolmo k rovině sp2.
Při hybridizaci sp se orbitaly s a p překrývají. Mezi vytvořenými dvěma ekvivalentními hybridními orbitaly vzniká úhel 180°, zatímco dva p-orbitaly každého z atomů zůstávají nezměněny.
Alotropie uhlíku. diamant a grafit
V krystalu grafitu jsou atomy uhlíku umístěny v rovnoběžných rovinách a zaujímají v nich vrcholy pravidelných šestiúhelníků. Každý z atomů uhlíku je spojen se třemi sousedními hybridními vazbami sp2. Mezi rovnoběžnými rovinami je spojení provedeno van der Waalsovými silami. Volné p-orbitaly každého z atomů směřují kolmo k rovinám kovalentních vazeb. Jejich překrývání vysvětluje další π-vazbu mezi atomy uhlíku. Takže od valenční stav, ve kterém jsou atomy uhlíku v látce, závisí vlastnosti této látky.
Chemické vlastnosti uhlíku
Nejcharakterističtější oxidační stavy: +4, +2.
Při nízkých teplotách je uhlík inertní, ale při zahřívání se jeho aktivita zvyšuje.
Uhlík jako redukční činidlo:
- s kyslíkem
C 0 + O 2 - t ° \u003d CO 2 oxid uhličitý
s nedostatkem kyslíku - nedokonalé spalování:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O oxid uhelnatý
- s fluorem
C + 2F2 = CF4
- s párou
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 vodní plyn
— s oxidy kovů. Tímto způsobem se kov taví z rudy.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2
- s kyselinami - oxidačními činidly:
Co + 2H2S04 (konc.) \u003d C +402 + 2SO2 + 2H20
С 0 + 4HN03 (konc.) = С +402 + 4NO2 + 2H20
- tvoří se sírou sirouhlík:
C + 2S 2 \u003d CS 2.
Uhlík jako oxidační činidlo:
- s některými kovy tvoří karbidy
4Al + 3C 0 \u003d Al 4 C 3
Ca + 2C 0 \u003d CaC 2-4
- s vodíkem - metanem (stejně jako s velkým množstvím organických sloučenin)
Co + 2H2 \u003d CH4
- s křemíkem tvoří karborundum (při 2000 °C v elektrické peci):
Hledání uhlíku v přírodě
Volný uhlík se vyskytuje jako diamant a grafit. Ve formě sloučenin se uhlík nachází v minerálech: křída, mramor, vápenec - CaCO 3, dolomit - MgCO 3 * CaCO 3; hydrogenuhličitany - Mg (HCO 3) 2 a Ca (HCO 3) 2, CO 2 je součástí vzduchu; uhlík je hlavní složkou přírodních organických sloučenin – plyn, ropa, uhlí, rašelina, je součástí organických látek, bílkovin, tuků, sacharidů, aminokyselin, které jsou součástí živých organismů.
Anorganické sloučeniny uhlíku
Ani C 4+ ani C 4- ionty nevznikají v žádném konvenčním chemickém procesu: ve sloučeninách uhlíku jsou kovalentní vazby různé polarity.
oxid uhelnatý (II) TAK
Kysličník uhelnatý; bezbarvý, bez zápachu, těžce rozpustný ve vodě, rozpustný v organických rozpouštědlech, jedovatý, bp = -192°C; t čtverečních = -205 °C.
Účtenka
1) V průmyslu (v plynových generátorech):
C + 02 = C02
2) Laboratorně - tepelný rozklad kyseliny mravenčí nebo šťavelové za přítomnosti H 2 SO 4 (konc.):
HCOOH = H2O + CO
H2C204 \u003d CO + CO2 + H20
Chemické vlastnosti
Za běžných podmínek je CO inertní; při zahřátí - redukční činidlo; oxid netvořící sůl.
1) s kyslíkem
2C +2 O + O2 \u003d 2C +4 O2
2) s oxidy kovů
C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O 2
3) s chlórem (na světle)
CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (fosgen)
4) reaguje s alkalickými taveninami (pod tlakem)
CO + NaOH = HCOONa (mravčan sodný)
5) tvoří karbonyly s přechodnými kovy
Ni + 4CO - t° = Ni(CO)4
Fe + 5CO - t° = Fe(CO)5
Oxid uhelnatý (IV) CO2
Oxid uhličitý, bezbarvý, bez zápachu, rozpustnost ve vodě - 0,9V CO 2 se rozpouští v 1V H 2 O (za normálních podmínek); těžší než vzduch; t°pl.= -78,5°C (pevný C02 se nazývá "suchý led"); nepodporuje spalování.
