Karbon neye benziyor? Karbon atomunun yapısının özellikleri
Karbon (Latince: carbo "kömür") kimyasal element C sembolü ve atom numarası 6 ile. Kovalent oluşumu için Kimyasal bağlar, dört elektron mevcuttur. Madde metalik değildir ve dört değerlidir. Üç karbon izotopu doğal olarak oluşur, 12C ve 13C kararlıdır ve 14C, yaklaşık 5730 yıllık bir yarı ömre sahip, bozunan bir radyoaktif izotoptur. Karbon, antik çağlardan beri bilinen birkaç elementten biridir. Karbon en bol bulunan 15. elementtir. yerkabuğu ve hidrojen, helyum ve oksijenden sonra evrende kütlece en bol bulunan dördüncü element. Karbon bolluğu, organik bileşiklerinin benzersiz çeşitliliği ve Dünya'da yaygın olarak bulunan sıcaklıklarda polimer oluşturma konusundaki olağandışı yeteneği, bu elementin bilinen tüm yaşam formları için ortak bir element olarak hizmet etmesine izin verir. Oksijenden sonra insan vücudunda kütlece (yaklaşık %18,5) en bol bulunan ikinci elementtir. Karbon atomları, karbon allotropları olarak adlandırılırken farklı şekillerde bağlanabilir. En iyi bilinen allotroplar grafit, elmas ve amorf karbondur. Karbonun fiziksel özellikleri, allotropik forma bağlı olarak büyük ölçüde değişir. Örneğin grafit opak ve siyahken, elmas çok saydamdır. Grafit, kağıt üzerinde bir çizgi oluşturacak kadar yumuşaktır (bu nedenle adı, "yazmak" anlamına gelen Yunanca "γράφειν" fiilinden gelir), elmas ise doğada bilinen en sert malzemedir. Grafit iyi bir elektrik iletkenidir, elmas ise düşük bir elektrik iletkenliğine sahiptir. Normal koşullar altında, elmas, karbon nanotüpler ve grafen, bilinen herhangi bir malzeme arasında en yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Tüm karbon allotropları normal koşullar altında katıdır, grafit termodinamik olarak en kararlı formdur. Kimyasal olarak kararlıdırlar ve oksijenle bile reaksiyona girmek için yüksek sıcaklıklar gerektirirler. İnorganik bileşiklerde karbonun en yaygın oksidasyon durumu +4 ve karbon monoksit ve geçiş metalinin karboksil komplekslerinde +2'dir. En büyük inorganik karbon kaynakları kireç taşları, dolomitler ve karbondioksittir, ancak önemli miktarlar organik kömür, turba, petrol ve metan klatrat yataklarından gelir. Karbon formları büyük miktar Bileşikler, bugüne kadar açıklanan neredeyse on milyon bileşikle diğer tüm elementlerden daha fazla bileşiktir ve yine de bu sayı, standart koşullar altında teorik olarak olası bileşiklerin sayısının yalnızca bir kısmıdır. Bu nedenle, karbon genellikle "elementlerin kralı" olarak anılır.
Özellikler
Karbonun allotropları arasında bilinen en yumuşak maddelerden biri olan grafit ve en sert doğal madde olan elmas bulunur. Karbon, diğer karbon atomları da dahil olmak üzere diğer küçük atomlara kolayca bağlanır ve uygun çok değerlikli atomlarla çok sayıda kararlı kovalent bağ oluşturma yeteneğine sahiptir. Karbonun neredeyse on milyon farklı bileşik oluşturduğu bilinmektedir, bunların büyük çoğunluğu kimyasal bileşikler. Karbon ayrıca herhangi bir elementin en yüksek süblimasyon noktasına sahiptir. Atmosfer basıncında, üçlü noktası 10,8 ± 0,2 MPa ve 4600 ± 300 K (~4330 °C veya 7820 °F) olduğundan erime noktası yoktur, bu nedenle yaklaşık 3900 K'de süblimleşir. Grafit, altında elmastan çok daha reaktiftir. yerelleştirilmiş pi sistemi saldırılara karşı çok daha savunmasız olduğu için termodinamik olarak daha kararlı olmasına rağmen standart koşullar. Örneğin grafit, sıcak konsantre nitrik asitle standart koşullar altında C6(CO2H)6 melitik aside oksitlenebilir; bu, daha büyük yapı bozulduğunda grafitin altıgen birimlerini tutar. Karbon, yaklaşık 5800 K (5,530 °C, 9,980 °F) olan bir karbon arkında süblimleşir. Böylece, allotropik formu ne olursa olsun karbon, tungsten veya renyum gibi en yüksek erime noktalarından daha yüksek sıcaklıklarda katı kalır. Karbon termodinamik olarak oksidasyona eğilimli olmasına rağmen, oda sıcaklığında daha zayıf indirgeyici ajanlar olan demir ve bakır gibi elementlere göre oksidasyona karşı daha dirençlidir. Karbon, dört dış elektronun değerlik elektronları olduğu temel durum elektron konfigürasyonu 1s22s22p2 ile altıncı elementtir. İlk dört iyonlaşma enerjisi 1086.5, 2352.6, 4620.5 ve 6222.7 kJ/mol olup, ağır grup 14 elementinden çok daha yüksektir.Karbonun elektronegatifliği 2.5'tir, bu da grup 14'ün (1.8-1.9) ağır elementlerinden önemli ölçüde yüksektir. ancak komşu ametallerin çoğuna ve ayrıca ikinci ve üçüncü sıradaki bazı geçiş metallerine yakındır. Karbonun kovalent yarıçapları genellikle 77.2 pm (C-C), 66.7 pm (C=C) ve 60.3 pm (C≡C) olarak alınır, ancak bunlar koordinasyon sayısına ve neyle ilişkili olduğuna bağlı olarak değişebilir. Genel olarak, koordinasyon sayısı azaldıkça ve bağ sırası arttıkça kovalent yarıçap azalır. Karbon bileşikleri, Dünya üzerindeki bilinen tüm yaşam formlarının temelini oluşturur ve karbon-azot döngüsü, Güneş ve diğer yıldızlar tarafından salınan enerjinin bir kısmını sağlar. Karbon olağanüstü çeşitlilikte bileşikler oluştursa da, çoğu karbon formu normal koşullar altında nispeten reaktif değildir. Standart sıcaklık ve basınçlarda karbon, en güçlü oksitleyiciler hariç hepsine dayanacaktır. Sülfürik asit ile reaksiyona girmez, hidroklorik asit, klor veya alkaliler. Yüksek sıcaklıklarda karbon, karbon oksitleri oluşturmak için oksijenle reaksiyona girer ve oksijeni metal oksitlerden uzaklaştırarak elemental metali bırakır. Bu ekzotermik reaksiyon, çelik endüstrisinde demiri eritmek ve çeliğin karbon içeriğini kontrol etmek için kullanılır:
Fe3O4 + 4 C (k) → 3 Fe (k) + 4 CO (g)
karbon disülfit oluşturmak için kükürt ile ve kömür-gaz reaksiyonunda buhar ile:
C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)
Karbon, çelikte demir karbür sementit ve tungsten karbür gibi metal karbürleri oluşturmak için yüksek sıcaklıklarda bazı metallerle birleşir ve aşındırıcı olarak ve kesici aletler için sert uçlar yapmak için yaygın olarak kullanılır. Karbon allotropları sistemi bir dizi uç noktayı kapsar:
Bazı grafit türleri ısı yalıtımı için kullanılır (yangın bariyerleri ve ısı kalkanları gibi), ancak diğer bazı formları iyi ısı iletkenleridir. Elmas en iyi bilinen doğal termal iletkendir. Grafit opaktır. Elmas çok şeffaftır. Grafit altıgen sistemde kristalleşir. Elmas kübik sistemde kristalleşir. Amorf karbon tamamen izotropiktir. Karbon nanotüpler en iyi bilinen anizotropik malzemeler arasındadır.
karbon allotropları
Atomik karbon çok kısa ömürlü bir türdür ve bu nedenle karbon, allotrop adı verilen çeşitli moleküler konfigürasyonlarla çeşitli poliatomik yapılarda stabilize edilir. Nispeten iyi bilinen üç karbon allotropu, amorf karbon, grafit ve elmastır. Daha önce egzotik olarak kabul edilen fullerenler, artık yaygın olarak sentezlenmekte ve araştırmalarda kullanılmaktadır; buckyball'ları, karbon nanotüpleri, karbon nanodotları ve nanolifleri içerir. Lonsaletit, camsı karbon, karbon nanofaum ve lineer asetilenik karbon (karabina) gibi birkaç başka egzotik allotrop da keşfedilmiştir. 2009 itibariyle, grafen şimdiye kadar test edilen en güçlü malzeme olarak kabul ediliyor. Grafitten ayırma işlemi, endüstriyel işlemler için ekonomik hale gelmeden önce biraz daha teknolojik gelişme gerektirecektir. Başarılı olursa, uzay asansörleri inşa etmek için grafen kullanılabilir. Araçlarda hidrojen bazlı araçlarda kullanılmak üzere hidrojeni güvenli bir şekilde depolamak için de kullanılabilir. Amorf form, kristal olmayan, düzensiz, camsı bir durumda olan ve kristalli bir makro yapı içinde yer almayan bir dizi karbon atomudur. Toz halinde bulunur ve kömür, lamba isi (kurum) ve aktif karbon gibi maddelerin ana bileşenidir. Normal basınçlarda karbon, aromatik hidrokarbonlarda olduğu gibi, her bir atomun kaynaşmış altıgen halkalardan oluşan bir düzlemde diğer üç atom tarafından trigonal olarak bağlandığı grafit formuna sahiptir. Ortaya çıkan ağ iki boyutludur ve ortaya çıkan düz levhalar katlanır ve zayıf van der Waals kuvvetleri aracılığıyla serbestçe bağlanır. Bu, grafite yumuşaklığını ve ayrılma özelliklerini verir (tabakalar birbiri üzerinde kolayca kayar). Her atomun dış elektronlarından birinin bir π bulutu oluşturacak şekilde yer değiştirmesi nedeniyle, grafit elektriği iletir, ancak yalnızca kovalent olarak bağlanmış her bir tabakanın düzleminde. Bu, karbon için çoğu metalden daha düşük bir elektrik iletkenliği ile sonuçlanır. Delokalizasyon, grafitin oda sıcaklığında elmas üzerindeki enerji kararlılığını da açıklar. Çok yüksek basınçlarda karbon, grafitin neredeyse iki katı yoğunluğa sahip olan daha kompakt bir allotrop, elmas oluşturur. Burada, her bir atom diğer dört atoma tetrahedral olarak bağlıdır ve buruşuk altı üyeli atom halkalarından oluşan üç boyutlu bir ağ oluşturur. Elmas, silisyum ve germanyum ile aynı kübik yapıya sahiptir ve karbon-karbon bağlarının gücü nedeniyle çizilme direnci ile ölçülen en sert doğal maddedir. "Elmaslar sonsuzdur" şeklindeki yaygın inanışın aksine, normal koşullar altında termodinamik olarak kararsızdırlar ve grafite dönüşürler. Yüksek enerji aktivasyon bariyeri nedeniyle grafit forma geçiş normal sıcaklıkta o kadar yavaştır ki fark edilmez. Belirli koşullar altında karbon, tamamı kovalent olan altıgen bir kristal kafes olan bir lonsaleit olarak kristalleşir. bağlı atomlar ve elmasınkine benzer özellikler. Fullerenler, grafit benzeri bir yapıya sahip sentetik bir kristal oluşumdur, ancak altıgenler yerine fullerenler, karbon atomlarının beşgenlerinden (hatta yedigenlerinden) oluşur. Eksik (veya fazladan) atomlar, tabakaları küreler, elipsler veya silindirler şeklinde deforme eder. Fullerenlerin özellikleri (buckyball'lara, buckytube'lere ve nanobad'lara bölünmüştür) henüz tam olarak analiz edilmemiştir ve yoğun bir nanomateryal araştırma alanını temsil etmektedir. "Fullerene" ve "buckyball" isimleri, fullerenlerin yapısına benzeyen jeodezik kubbeleri popülerleştiren Richard Buckminster Fuller'ın adıyla ilişkilendirilir. Bucky topları, tamamen üçgen şeklinde karbon bağlarından oluşan ve sferoidler oluşturan oldukça büyük moleküllerdir (en ünlüsü ve en basiti, bir futbol topu şeklindeki C60 baksinisterfellerene'dir). Karbon nanotüpler, her atomun içi boş bir silindir oluşturan kavisli bir tabakada üçgen olarak bağlanması dışında yapısal olarak bucky toplarına benzer. Nanobad'lar ilk olarak 2007'de tanıtıldı ve her ikisinin özelliklerini tek bir yapıda birleştiren hibrit malzemelerdir (buckyball'lar bir nanotüpün dış duvarına kovalent olarak bağlanır). Keşfedilen diğer allotroplardan karbon nanofoam, 1997'de keşfedilen ferromanyetik bir allotroptur. Atomların altı ve yedi üyeli halkalarda trigonal olarak bağlandığı gevşek bir üç boyutlu ağda birbirine dizilmiş düşük yoğunluklu karbon atomlarının kümelenmiş bir düzeneğinden oluşur. Yaklaşık 2 kg/m3 yoğunluğu ile en hafif katılar arasındadır. Benzer şekilde, camsı karbon yüksek oranda kapalı gözeneklilik içerir, ancak normal grafitten farklı olarak, grafit katmanları bir kitaptaki sayfalar gibi istiflenmez, daha rastgele düzenlenir. Doğrusal asetilenik karbon - (C:::C) n- kimyasal yapısına sahiptir. Bu modifikasyondaki karbon, sp orbital hibridizasyonu ile doğrusaldır ve değişen tekli ve üçlü bağlara sahip bir polimerdir. Bu karabina, nanoteknoloji için büyük ilgi görüyor çünkü Young modülü, en sert malzeme olan elmastan kırk kat daha büyük. 2015 yılında, Kuzey Carolina Üniversitesi'ndeki bir ekip, amorf karbon tozu üzerinde düşük süreli, yüksek enerjili bir lazer darbesiyle oluşturulan, Q-karbon adını verdikleri başka bir allotropun geliştirildiğini duyurdu. Q-karbonun ferromanyetizma, flüoresan sergilediği ve elmaslardan daha üstün bir sertliğe sahip olduğu bildirilmektedir.