Účtenka
- Tepelný rozklad solí kyseliny uhličité (uhličitany). Pálení vápence:
CaC03 - t ° \u003d CaO + CO2
- Působení silných kyselin na uhličitany a hydrogenuhličitany:
CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2
NaHC03 + HCl \u003d NaCl + H20 + CO2
ChemikálievlastnostiCO2
Oxid kyseliny: reaguje se zásaditými oxidy a zásadami za vzniku solí kyseliny uhličité
Na20 + CO2 \u003d Na2C03
2NaOH + CO2 \u003d Na2C03 + H20
NaOH + CO2 \u003d NaHC03
Může vykazovat oxidační vlastnosti při zvýšených teplotách
C +4 O 2 + 2 Mg - t ° \u003d 2 Mg +2 O + C 0
Kvalitativní reakce
Zákal vápenné vody:
Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 3 ¯ (bílá sraženina) + H 2 O
Při dlouhodobém průchodu CO 2 vápennou vodou mizí, protože. nerozpustný uhličitan vápenatý se přemění na rozpustný hydrogenuhličitan:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2
kyselina uhličitá a jejísůl
H2CO3 — Slabá kyselina, existuje pouze ve vodném roztoku:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3
Dvojitá základna:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Soli kyselin - hydrogenuhličitany, hydrogenuhličitany
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Střední soli - uhličitany
Všechny vlastnosti kyselin jsou charakteristické.
Uhličitany a hydrogenuhličitany lze vzájemně přeměnit:
2NaHCO 3 - t ° \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
Na2CO3 + H2O + CO2 \u003d 2NaHC03
Uhličitany kovů (kromě alkalických kovů) se při zahřívání dekarboxylují za vzniku oxidu:
CuCO3 - t ° \u003d CuO + CO2
Kvalitativní reakce- "vaření" působením silné kyseliny:
Na2CO3 + 2HCl \u003d 2NaCl + H20 + CO2
C032- + 2H+ = H20 + C02
Karbidy
karbid vápníku:
CaO + 3 C = CaC2 + CO
CaC2 + 2 H20 \u003d Ca (OH) 2 + C2H2.
Acetylen se uvolňuje, když karbidy zinku, kadmia, lanthanu a ceru reagují s vodou:
2 LaC2 + 6 H20 \u003d 2La (OH) 3 + 2 C2H2 + H2.
Be 2 C a Al 4 C 3 se rozkládají vodou za vzniku metanu:
Al 4 C 3 + 12 H 2 O \u003d 4 Al (OH) 3 \u003d 3 CH 4.
V technologii se používají karbidy titanu TiC, wolfram W 2 C (tvrdé slitiny), křemík SiC (karborundum - jako brusivo a materiál pro topidla).
kyanidy
získané zahřátím sody v atmosféře amoniaku a oxidu uhelnatého:
Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2
Kyselina kyanovodíková HCN je důležitým produktem chemického průmyslu široce používaným v organické syntéze. Jeho světová produkce dosahuje 200 tisíc tun ročně. Elektronická struktura kyanidový anion, podobně jako oxid uhelnatý (II), se takové částice nazývají isoelektronické:
C = O:[:C = N:]-
Kyanidy (0,1-0,2% vodný roztok) se používají při těžbě zlata:
2 Au + 4 KCN + H20 + 0,5 O2 \u003d 2 K + 2 KOH.
Když se kyanidové roztoky vaří se sírou nebo když dochází k roztavení pevných látek, thiokyanáty:
KCN + S = KSCN.
Když se kyanidy nízkoaktivních kovů zahřejí, získá se kyanid: Hg (CN) 2 \u003d Hg + (CN) 2. roztoky kyanidu se oxidují na kyanáty:
2KCN + O2 = 2KOCN.
Kyselina kyanová existuje ve dvou formách:
H-N=C=O; H-O-C = N:
V roce 1828 získal Friedrich Wöhler (1800-1882) močovinu z kyanátu amonného: NH 4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 odpařením vodného roztoku.
Tato událost je obvykle vnímána jako vítězství syntetické chemie nad „vitalistickou teorií“.
Existuje izomer kyseliny kyanové - kyselina fulminová
H-O-N=C.