Yaygınlık
Karbon, hidrojen, helyum ve oksijenden sonra evrende kütlece en bol bulunan dördüncü kimyasal elementtir. Karbon, Güneş'te, yıldızlarda, kuyruklu yıldızlarda ve çoğu gezegenin atmosferinde bol miktarda bulunur. Bazı göktaşları, güneş sistemi hala bir ata-gezegen diskiyken oluşmuş mikroskobik elmaslar içerir. Mikroskobik elmaslar, göktaşı çarpma bölgelerinde yoğun basınç ve yüksek sıcaklık altında da oluşabilir. 2014 yılında NASA, evrendeki polisiklik aromatik hidrokarbonları (PAH'lar) izlemek için güncellenmiş bir veri tabanını duyurdu. Evrendeki karbonun %20'sinden fazlası, oksijensiz karmaşık karbon ve hidrojen bileşikleri olan PAH'larla ilişkilendirilebilir. Bu bileşikler, muhtemelen abiyogenez ve yaşamın oluşumunda rol oynadıkları dünya PAH hipotezinde yer almaktadır. Görünüşe göre PAH'lar "birkaç milyar yıl" sonra oluştu. büyük patlama, evrende yaygındır ve yeni yıldızlar ve dış gezegenlerle ilişkilendirilir. Dünyanın sert kabuğunun, çekirdekte 2000 ppm ve birleşik manto ve kabukta 120 ppm olmak üzere toplamda 730 ppm karbon içerdiği tahmin edilmektedir. Dünyanın kütlesi 5,9 x 72 x 1024 kg olduğuna göre bu 4360 milyon gigaton karbon anlamına gelir. Bu, okyanuslardaki veya atmosferdeki karbon miktarından çok daha fazla (altta). Karbon dioksitteki oksijenle birleştiğinde, karbon Dünya atmosferinde bulunur (yaklaşık 810 gigaton karbon) ve tüm su kütlelerinde çözünür (yaklaşık 36.000 gigaton karbon). Biyosferde yaklaşık 1900 gigaton karbon var. Hidrokarbonlar (kömür, petrol ve doğal gaz gibi) ayrıca karbon içerir. Kömür "rezervleri" ("kaynaklar" yerine) yaklaşık 900 gigaton ve belki de 18.000 Gt kaynaktır. Petrol rezervleri yaklaşık 150 gigatondur. Kanıtlanmış Kaynaklar doğal gaz yaklaşık 175.1012 metreküp (yaklaşık 105 gigaton karbon içerir), ancak araştırmalar, yaklaşık 540 gigaton karbon olan şeyl gazı gibi 900.1012 metreküp "geleneksel olmayan" tortu olduğunu tahmin ediyor. Kutup bölgelerinde ve denizlerin altında metan hidratlarda da karbon bulunmuştur. Çeşitli tahminlere göre bu karbonun miktarı 500, 2500 Gt veya 3000 Gt'dir. Geçmişte, hidrokarbon miktarı daha fazlaydı. Bir kaynağa göre, 1751 ile 2008 yılları arasında yaklaşık 347 gigaton karbon, fosil yakıtların yakılmasından atmosfere karbondioksit olarak salındı. Başka bir kaynak ise atmosfere eklenen miktarın 1750 ile 879 Gt arasında olduğunu ve atmosfer, deniz ve karadaki (turba bataklıkları gibi) toplamın yaklaşık 2000 Gt olduğunu ekliyor. Karbon, çok büyük karbonat kaya kütlelerinin (kireçtaşı, dolomit, mermer vb.) bir bileşenidir (kütlece %12). Kömür çok yüksek miktarda karbon içerir (antrasit %92-98 karbon içerir) ve 4.000 gigaton veya fosil yakıtların %80'ini oluşturan en büyük ticari mineral karbon kaynağıdır. Bireysel karbon allotropları açısından grafit, Amerika Birleşik Devletleri'nde (esas olarak New York ve Teksas), Rusya, Meksika, Grönland ve Hindistan'da büyük miktarlarda bulunur. Doğal elmaslar, eski volkanik "boyunlarda" veya "borularda" bulunan kaya kimberlitinde bulunur. Elmas yataklarının çoğu Afrika'da, özellikle Güney Afrika, Namibya, Botsvana, Kongo Cumhuriyeti ve Sierra Leone'de bulunur. Kanada, Arkansas'ta da elmas yatakları bulundu. Rus Arktik, Brezilya ve Kuzey ve Batı Avustralya. Şimdi Ümit Burnu'ndaki okyanus tabanından elmaslar da çıkarılıyor. Elmaslar doğal olarak bulunur, ancak ABD'de kullanılan tüm endüstriyel elmasların yaklaşık %30'u şu anda üretilmektedir. Karbon-14, kozmik ışınların biriktirdiği bir reaksiyonla 9-15 km rakımlarda üst troposfer ve stratosferde oluşur. Karbon-14 ve bir proton oluşturmak için nitrojen-14 çekirdeği ile çarpışan termal nötronlar üretilir. Böylece, atmosferik karbondioksitin %1,2 × 1010'u karbon-14 içerir. Güneş sistemimizdeki asteroit kuşağının dış kısımlarında karbonca zengin asteroitler nispeten baskındır. Bu asteroitler henüz bilim adamları tarafından doğrudan araştırılmadı. Asteroitler, gelecekte mümkün olabilecek ancak şu anda teknolojik olarak imkansız olan varsayımsal uzay tabanlı kömür madenciliğinde kullanılabilir.
karbon izotopları
Karbon izotopları, altı proton artı bir dizi nötron (2'den 16'ya kadar) içeren atomik çekirdeklerdir. Karbonun doğal olarak oluşan iki kararlı izotopu vardır. İzotop karbon-12 (12C) Dünya'daki karbonun %98,93'ünü, karbon-13 (13C) ise kalan %1,07'sini oluşturur. 12C konsantrasyonu biyolojik materyallerde daha da artar çünkü biyokimyasal reaksiyonlar 13C'ye karşı ayrım yapar. 1961'de Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC), atom ağırlıklarının temeli olarak izotopik karbon-12'yi kabul etti. Nükleer manyetik rezonans (NMR) ile deneylerde karbonun tanımlanması 13C izotopu ile gerçekleştirilir. Karbon-14 (14C), nitrojenin kozmik ışınlarla etkileşimi ile üst atmosferde (alt stratosfer ve üst troposfer) oluşan doğal bir radyoizotoptur. Dünya üzerinde, başta atmosfer ve yüzey tortuları olmak üzere, özellikle turba ve diğer organik maddeler olmak üzere, eser miktarlarda trilyonda 1 parçaya (%0.0000000001%) kadar bulunur. Bu izotop, 0.158 MeV β-emisyon sırasında bozunur. 5730 yıllık nispeten kısa yarı ömür nedeniyle, 14C antik kayalarda neredeyse hiç yoktur. Atmosferde ve canlı organizmalarda 14C miktarı hemen hemen sabittir, ancak organizmalarda ölümden sonra azalır. Bu ilke, 1949'da icat edilen ve karbonlu malzemeleri 40.000 yıla kadar yaşlandırmak için yaygın olarak kullanılan radyokarbon yaş tayininde kullanılır. Bilinen 15 karbon izotopu vardır ve bunların en kısa ömrü, proton emisyonu ve alfa bozunması ile bozunan ve 1.98739 × 10-21 s yarı ömre sahip olan 8C'dir. Egzotik 19C, bir çekirdek halesi sergiler; bu, yarıçapının, çekirdek sabit yoğunluklu bir küre olsaydı beklenenden önemli ölçüde daha büyük olduğu anlamına gelir.
yıldızlarda eğitim
oluşum atom çekirdeği karbon, helyumun hidrojen veya başka bir helyum çekirdeği ile daha fazla nükleer füzyon reaksiyonlarının ürünleri ürettiğinden, üçlü alfa süreci olarak bilinen, bir dev veya süperdev yıldızın çekirdeği içinde neredeyse aynı anda alfa parçacıklarının (helyum çekirdekleri) üçlü çarpışmasını gerektirir. Sırasıyla lityum-5 ve berilyum-8, her ikisi de son derece kararsızdır ve neredeyse anında daha küçük çekirdeklere dönüşür. Bu, hızlı genleşme ve soğutma koşulları altında kabul edilemez olan 100 megakalvin ve helyum konsantrasyonlarının üzerindeki sıcaklıklarda meydana gelir. erken evren ve bu nedenle Büyük Patlama sırasında önemli miktarda karbon oluşmadı. Göre modern teori fiziksel kozmolojiye göre, karbon yıldızların içinde yatay bir kolda üç helyum çekirdeğinin çarpışması ve dönüşümü ile oluşur. Bu yıldızlar bir süpernovada öldüğünde, karbon toz olarak uzaya dağılır. Bu toz, birikmiş gezegenlere sahip ikinci veya üçüncü nesil yıldız sistemlerinin oluşumu için kurucu malzeme haline gelir. Güneş Sistemi bildiğimiz şekliyle yaşamın varlığına izin veren bol miktarda karbon içeren böyle bir yıldız sistemidir. CNO döngüsü, karbonun bir katalizör görevi gördüğü yerlerde yıldızları harekete geçiren ek bir füzyon mekanizmasıdır. Çeşitli izotopik karbon monoksit formlarının (örneğin, 12CO, 13CO ve 18CO) dönme geçişleri milimetre altı dalga boyu aralığında tespit edilir ve moleküler bulutlarda yeni oluşan yıldızların incelenmesinde kullanılır.
karbon döngüsü
Karasal koşullar altında, bir elementin diğerine dönüşümü çok nadir görülen bir olgudur. Bu nedenle, Dünya üzerindeki karbon miktarı fiilen sabittir. Bu nedenle, karbon kullanılan işlemlerde, bir yerden elde edilmeli ve başka bir yerde bertaraf edilmelidir. Karbonun yolları çevre bir karbon döngüsü oluşturur. Örneğin, fotosentetik bitkiler atmosferden (veya deniz suyundan) karbondioksiti çıkarır ve karbon sabitleme işlemi olan Calvin döngüsünde olduğu gibi onu biyokütleye dönüştürür. Bu biyokütlenin bir kısmı hayvanlar tarafından yenirken, bir kısmı da hayvanlar tarafından karbondioksit olarak solunur. Karbon döngüsü, bu kısa döngüden çok daha karmaşıktır; örneğin, okyanuslarda bir miktar karbondioksit çözünür; bakteriler onu emmezse, ölü bitki veya hayvan maddesi, yakıldığında karbon salan petrol veya kömür haline gelebilir.
Karbon bileşikleri
Karbon, zincir oluşumu adı verilen bir özellik olan, birbirine kenetlenen karbon-karbon bağlarından oluşan çok uzun zincirler oluşturabilir. Karbon-karbon bağları kararlıdır. Katanasyon (zincir oluşumu) yoluyla, karbon sayısız sayıda bileşik oluşturur. Eşsiz bileşiklerin değerlendirilmesi, daha fazlasının karbon içerdiğini göstermektedir. Benzer bir açıklama hidrojen için de yapılabilir çünkü çoğu organik bileşik de hidrojen içerir. Bir organik molekülün en basit biçimi, bir karbon atomları zincirine bağlı hidrojen atomlarından oluşan geniş bir organik molekül ailesi olan hidrokarbondur. Zincir uzunluğu, yan zincirler ve fonksiyonel gruplar organik moleküllerin özelliklerini etkiler. Karbon, bilinen her organik yaşam biçiminde bulunur ve organik kimyanın temelidir. Hidrojen ile birleştiğinde karbon, endüstri için soğutucu akışkanlar, yağlayıcılar, çözücüler, plastik ve petrol ürünleri üretimi için kimyasal hammaddeler ve fosil yakıtlar olarak önemli olan çeşitli hidrokarbonları oluşturur. Oksijen ve hidrojen ile birleştiğinde karbon, şekerler, lignanlar, kitinler, alkoller, yağlar ve aromatik esterler, karotenoidler ve terpenler dahil olmak üzere birçok önemli biyolojik bileşik grubunu oluşturabilir. Azotla karbon alkaloitler oluşturur ve kükürt ilavesiyle ayrıca antibiyotikler, amino asitler ve kauçuk ürünler oluşturur. Bu diğer elementlere fosforun eklenmesiyle, yaşamın kimyasal kodunun taşıyıcıları olan DNA ve RNA'yı ve tüm canlı hücrelerde en önemli enerji taşıma molekülü olan adenozin trifosfatı (ATP) oluşturur.
inorganik bileşikler
Tipik olarak, minerallerle ilişkili olan veya hidrojen veya flor içermeyen karbon içeren bileşikler, klasik organik bileşiklerden ayrı olarak işlenir; bu tanım katı değildir. Bunlar arasında basit karbon oksitleri vardır. En iyi bilinen oksit karbondioksittir (CO2). Bir zamanlar paleoatmosferin önemli bir bileşeni olan bu madde, bugün Dünya atmosferinin küçük bir bileşenidir. Suda çözündüğünde, bu madde karbonik asit (H2CO3) oluşturur, ancak bir karbon üzerinde birkaç tek bağlı oksijen içeren çoğu bileşik gibi kararsızdır. Bununla birlikte, rezonant stabilize karbonat iyonları bu ara ürün vasıtasıyla oluşturulur. Bazı önemli mineraller karbonatlar, özellikle kalsitler. Karbon disülfit (CS2) benzerdir. Diğer bir yaygın oksit karbon monoksittir (CO). Eksik yanma sırasında oluşur ve renksiz, kokusuz bir gazdır. Her molekül üçlü bir bağ içerir ve oldukça polardır, bu da sürekli olarak hemoglobin moleküllerine bağlanmasına ve daha düşük bağlanma afinitesine sahip olan oksijenin yerini almasına neden olur. Siyanür (CN-) benzer bir yapıya sahiptir ancak bir halojenür iyonu (psödohalojen) gibi davranır. Örneğin, diatom halojenürlere benzer bir siyanojen nitrür (CN) 2 molekülü oluşturabilir. Diğer alışılmadık oksitler, karbon suboksit (C3O2), kararsız karbon monoksit (C2O), karbon trioksit (CO3), siklopentan pepton (C5O5), sikloheksanhekson (C6O6) ve melitik anhidrittir (C12O9). Tungsten gibi reaktif metallerle karbon, yüksek erime noktalı alaşımlar oluşturmak için ya karbürleri (C4-) ya da asetilidleri (C2-2) oluşturur. Bu anyonlar, her ikisi de çok zayıf asitler olan metan ve asetilen ile de ilişkilidir. 2.5'lik bir elektronegatiflikte, karbon kovalent bağlar oluşturmayı tercih eder. Elmasa benzeyen carborundum (SiC) gibi bazı karbürler kovalent kafeslerdir. Bununla birlikte, en polar ve tuz benzeri karbürler bile tamamen iyonik bileşikler değildir.