Jeho soli (fulminát rtuťnatý Hg(ONC) 2) se používají v nárazových zapalovačích.
Syntéza močovina(karbamid):
CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H20. Při 130 °C a 100 atm.
Močovina je amid kyseliny uhličité, existuje i její „dusíkový analog“ – guanidin.
Uhličitany
Nejdůležitější organické sloučeniny uhlík - soli kyseliny uhličité (uhličitany). H2CO3 je slabá kyselina (K1 \u003d 1,3 10-4; K2 \u003d 5 10-11). Podpěry karbonátového pufru bilance oxidu uhličitého v atmosféře. Oceány mají obrovskou vyrovnávací kapacitu, protože jsou otevřeným systémem. Hlavní pufrovací reakcí je rovnováha během disociace kyseliny uhličité:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.
S poklesem kyselosti dochází k další absorpci oxidu uhličitého z atmosféry s tvorbou kyseliny:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.
Se zvýšením kyselosti se uhličitanové horniny (skořápky, křída a vápencové usazeniny v oceánu) rozpouštějí; to kompenzuje ztrátu hydrokarbonátových iontů:
H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -
CaCO 3 (tv.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-
Pevné uhličitany se přeměňují na rozpustné uhlovodíky. Právě tento proces chemického rozpouštění přebytečného oxidu uhličitého působí proti „skleníkového efektu“ – globálnímu oteplování v důsledku pohlcování tepelného záření Země oxidem uhličitým. Přibližně jedna třetina světové produkce sody (uhličitan sodný Na 2 CO 3) se spotřebuje na výrobu skla.
MOU "Nikiforovskaya průměr všeobecná střední škola№1"
Uhlík a jeho hlavní anorganické sloučeniny
abstraktní
Vyplnil: student třídy 9B
Sidorov Alexandr
Učitel: Sacharova L.N.
Dmitrievka 2009
Úvod
Kapitola I. Vše o uhlíku
1.1. uhlíku v přírodě
1.2. Alotropní modifikace uhlíku
1.3. Chemické vlastnosti uhlíku
1.4. Aplikace uhlíku
Kapitola II. Anorganické sloučeniny uhlíku
Závěr
Literatura
Úvod
Uhlík (lat. Carboneum) C je chemický prvek IV. skupiny Mendělejevovy periodické soustavy: atomové číslo 6, atomová hmotnost 12.011(1). Zvažte strukturu atomu uhlíku. Na vnější energetické úrovni atomu uhlíku jsou čtyři elektrony. Pojďme si to znázornit:
Uhlík je znám již od starověku a jméno objevitele tohoto prvku není známo.
Na konci XVII století. Florentští vědci Averani a Targioni se pokusili sloučit několik malých diamantů do jednoho velkého a zahřívali je pomocí hořícího skla slunečními paprsky. Diamanty zmizely po spálení ve vzduchu. V roce 1772 francouzský chemik A. Lavoisier ukázal, že CO 2 vzniká při spalování diamantu. Teprve v roce 1797 anglický vědec S. Tennant prokázal identitu povahy grafitu a uhlí. Po spálení stejného množství uhlí a diamantu se objemy oxidu uhelnatého (IV) ukázaly být stejné.
Různorodost sloučenin uhlíku, která se vysvětluje schopností jeho atomů slučovat se mezi sebou navzájem as atomy jiných prvků různými způsoby, určuje zvláštní postavení uhlíku mezi ostatními prvky.
Kapitola já . Vše o uhlíku
1.1. uhlíku v přírodě
Uhlík se v přírodě vyskytuje jak ve volném stavu, tak ve formě sloučenin.
Volný uhlík se vyskytuje jako diamant, grafit a karabina.
Diamanty jsou velmi vzácné. Největší známý diamant – „Cullinan" byl nalezen v roce 1905 v Jižní Africe, vážil 621,2 g a měřil 10 × 6,5 × 5 cm. Diamantový fond v Moskvě vlastní jeden z největších a nejkrásnějších diamantů na světě - „Orlov" (37,92 G).
Diamant dostal své jméno z řečtiny. "adamas" - nepřemožitelný, nezničitelný. Nejvýznamnější naleziště diamantů se nachází v Jižní Africe, Brazílii a Jakutsku.
Velká ložiska grafitu se nacházejí v Německu, na Srí Lance, na Sibiři, na Altaji.