Organometalik bileşikler
Organometalik bileşikler tanım gereği en az bir karbon-metal bağı içerir. Bu tür bileşiklerin geniş bir yelpazesi vardır; ana sınıflar arasında basit alkil-metal bileşikleri (örn. tetraetil elit), η2-alken bileşikleri (örn. Zeise tuzu) ve η3-allilik bileşikleri (örn. allilpaladyum klorür dimer) yer alır; siklopentadienil ligandları (örn., ferrosen) içeren metalosenler; ve geçiş metallerinin karben kompleksleri. Pek çok metal karbonil vardır (örneğin, nikel tetrakarbonil); bazı çalışanlar, karbon monoksit ligandının organometalik değil, tamamen inorganik bir bileşik olduğuna inanıyor. Karbonun yalnızca dört bağ oluşturduğu düşünülürken, bir oktahedral hekzakoordinat karbon atomu içeren ilginç bir bileşik rapor edilmiştir. Bu bileşiğin katyonu 2+'dır. Bu fenomen, altın ligandlarının aurofilikliği ile açıklanmaktadır. 2016 yılında, heksametilbenzenin normal dört yerine altı bağa sahip bir karbon atomu içerdiği doğrulandı.
Tarih ve etimoloji
İngilizce karbon (karbon) adı, "kömür" ve "kömür" anlamına gelen Latince carbo'dan gelir, bu nedenle "kömür" anlamına gelen Fransızca charbon kelimesi de buradan gelir. Karbonun Almanca, Felemenkçe ve Danimarkaca isimleri sırasıyla Kohlenstoff, koolstof ve kulstof'tur ve bunların tümü kelimenin tam anlamıyla bir kömür maddesi anlamına gelir. Karbon, tarih öncesi çağlarda keşfedildi ve en eski insan uygarlıklarında is ve kömür formlarında biliniyordu. Elmaslar muhtemelen MÖ 2500 gibi erken bir tarihte biliniyordu. Çin'de ve kömür şeklindeki karbon, Roma döneminde, bugün olduğu gibi aynı kimya ile, havayı dışarıda bırakmak için kil kaplı bir piramit içinde odun ısıtılarak yapıldı. 1722'de René Antoine Ferhot de Réamour, demirin, şimdi karbon olarak bilinen bir maddenin emilmesi yoluyla çeliğe dönüştürüldüğünü gösterdi. 1772'de Antoine Lavoisier, elmasların bir karbon formu olduğunu gösterdi; kömür ve elmas örneklerini yaktığında ve hiçbirinin su üretmediğini ve her iki maddenin de gram başına eşit miktarda karbondioksit saldığını bulduğunda. 1779'da Carl Wilhelm Scheele, bir kurşun formu olduğu düşünülen grafitin odun kömürü ile aynı olduğunu ancak az miktarda demir içerdiğini ve nitrik asitle oksitlendiğinde "hava asidi" (karbon dioksittir) ürettiğini gösterdi. . 1786'da Fransız bilim adamları Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge ve C. A. Vandermonde, Lavoisier'nin elmasla yaptığı gibi, grafiti oksijende oksitleyerek esasen karbon olduğunu doğruladılar. Fransız bilim adamlarına göre grafitin yapısı için gerekli olan bir miktar demir kaldı. Yayınlarında, grafit yandığında gaz olarak salınan grafit içindeki bir element için carbone (Latince karbonum) adını önerdiler. Antoine Lavoisier daha sonra 1789 ders kitabında karbonu bir element olarak listeledi. 1985 yılında keşfedilen yeni bir karbon allotropu olan fulleren, bucky topları ve nanotüpler gibi nanoyapılı formları içerir. Kaşifleri - Robert Curl, Harold Kroto ve Richard Smalley - 1996 yılında Nobel Kimya Ödülü'nü aldılar. Bunun sonucunda yeni biçimlere olan yeniden ilgi, camsı karbon da dahil olmak üzere ek egzotik allotropların keşfedilmesine ve "amorf karbonun" kesinlikle amorf olmadığının anlaşılmasına yol açar.
Üretme
Grafit
Ticari olarak uygun doğal grafit yatakları dünyanın birçok yerinde bulunur, ancak en ekonomik olanı önemli kaynaklarÇin, Hindistan, Brezilya ve Kuzey Kore. Grafit yatakları metamorfik kökenlidir ve bazen birkaç metre veya daha kalın olan şeyllerde, gnayslarda ve metamorfize olmuş kumtaşlarında ve kireçtaşlarında mercekler veya damarlar şeklinde kuvars, mika ve feldispatlarla birlikte bulunur. Borrowdale, Cumberland, İngiltere'deki grafit stokları, yeterli boyut ve saflığın başlangıcındaydı; 19. yüzyıla kadar kalemler, şeritleri tahtaya yapıştırmadan önce doğal grafit bloklarını şeritler halinde keserek yapılıyordu. Günümüzde, ana kayanın ezilmesi ve daha hafif grafitin su üzerinde yüzdürülmesiyle daha küçük grafit yatakları elde edilmektedir. Üç tür doğal grafit vardır - amorf, pul veya kristal. Amorf grafit en düşük kalitededir ve en yaygın olanıdır. Bilimin aksine, endüstride "amorf", kristal yapının tamamen yokluğundan ziyade çok küçük bir kristal boyutunu ifade eder. "Amorf" kelimesi, düşük miktarda grafit içeren ürünleri ifade etmek için kullanılır ve en ucuz grafittir. Büyük amorf grafit yatakları Çin, Avrupa, Meksika ve ABD'de bulunur. Düzlemsel grafit, şekilsizden daha az yaygın ve daha kalitelidir; metamorfik kayalarda kristalleşen ayrı plakalara benziyor. Granül grafitin fiyatı amorfun fiyatının dört katı olabilir. Kaliteli pul grafit, alev geciktiriciler gibi birçok uygulama için genleşebilir grafite işlenebilir. Birincil grafit yatakları Avusturya, Brezilya, Kanada, Çin, Almanya ve Madagaskar'da bulunur. Sıvı veya parça grafit, doğal grafitin en nadide, en değerli ve en kaliteli türüdür. Damarlarda sert topaklar halinde müdahaleci temaslar boyunca bulunur ve yalnızca Sri Lanka'da ticari olarak çıkarılır. USGS'ye göre, 2010 yılında küresel doğal grafit üretimi 1,1 milyon ton, Çin'in 800.000 ton, Hindistan 130.000 ton, Brezilya 76.000 ton, Kuzey Kore 30.000 ton ve Kanada 25.000 ton.Birleşik Krallık'ta hiç doğal grafit çıkarılmadı. Ancak 2009 yılında tahmini maliyeti 998 milyon $ olan 118.000 ton sentetik grafit çıkarıldı.