Hlavními uhlíkatými minerály jsou: magnezit MgCO 3, kalcit (vápenný třtin, vápenec, mramor, křída) CaCO 3, dolomit CaMg (CO 3) 2 atd.
Všechna fosilní paliva – ropa, plyn, rašelina, černé a hnědé uhlí, břidlice – jsou postavena na uhlíkové bázi. Složením blízké uhlíku jsou některá fosilní uhlí obsahující až 99 % C.
Uhlík tvoří 0,1 % zemské kůry.
Uhlík CO 2 je ve formě oxidu uhelnatého (IV) součástí atmosféry. Velké množství CO 2 je rozpuštěno v hydrosféře.
1.2. Alotropní modifikace uhlíku
Elementární uhlík tvoří tři alotropní modifikace: diamant, grafit, karabina.
1. Diamant je bezbarvá, průhledná krystalická látka, která extrémně silně láme světelné paprsky. Atomy uhlíku v diamantu jsou ve stavu sp 3 hybridizace. V excitovaném stavu jsou valenční elektrony v atomech uhlíku deparovány a vznikají čtyři nepárové elektrony. Při vytváření chemických vazeb získávají elektronová mračna stejný protáhlý tvar a jsou umístěna v prostoru tak, že jejich osy směřují k vrcholům čtyřstěnu. Když se vrcholy těchto mraků překrývají s oblaky jiných atomů uhlíku, objevují se kovalentní vazby pod úhlem 109°28“ a vzniká atomová krystalová mřížka, která je charakteristická pro diamant.
Každý atom uhlíku v diamantu je obklopen čtyřmi dalšími, které se od něj nacházejí ve směrech od středu čtyřstěnu k vrcholům. Vzdálenost mezi atomy v čtyřstěnech je 0,154 nm. Síla všech vazeb je stejná. Atomy v diamantu jsou tedy „sbaleny“ velmi těsně. Při 20 °C je hustota diamantu 3,515 g/cm3. To vysvětluje jeho mimořádnou tvrdost. Diamant se nechová dobře elektřina.
V roce 1961 vznikl Sovětský svaz průmyslová produkce syntetické diamanty z grafitu.
Při průmyslové syntéze diamantů se používají tlaky tisíců MPa a teploty od 1500 do 3000°C. Proces se provádí v přítomnosti katalyzátorů, kterými mohou být některé kovy, jako je Ni. Převážná část vytvořených diamantů jsou malé krystaly a diamantový prach.
Diamant se při zahřátí bez přístupu vzduchu nad 1000 °C mění na grafit. Při 1750 °C dochází k přeměně diamantu na grafit rychle.
Struktura diamantu
2. Grafit je šedočerná krystalická látka s kovovým leskem, mastná na dotek, horší tvrdosti i než papír.
Atomy uhlíku v krystalech grafitu jsou ve stavu sp 2 hybridizace: každý z nich tvoří tři kovalentní vazby σ se sousedními atomy. Úhly mezi směry spoje jsou 120°. Výsledkem je mřížka složená z pravidelných šestiúhelníků. Vzdálenost mezi sousedními jádry atomů uhlíku ve vrstvě je 0,142 nm. Čtvrtý elektron vnější vrstvy každého atomu uhlíku v grafitu zaujímá p-orbital, který se neúčastní hybridizace.
Nehybridní elektronová mračna atomů uhlíku jsou orientována kolmo k rovině vrstvy a vzájemně se překrývající tvoří delokalizované σ-vazby. Sousední vrstvy v grafitovém krystalu jsou umístěny ve vzdálenosti 0,335 nm od sebe a jsou slabě propojeny, především van der Waalsovými silami. Proto má grafit nízkou mechanickou pevnost a snadno se štěpí na vločky, které jsou samy o sobě velmi pevné. Vazba mezi vrstvami atomů uhlíku v grafitu je částečně kovová. To vysvětluje skutečnost, že grafit vede elektřinu dobře, ale stále ne tak dobře jako kovy.
grafitová struktura
Fyzikální vlastnosti grafitu se velmi liší ve směrech - kolmých a rovnoběžných s vrstvami atomů uhlíku.
Při zahřívání bez přístupu vzduchu nedochází grafit k žádným změnám až do 3700°C. Při této teplotě sublimuje bez tání.
Umělý grafit se získává z nejlepších druhů černého uhlí při 3000°C v elektrických pecích bez přístupu vzduchu.
Grafit je termodynamicky stabilní v širokém rozsahu teplot a tlaků, proto je akceptován jako standardní skupenství uhlíku. Hustota grafitu je 2,265 g/cm3.
3. Carbin - jemnozrnný černý prášek. V jeho Krystalická struktura atomy uhlíku jsou spojeny střídavými jednoduchými a trojnými vazbami v lineárních řetězcích:
−С≡С−С≡С−С≡С−
Tuto látku poprvé získal V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev na počátku šedesátých let.
Následně se ukázalo, že karbyn může existovat v různé formy a obsahuje jak polyacetylenové, tak polykumulenové řetězce, ve kterých jsou spojeny atomy uhlíku dvojné vazby:
C=C=C=C=C=C=
Později byla karabina nalezena v přírodě - v meteoritové hmotě.
Carbyne má polovodičové vlastnosti, působením světla se jeho vodivost velmi zvyšuje. Vzhledem k existenci různých typů vazeb a různých způsobů ukládání řetězců atomů uhlíku v krystalové mřížce fyzikální vlastnosti karabina se může značně lišit. Při zahřátí bez přístupu vzduchu nad 2000°C je karabina stabilní, při teplotách okolo 2300°C je pozorován její přechod na grafit.
Přírodní uhlík se skládá ze dvou izotopů (98,892 %) a (1,108 %). Kromě toho byly v atmosféře nalezeny drobné nečistoty radioaktivního izotopu, které se získávají uměle.
Dříve se věřilo, že dřevěné uhlí, saze a koks jsou svým složením blízké čistému uhlíku a liší se vlastnostmi od diamantu a grafitu, představují nezávislou alotropní modifikaci uhlíku („amorfní uhlík“). Bylo však zjištěno, že tyto látky se skládají z nejmenších krystalických částic, ve kterých jsou atomy uhlíku spojeny stejně jako v grafitu.
4. Uhlí - jemně mletý grafit. Vzniká při tepelném rozkladu sloučenin obsahujících uhlík bez přístupu vzduchu. Uhlí se výrazně liší vlastnostmi v závislosti na látce, ze které se získávají, a způsobu přípravy. Vždy obsahují nečistoty, které ovlivňují jejich vlastnosti. Nejdůležitější druhy uhlí jsou koks, dřevěné uhlí a saze.
Koks se získává ohřevem uhlí bez přístupu vzduchu.
Dřevěné uhlí vzniká při zahřívání dřeva bez přístupu vzduchu.
Saze jsou velmi jemný grafitový krystalický prášek. Vzniká při spalování uhlovodíků (zemní plyn, acetylén, terpentýn atd.) za omezeného přístupu vzduchu.
Aktivní uhlí jsou porézní průmyslové adsorbenty sestávající převážně z uhlíku. Adsorpce je absorpce plynů a rozpuštěných látek povrchem pevných látek. Aktivní uhlí se získává z pevných paliv (rašelina, hnědé a černé uhlí, antracit), dřeva a jeho produktů (dřevěné uhlí, piliny, odpady z výroby papíru), odpadů kožedělného průmyslu, živočišných materiálů, jako jsou kosti. Uhlí, vyznačující se vysokou mechanickou pevností, se vyrábí ze skořápek kokosových ořechů a jiných ořechů, ze semen ovoce. Struktura uhlí je reprezentována póry všech velikostí, adsorpční kapacita a adsorpční rychlost jsou však dány obsahem mikropórů na jednotku hmotnosti nebo objemu granulí. Při výrobě aktivního uhlí je surovina nejprve podrobena tepelnému zpracování bez přístupu vzduchu, čímž je z ní odstraněna vlhkost a částečně pryskyřice. V tomto případě vzniká velkopórová struktura uhlí. Pro získání mikroporézní struktury se aktivace provádí buď oxidací plynem nebo párou, nebo působením chemických činidel.
1.3. Chemické vlastnosti uhlíku
Při běžných teplotách jsou diamant, grafit, uhlí chemicky inertní, ale při vysokých teplotách se jejich aktivita zvyšuje. Jak vyplývá ze struktury hlavních forem uhlíku, uhlí reaguje snadněji než grafit a ještě více diamant. Grafit je nejen reaktivnější než diamant, ale při reakci s určitými látkami může vytvářet produkty, které diamant netvoří.