Elmas
Elmas tedariki, sınırlı sayıda işletme tarafından kontrol ediliyor ve ayrıca dünya çapında az sayıda yerde yoğunlaşıyor. Elmas cevherinin sadece çok küçük bir kısmı gerçek elmaslardan oluşur. Cevher ezilir, bu sırada büyük elmasların bu süreçte yok olmasına dikkat edilmelidir ve ardından parçacıklar yoğunluğa göre sıralanır. Günümüzde elmaslar, X-ışını flüoresansı kullanılarak elmas bakımından zengin fraksiyonda çıkarılıyor ve ardından son sıralama adımları manuel olarak gerçekleştiriliyor. X-ışınlarının kullanımının yaygınlaşmasından önce ayırma, kayganlaştırıcı bantlar kullanılarak gerçekleştiriliyordu; elmasların yalnızca güney Hindistan'daki alüvyon yataklarında bulunduğu bilinmektedir. Elmasların cevherdeki diğer minerallere göre kütleye daha çok yapıştığı bilinmektedir. Hindistan, MÖ 9. yüzyılda keşfinden MS 18. yüzyılın ortalarına kadar elmas üretiminde liderdi, ancak bu kaynakların ticari potansiyeli 18. yüzyılın sonunda tükendi ve bu sırada Hindistan bataklıkta kaldı. İlk elmasların bulunduğu Brezilya, 1725'te. Birincil yatakların (kimberlitler ve lamproitler) elmas üretimi, Güney Afrika'da elmas yataklarının keşfedilmesinden sonra yalnızca 1870'lerde başladı. Elmas üretimi zamanla arttı ve o tarihten bu yana biriken sadece 4,5 milyar karat oldu. Bu miktarın yaklaşık %20'si sadece son 5 yılda çıkarıldı ve son on yılda 9 yeni yatak üretime başladı ve 4 yeni yatak daha keşfedilmeyi bekliyor. Bu yatakların çoğu Kanada, Zimbabwe, Angola'da ve biri Rusya'da bulunmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri'nde Arkansas, Colorado ve Montana'da elmaslar keşfedildi. 2004 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'nde şaşırtıcı bir mikroskobik elmas keşfi, Ocak 2008'de Montana'nın ücra bir bölgesinde kimberlit borularından toplu bir numune alınmasına yol açtı. Bugün, ticari olarak uygun elmas yataklarının çoğu Rusya, Botsvana, Avustralya ve demokratik cumhuriyet Kongo. British Geological Survey'e göre 2005 yılında Rusya dünyadaki elmas arzının yaklaşık beşte birini üretti. Avustralya'da, en zengin elmaslı boru, 1990'larda yılda 42 metrik tonluk (41 ton, 46 kısa ton) en yüksek üretim seviyelerine ulaştı. Kanada'nın Kuzeybatı Topraklarında, Sibirya'da (esas olarak Yakutya'da, örneğin Mir Pipe ve Udachnaya Pipe'da), Brezilya'da ve ayrıca Kuzey ve Batı Avustralya'da aktif olarak çıkarılan ticari yataklar da vardır.
Uygulamalar
Karbon, bilinen tüm canlı sistemler için gereklidir. Onsuz, bildiğimiz şekliyle hayat var olamaz. Gıda ve odun dışındaki karbonun başlıca ekonomik kullanımları hidrokarbonlardır, özellikle fosil yakıtlar metan gazı ve ham petroldür. Ham petrol, benzin, kerosen ve diğer ürünleri üretmek için rafineriler tarafından işlenir. Selüloz, bitkiler tarafından odun, pamuk, keten ve kenevir şeklinde üretilen doğal olarak oluşan karbon içeren bir polimerdir. Selüloz esas olarak bitkilerin yapısını korumak için kullanılır. Ticari olarak değerli hayvan bazlı karbon polimerleri arasında yün, kaşmir ve ipek bulunur. Plastikler, genellikle polimer omurgasına düzenli aralıklarla dahil edilen oksijen ve nitrojen atomları ile sentetik karbon polimerlerinden yapılır. Bu sentetiklerin çoğu için ham madde ham petrolden gelir. Karbon ve bileşiklerinin kullanımı son derece çeşitlidir. Karbon, en yaygın olanı karbon çeliği olan demir ile alaşımlar oluşturabilir. Grafit, yazı ve çizim için kullanılan kurşun kalemlerde kullanılan "kurşunu" oluşturmak için killerle birleşir. Ayrıca cam imalatında kalıp malzemesi olarak yağlayıcı ve pigment olarak, kuru piller ve elektrokaplama ve elektroforming için elektrotlarda, elektrik motorları için fırçalarda ve nükleer reaktörlerde bir nötron moderatörü olarak kullanılır. Kömür sanat yapmak için bir malzeme olarak, barbekü ızgarası olarak, demir eritmek için ve diğer birçok kullanım için kullanılır. Enerji üretimi ve ısınma için yakıt olarak odun, kömür ve petrol kullanılmaktadır. Elmaslar Yüksek kalite kuyumculukta, endüstriyel elmaslar ise metal ve taş işleme aletlerini delmek, kesmek ve parlatmak için kullanılır. Plastikler, fosil hidrokarbonlardan yapılır ve sentetik polyester liflerin pirolizinden yapılan karbon lifi, plastikleri gelişmiş, hafif kompozit malzemelere dönüştürmek için kullanılır. Karbon fiber, poliakrilonitril (PAN) ve diğer organik malzemelerin ekstrüde edilmiş ve gerilmiş filamanlarının pirolize edilmesiyle yapılır. Elyafın kristal yapısı ve mekanik özellikleri, başlangıç malzemesinin tipine ve sonraki işleme bağlıdır. PAN'dan yapılan karbon lifleri, dar grafit liflerine benzeyen bir yapıya sahiptir, ancak ısıl işlem, yapıyı sürekli bir tabaka halinde yeniden düzenleyebilir. Sonuç olarak, lifler çelikten daha yüksek bir özgül gerilme mukavemetine sahiptir. Karbon siyahı, matbaa mürekkeplerinde, sanatçıların yağlı boya ve sulu boyalarında, karbon kağıdında, otomotiv kaplamalarında, mürekkeplerinde ve lazer yazıcılarda siyah pigment olarak kullanılır. Karbon siyahı ayrıca lastikler gibi kauçuk ürünlerde ve plastik bileşiklerde dolgu maddesi olarak kullanılır. Aktif karbon, filtre ortamında gaz maskeleri, su arıtma ve davlumbazlar gibi çeşitli uygulamalarda ve tıpta sindirim sisteminden toksinleri, zehirleri veya gazları emmek için emici ve adsorban olarak kullanılır. Karbon, yüksek sıcaklıklarda kimyasal indirgemede kullanılır. Kok, demirdeki demir cevherini azaltmak için kullanılır (eritme). Çeliğin katılaşması, bitmiş çelik bileşenlerin karbon tozu içinde ısıtılmasıyla sağlanır. Silisyum, tungsten, bor ve titanyum karbürler en sert malzemeler arasındadır ve kesme ve taşlama aşındırıcıları olarak kullanılır. Karbon bileşikleri, doğal ve sentetik tekstiller ve deri gibi giyimde kullanılan malzemelerin çoğunu ve cam, taş ve metal dışındaki ortamlarda hemen hemen tüm iç yüzeyleri oluşturur.
elmaslar
Elmas endüstrisi, biri yüksek kaliteli elmaslar (mücevherler) ve diğeri endüstriyel sınıf elmaslar olmak üzere iki kategoriye ayrılır. Her iki elmas türünde de çok fazla ticaret olsa da, iki piyasa oldukça farklı işliyor. Altın veya platin gibi değerli metallerin aksine, değerli taş pırlantalar bir emtia olarak alınıp satılmaz: pırlanta satışında önemli bir artış vardır ve pırlantaların yeniden satış piyasası çok aktif değildir. Endüstriyel elmaslar esas olarak sertlikleri ve termal iletkenlikleri için değerlenirken, berraklık ve renk gibi gemolojik nitelikleri büyük ölçüde ilgisizdir. Çıkarılan elmasların yaklaşık %80'i (yılda yaklaşık 100 milyon karat veya 20 tona eşit) kullanılamaz durumdadır ve endüstride kullanılmaktadır (elmas hurdası). 1950'lerde icat edilen sentetik elmaslar neredeyse anında bulundu. endüstriyel uygulamalar; Yılda 3 milyar karat (600 ton) sentetik elmas üretiliyor. Elmasın baskın endüstriyel kullanımı kesme, delme, taşlama ve cilalamadır. Bu uygulamaların çoğu büyük elmaslar gerektirmez; aslında, küçük boyutlu elmaslar dışında, mücevher kalitesinde elmasların çoğu endüstride kullanılabilir. Elmaslar matkap uçlarına veya testere bıçaklarına yerleştirilir veya taşlama ve cilalamada kullanılmak üzere bir toz haline getirilir. Özel uygulamalar, laboratuvarlarda deneyler için depolama alanı olarak kullanımı içerir yüksek basınç, yüksek performanslı rulmanlar ve özel kutularda sınırlı kullanım. Sentetik elmas üretimindeki gelişmeler sayesinde yeni uygulamalar mümkün hale gelmektedir. Elmasın mikroçipler için uygun bir yarı iletken olarak olası kullanımına ve elektronikte bir ısı emici olarak olağanüstü termal iletkenliği nedeniyle çok dikkat edilmiştir.
KARBON, С, grup IV'ün kimyasal elementi periyodik sistem, atom ağırlığı 12.00, seri numarası 6. Yakın zamana kadar karbonun izotopu olmadığı düşünülüyordu; C 13 izotopunun varlığı ancak son zamanlarda özellikle hassas yöntemlerin yardımıyla keşfedilmiştir. Bileşiklerinin bolluğu, bolluğu ve çeşitliliği bakımından en önemli elementlerden biri olan karbon, biyolojik önemi(bir organojen olarak), karbonun kendisinin ve bileşiklerinin teknik kullanımının genişliği (endüstriyel ve evsel ihtiyaçlar için bir ham madde ve bir enerji kaynağı olarak) ve son olarak da kimya biliminin gelişimindeki rolü nedeniyle. Serbest durumdaki karbon, hem kimyasal olarak saf bir formda karbon elde etmenin aşırı zorluğu hem de çoğu nedeniyle, bir buçuk yüzyıldan fazla bir süredir bilinen, ancak hala tam olarak anlaşılamayan, belirgin bir allotropi olgusunu ortaya koymaktadır. karbonun allotropik modifikasyonlarının sabitleri, elde edilme yöntemi ve koşullarına bağlı olarak yapılarının morfolojik özelliklerine bağlı olarak büyük ölçüde değişir.
Karbon iki kristal form oluşturur - elmas ve grafit ve ayrıca amorf halde sözde formda da bilinir. şekilsiz kömür Son çalışmaların bir sonucu olarak ikincisinin bireyselliği tartışıldı: kömür, hem aynı formun morfolojik çeşitleri - "siyah karbon" olarak düşünülerek grafit ile tanımlandı ve özelliklerindeki fark, fiziksel yapı ve derece ile açıklandı. maddenin dağılımı. Ancak, en son zamanlar kömürün özel bir allotropik form olarak varlığını doğrulayan gerçekler elde edildi (aşağıya bakınız).
Doğal kaynaklar ve karbon stokları. Doğadaki bolluk açısından karbon elementler arasında 10. sırada yer alır ve atmosferin %0,013'ünü, hidrosferin %0,0025'ini ve yer kabuğunun tüm kütlesinin yaklaşık %0,35'ini oluşturur. Karbonun çoğu oksijen bileşikleri formundadır: atmosferik hava CO2 dioksit formunda ~800 milyar ton karbon içerir; okyanusların ve denizlerin sularında - CO2, karbonik asit iyonları ve bikarbonatlar şeklinde 50.000 milyar tona kadar karbon; içinde kayalar balta - çözünmeyen karbonatlar (kalsiyum, magnezyum ve diğer metaller) ve bir CaCO3'ün payı ~160·10 6 milyar ton karbona karşılık gelir. Ancak bu devasa rezervler bir enerji değerini temsil etmiyor; çok daha değerli olan yanıcı karbonlu malzemelerdir - fosil kömürler, turba, ardından petrol, hidrokarbon gazları ve diğer doğal bitümler. Bu maddelerin yer kabuğundaki stoku da oldukça önemlidir: fosil kömürlerdeki toplam karbon kütlesi ~6000 milyar tona, petrolde ~10 milyar tona vb. Ulaşır. Serbest durumda, karbon oldukça nadirdir (elmas ve parça grafit maddesi). Fosil kömürler çok az serbest karbon içerir veya hiç içermez: Ch'den oluşurlar. varış diğer elementlerle (H, O, N, S) yüksek moleküler (polisiklik) ve çok kararlı karbon bileşiklerinden hala çok az çalışılmıştır. Bitki ve hayvan hücrelerinde sentezlenen canlı doğanın (yerkürenin biyosferi) karbonlu bileşikleri, olağanüstü çeşitli özellikler ve bileşim miktarları ile ayırt edilir; bitki dünyasında en yaygın maddeler olan lif ve lignin de enerji kaynakları olarak rol oynar.
Karbon, bitki ve hayvan hücrelerinde karmaşık organik maddelerin sentezinden ve bu maddelerin oksidatif bozunmaları (yanma, çürüme, solunum) sırasında ters ayrışmasından oluşan sürekli bir döngü nedeniyle doğada sabit bir dağılım sağlar. ), bitkilerin sentez için yeniden kullandığı CO 2 oluşumuna yol açar. Bu dolaşımın genel şeması şöyle olabilir. aşağıdaki formda sunulmuştur:
Karbon almak. Bitkisel ve hayvansal kaynaklı karbonlu bileşikler, yüksek sıcaklıklarda kararsızdır ve hava olmadan en az 150-400 ° C'ye ısıtıldığında, ayrışır, su ve uçucu karbon bileşikleri açığa çıkarır ve karbon açısından zengin ve genellikle kömür olarak adlandırılan uçucu olmayan katı bir kalıntı bırakır. . Bu pirolitik işleme kömürleştirme veya kuru damıtma denir ve mühendislikte yaygın olarak kullanılır. Fosil kömürlerin, petrolün ve turbanın yüksek sıcaklıkta pirolizi (450-1150°C sıcaklıkta) karbonun grafit formunda (kok, imbik kömürü) salınmasına yol açar. Başlangıç malzemelerinin kömürleşme sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, elde edilen kömür veya kokun bileşimi serbest karbona ve özellikleri grafite o kadar yakındır.