1. Uhlík jako oxidační činidlo reaguje s určitými kovy při vysokých teplotách za vzniku karbidů:
ZS + 4Al \u003d Al 4 C 3 (karbid hliníku).
2. Uhlí a grafit tvoří s vodíkem uhlovodíky. Nejjednodušší zástupce - methan CH 4 - lze získat v přítomnosti katalyzátoru Ni při vysoké teplotě (600-1000 ° C):
C + 2H2CH4.
3. Při interakci s kyslíkem vykazuje uhlík redukční vlastnosti. Při úplném spalování uhlíku jakékoli alotropní modifikace vzniká oxid uhelnatý (IV):
C + O 2 \u003d CO 2.
Nedokonalým spalováním vzniká oxid uhelnatý (II) CO:
C + O 2 \u003d 2CO.
Obě reakce jsou exotermické.
4. Redukční vlastnosti uhlí jsou zvláště výrazné při interakci s oxidy kovů (zinek, měď, olovo atd.), například:
C + 2 CuO \u003d CO 2 + 2 Cu,
C + 2ZnO = C02 + 2Zn.
Na těchto reakcích je založen nejdůležitější proces metalurgie - tavení kovů z rud.
V jiných případech, například při interakci s oxidem vápenatým, se tvoří karbidy:
CaO + 3C \u003d CaC2 + CO.
5. Uhlí se oxiduje horkou koncentrovanou kyselinou sírovou a dusičnou:
C + 2H2S04 \u003d CO2 + 2SO2 + 2H20,
ZS + 4HNO3 \u003d ZSO2 + 4NO + 2H20.
Všechny formy uhlíku jsou odolné vůči alkáliím!
1.4. Aplikace uhlíku
Diamanty se používají ke zpracování různých tvrdých materiálů, k řezání, broušení, vrtání a gravírování skla, k vrtání hornin. Diamanty se po vybroušení a vybroušení promění v diamanty používané jako šperky.
Grafit je nejcennějším materiálem pro moderní průmysl. Grafit se používá k výrobě forem, tavicích kelímků a dalších žáruvzdorných výrobků. Pro svou vysokou chemickou odolnost se grafit používá k výrobě trubek a přístrojů vyložených zevnitř grafitovými deskami. Značné množství grafitu se používá v elektrotechnickém průmyslu, například při výrobě elektrod. Grafit se používá k výrobě tužek a některých barev jako lubrikant. Velmi čistý grafit se používá v jaderných reaktorech k moderování neutronů.
Lineární polymer uhlíku, karabina, přitahuje pozornost vědců jako slibný materiál pro výrobu polovodičů, které mohou pracovat při vysokých teplotách a ultrapevných vláken.
Dřevěné uhlí se používá v hutním průmyslu, v kovářství.
Koks se používá jako redukční činidlo při tavení kovů z rud.
Saze se používají jako plnivo do gumy pro zvýšení pevnosti, takže pneumatiky automobilů jsou černé. Saze se také používají jako součást tiskařských barev, inkoustů a krémů na boty.
Aktivní uhlí se používá k čištění, extrakci a separaci různých látek. Aktivní uhlí se používá jako plniva do plynových masek a jako sorbent v lékařství.
Kapitola II . Anorganické sloučeniny uhlíku
Uhlík tvoří dva oxidy – oxid uhelnatý (II) CO a oxid uhelnatý (IV) CO2.
Oxid uhelnatý (II) CO je bezbarvý plyn bez zápachu, mírně rozpustný ve vodě. Říká se mu oxid uhelnatý, protože je velmi jedovatý. Když se dostane do krve během dýchání, rychle se spojí s hemoglobinem a vytvoří silnou karboxyhemoglobinovou sloučeninu, čímž zbaví hemoglobin schopnosti přenášet kyslík.
Při vdechování vzduchu obsahujícího 0,1 % CO může člověk náhle ztratit vědomí a zemřít. Oxid uhelnatý vzniká při nedokonalém spalování paliva, proto je předčasné uzavírání komínů tak nebezpečné.
Oxid uhelnatý (II) je, jak již víte, označován jako oxidy nevytvářející soli, protože jako oxid nekovů musí reagovat s alkáliemi a zásaditými oxidy za vzniku soli a vody, ale to není pozorováno.
2CO + O2 \u003d 2CO2.
Oxid uhelnatý (II) je schopen odebírat kyslík z oxidů kovů, tzn. získávat kovy z jejich oxidů.
Fe 2 O 3 + ZSO \u003d 2Fe + ZSO 2.
Právě tato vlastnost oxidu uhelnatého (II) se využívá v metalurgii pro tavení železa.
Oxid uhelnatý (IV) CO 2 – běžně známý jako oxid uhličitý – je bezbarvý plyn bez zápachu. Je asi jedenapůlkrát těžší než vzduch. Za normálních podmínek se 1 objem oxidu uhličitého rozpustí v 1 objemu vody.
Při tlaku asi 60 atm se oxid uhličitý mění na bezbarvou kapalinu. Když se kapalný oxid uhličitý odpaří, jeho část se změní na pevnou sněhovou hmotu, která se lisuje v průmyslu – to je známý „suchý led“, který se používá ke skladování potravin. Už víte, že pevný oxid uhličitý má molekulární mřížku a je schopen sublimace.
Typický je oxid uhličitý CO 2 kysličník: Reaguje s alkáliemi (např. způsobuje zákal ve vápenné vodě), zásaditými oxidy a vodou.
Nehoří a nepodporuje hoření a proto se používá k hašení požárů. Hořčík však nadále spaluje v oxidu uhličitém za vzniku oxidu a uvolňuje uhlík jako saze.
CO2 + 2Mg \u003d 2MgO + C.
Oxid uhličitý se získává působením na soli kyseliny uhličité - uhličitany s roztoky kyseliny chlorovodíkové, dusičné a dokonce i octové. V laboratoři se oxid uhličitý vyrábí působením kyseliny chlorovodíkové na křídu nebo mramor.
CaC03 + 2HCl \u003d CaCl2 + H20 + C02.
V průmyslu se oxid uhličitý vyrábí spalováním vápence:
CaCO 3 \u003d CaO + C0 2.
Oxid uhličitý se kromě již zmíněné oblasti použití využívá také k výrobě perlivých nápojů a k výrobě sody.
Při rozpuštění oxidu uhelnatého (IV) ve vodě vzniká kyselina uhličitá H 2 CO 3, která je velmi nestabilní a snadno se rozkládá na své původní složky – oxid uhličitý a vodu.
Jako dvojsytná kyselina tvoří kyselina uhličitá dvě řady solí: střední - uhličitany, například CaCO 3, a kyselé - hydrogenuhličitany, například Ca (HCO 3) 2. Z uhličitanů jsou ve vodě rozpustné pouze draselné, sodné a amonné soli. Kyselé soli jsou obvykle rozpustné ve vodě.
Při přebytku oxidu uhličitého v přítomnosti vody se mohou uhličitany přeměnit na uhlovodíky. Pokud tedy oxid uhličitý prochází vápennou vodou, pak se nejprve zakalí v důsledku srážení ve vodě nerozpustného uhličitanu vápenatého, avšak s dalším průchodem oxidu uhličitého zakalení mizí v důsledku tvorby rozpustného hydrogenuhličitanu vápenatého. :
CaC03 + H20 + CO2 \u003d Ca (HCO3) 2.
Právě přítomnost této soli vysvětluje dočasnou tvrdost vody. Proč dočasné? Protože při zahřátí se rozpustný hydrogenuhličitan vápenatý mění zpět na nerozpustný uhličitan:
Ca (HCO 3) 2 \u003d CaCO 3 ↓ + H 2 0 + C0 2.
Tato reakce vede k tvorbě vodního kamene na stěnách kotlů, parních topných trubek a domácích kotlíků a v přírodě v důsledku této reakce vznikají v jeskyních dolů visící bizarní krápníky, ke kterým zespodu vyrůstají stalagmity.
Další vápenaté a hořečnaté soli, zejména chloridy a sírany, dodávají vodě trvalou tvrdost. Trvalou tvrdost vařící vody nelze odstranit. Musíte použít jiný uhličitan - sodu.
Na 2 CO 3, který vysráží tyto ionty Ca 2+, například:
CaCl2 + Na2C03 \u003d CaC03 ↓ + 2NaCl.
Soda může být také použita k odstranění dočasné tvrdosti vody.
Uhličitany a hydrogenuhličitany lze detekovat pomocí kyselých roztoků: při vystavení kyselinám je pozorován charakteristický „var“ v důsledku uvolněného oxidu uhličitého.
Tato reakce je kvalitativní reakcí na soli kyseliny uhličité.
Závěr
Veškerý život na Zemi je založen na uhlíku. Každá molekula živého organismu je postavena na uhlíkové kostře. Atomy uhlíku neustále migrují z jedné části biosféry (úzká skořápka Země, kde existuje život) do druhé. Na příkladu koloběhu uhlíku v přírodě lze v dynamice vysledovat dynamiku života na naší planetě.
Hlavní zásoby uhlíku na Zemi jsou ve formě oxidu uhličitého obsaženého v atmosféře a rozpuštěného v oceánech, tedy oxidu uhličitého (CO 2). Nejprve zvažte molekuly oxidu uhličitého v atmosféře. Rostliny absorbují tyto molekuly, pak se v procesu fotosyntézy atom uhlíku přemění na různé organické sloučeniny a tím se začlení do struktury rostlin. Následuje několik možností:
1. Uhlík může zůstat v rostlinách, dokud rostliny neuhynou. Pak jejich molekuly sežerou rozkladači (organismy, které se živí mrtvou organickou hmotou a zároveň ji rozkládají na jednoduché anorganické sloučeniny), jako jsou houby a termiti. Nakonec se uhlík vrátí do atmosféry jako CO 2 ;
2. Rostliny mohou jíst býložravci. V tomto případě se uhlík buď vrátí do atmosféry (při dýchání zvířat a při jejich rozkladu po smrti), nebo budou býložravci sežráni masožravci (a pak se uhlík znovu vrátí do atmosféry stejnými způsoby);
3. Rostliny mohou zemřít a skončit pod zemí. Pak se nakonec promění ve fosilní paliva – například v uhlí.
V případě rozpuštění původní molekuly CO 2 v mořské vodě je také možné několik možností:
Oxid uhličitý se může jednoduše vrátit do atmosféry (k tomuto typu vzájemné výměny plynů mezi oceány a atmosférou dochází neustále);
Uhlík se může dostat do tkání mořských rostlin nebo živočichů. Poté se bude postupně hromadit ve formě sedimentů na dně oceánů a nakonec se změní na vápenec nebo znovu přejde z sedimentů do mořské vody.
Jakmile je uhlík začleněn do sedimentů nebo fosilních paliv, je z atmosféry odstraněn. Po celou dobu existence Země byl takto stažený uhlík nahrazován oxidem uhličitým uvolňovaným do atmosféry při sopečných erupcích a dalších geotermálních procesech. V moderních podmínkách se k těmto přírodním faktorům přidávají i emise ze spalování fosilních paliv člověkem. Vzhledem k vlivu CO 2 na skleníkový efekt se studium uhlíkového cyklu stalo důležitým úkolem atmosférických vědců.
Nedílná součást jedním z těchto výzkumů je určení množství CO 2 přítomného v rostlinných tkáních (například v nově vysazeném lese) – vědci tomu říkají uhlíková jímka. Protože vlády rozdílné země se snaží dosáhnout mezinárodní dohody o omezení emisí CO 2, problematika vyváženého poměru propadů a emisí uhlíku v jednotlivých státech se stala hlavním jablkem sváru. průmyslové země. Vědci však pochybují, že hromadění oxidu uhličitého v atmosféře dokážou zastavit jen lesní plantáže.
Uhlík neustále cirkuluje v zemské biosféře po uzavřených propojených drahách. Aktuálně do přírodní procesy přidané k účinkům spalování fosilních paliv.
Literatura:
1. Achmetov N.S. Chemie ročník 9: učebnice. pro všeobecné vzdělání učebnice provozoven. - 2. vyd. – M.: Osvícení, 1999. – 175 s.: nemoc.
2. Gabrielyan O.S. Chemie ročník 9: učebnice. pro všeobecné vzdělání učebnice provozoven. - 4. vyd. - M.: Drop, 2001. - 224 s.: ill.
3. Gabrielyan O.S. Chemie ročníky 8-9: metoda. příspěvek. - 4. vyd. – M.: Drop, 2001. – 128 s.
4. Eroshin D.P., Shishkin E.A. Metody řešení úloh v chemii: učebnice. příspěvek. – M.: Osvícení, 1989. – 176 s.: nemoc.
5. Kremenčugskaja M. Chemie: Příručka pro školáky. – M.: Filol. Společnost "WORD": LLC "Nakladatelství AST", 2001. - 478 s.
6. Kritsman V.A. Čtení knihy o anorganické chemii. – M.: Osvěta, 1986. – 273 s.