800 °C'nin altındaki sıcaklıklarda oluşan amorf kömür olamaz. onu serbest karbon olarak kabul ediyoruz, çünkü önemli miktarda kimyasal olarak bağlı başka elementler, Ch içerir. varış hidrojen ve oksijen. Teknik ürünlerden aktif karbon ve kurum, amorf karbona en yakın özelliklerdir. En saf kömür olabilir. saf şekerin veya piperonalin kömürleştirilmesiyle elde edilir, özel karbon karası işlemi vb. Elektrotermal yöntemlerle elde edilen yapay grafit, bileşimde neredeyse saf karbondur. Doğal grafit her zaman mineral safsızlıklarla kirlenir ve ayrıca belirli miktarda bağlı hidrojen (H) ve oksijen (O) içerir; nispeten saf bir durumda olabilir. sadece sonra alınan özel tedaviler: mekanik zenginleştirme, yıkama, oksitleyici maddelerle işleme ve uçucu maddelerin tamamen giderilinceye kadar yüksek sıcaklıkta kalsinasyon. Karbon teknolojisi asla tamamen saf karbonla ilgilenmez; bu sadece doğal karbon hammaddeleri için değil, aynı zamanda zenginleştirme, arıtma ve termal ayrışma (piroliz) ürünleri için de geçerlidir. Aşağıda bazı karbonlu malzemelerin karbon içeriği (% olarak):
Karbonun fiziksel özellikleri. Serbest karbon neredeyse tamamen eriyemez, uçucu değildir ve normal sıcaklıkta bilinen çözücülerin hiçbirinde çözünmez. Sadece belirli erimiş metallerde, özellikle kaynama noktasına yaklaşan sıcaklıklarda çözünür: demirde (%5'e kadar), gümüşte (%6'ya kadar) | rutenyum (%4'e kadar), kobalt, nikel, altın ve platin. Oksijen yokluğunda, karbon en dirençli malzemedir; saf karbonun sıvı hali bilinmemektedir ve buhara dönüşümü ancak 3000°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda başlamaktadır. Bu nedenle, karbonun özelliklerinin belirlenmesi, yalnızca katı agregasyon durumu için gerçekleştirildi. Karbon modifikasyonları arasında elmas en sabit fiziksel özelliklere sahiptir; grafitin çeşitli numunelerindeki (hatta en saf olanlarındaki) özellikleri önemli ölçüde değişir; şekilsiz kömürün özellikleri daha da değişkendir. Çeşitli karbon modifikasyonlarının en önemli fiziksel sabitleri tabloda karşılaştırılmıştır.
Elmas tipik bir dielektriktir, grafit ve karbon ise metalik elektriksel iletkenliğe sahiptir. Mutlak değer olarak, iletkenlikleri çok geniş bir aralıkta değişir, ancak kömürler için her zaman grafitlerden daha düşüktür; grafitlerde gerçek metallerin iletkenliğine yaklaşır. >1000°C'lik bir sıcaklıkta karbonun tüm modifikasyonlarının ısı kapasitesi, 0.47'lik sabit bir değere eğilimlidir. -180°C'nin altındaki sıcaklıklarda, elmasın ısı kapasitesi yok denecek kadar küçülür ve -27°C'de neredeyse sıfıra eşit olur.
Karbonun kimyasal özellikleri. 1000°C'nin üzerinde ısıtıldığında, hem elmas hem de kömür kademeli olarak grafite dönüşür, bu nedenle karbonun en kararlı (yüksek sıcaklıklarda) monotropik formu olarak düşünülmelidir. Şekilsiz karbonun grafite dönüşümü yaklaşık 800°C'de başlar ve 1100°C'de sona erer (bu son noktada, kömür adsorpsiyon aktivitesini ve yeniden aktifleşme yeteneğini kaybeder ve elektrik iletkenliği keskin bir şekilde artar ve gelecekte neredeyse sabit kalır). . Serbest karbon, normal sıcaklıklarda inertlik ve yüksek sıcaklıklarda önemli aktivite ile karakterize edilir. Amorf karbon kimyasal olarak en aktif olanıdır, elmas ise en dirençlidir. Örneğin flor, kömürle 15°C'de, grafitle yalnızca 500°C'de ve elmasla 700°C'de reaksiyona girer. Havada ısıtıldığında, gözenekli kömür 100°C'nin altında, grafit yaklaşık 650°C'de ve elmas 800°C'nin üzerinde oksitlenmeye başlar. 300°C ve üzerindeki sıcaklıklarda, kömür kükürt ile birleşerek karbon disülfit CS2 oluşturur. 1800°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, karbon (kömür) nitrojen ile etkileşime girerek (küçük miktarlarda) siyanojen C2N2 oluşturur. Karbonun hidrojen ile etkileşimi 1200°C'de başlar ve 1200-1500°C sıcaklık aralığında sadece metan CH4 oluşur; 1500 ° C'nin üzerinde - metan, etilen (C2H4) ve asetilen (C2H2) karışımı; yaklaşık 3000°C'lik bir sıcaklıkta neredeyse sadece asetilen elde edilir. Elektrik arkının sıcaklığında karbon, karşılık gelen karbürleri oluşturan metaller, silikon ve bor ile doğrudan kombinasyona girer. Doğrudan veya dolaylı yollar m.b. sıfır grubunun gazları dışında bilinen tüm elementlerle karbon bileşikleri elde edildi. Karbon, bazı amfoterisite belirtileri sergileyen metalik olmayan bir elementtir. Karbon atomunun çapı 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) ve içerir dış küre Eşit kolaylıkla verilen veya 8'e tamamlanan 4 değerlik elektronu; bu nedenle, hem oksijen hem de hidrojen olan karbonun normal değeri dörttür. Bileşiklerinin büyük çoğunluğunda karbon dört değerlidir; sadece az sayıda iki değerlikli karbon (karbon monoksit ve asetalleri, izonitriller, patlayıcı asit ve tuzları) ve üç değerlikli ("serbest radikal" olarak adlandırılır) bileşikleri bilinmektedir.
Oksijen ile karbon iki normal oksit oluşturur: asidik karbon dioksit CO2 ve nötr karbon monoksit CO. Ek olarak, bir dizi var karbon alt oksitleri 1'den fazla C atomu içeren, teknik önemi olmayan; bunlardan en ünlüsü, C3O2 bileşiminin (kaynama noktası +7 ° C ve erime noktası -111 ° C olan bir gaz) düşük oksitlenmesidir. Karbon ve bileşiklerinin ilk yanma ürünü, aşağıdaki denkleme göre oluşan CO2'dir:
C + O 2 \u003d CO 2 +97600 cal.
Yakıtın eksik yanması sırasında CO oluşumu, ikincil bir indirgeme işleminin sonucudur; bu durumda, karbonun kendisi, denkleme göre 450 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda CO2 ile reaksiyona giren bir indirgeyici madde görevi görür:
CO2 + C \u003d 2CO -38800 cal;
bu reaksiyon tersine çevrilebilir; 950°C'nin üzerinde, gaz üreten fırınlarda gerçekleştirilen CO2'nin CO'ya dönüşümü neredeyse tamamlanır. Karbonun yüksek sıcaklıklarda enerjik indirgeme yeteneği, oksitinden serbest bir metal elde etmek için su gazı (H2O + C \u003d CO + H2 -28380 cal) üretiminde ve metalurjik işlemlerde de kullanılır. Allotropik karbon formları, bazı oksitleyici ajanların etkisine göre farklı şekilde işlenir: örneğin, bir KCIO3 + HNO3 karışımı elması hiç etkilemez, amorf kömür onun tarafından tamamen CO2'ye oksitlenirken, grafit şu bileşikleri verir: aromatik seri - ampirik formül (C 2 OH) x ve ötesi ile grafit asitler melitik asit C6(COOH)6 . Hidrojenli karbon bileşikleri - hidrokarbonlar - son derece fazladır; kalan organik bileşiklerin çoğu, karbona ek olarak çoğunlukla H, O, N, S ve halojenürleri içeren genetik olarak onlardan üretilir.
2 milyona kadar bilinen organik bileşiklerin istisnai çeşitliliği, bir element olarak karbonun belirli özelliklerinden kaynaklanmaktadır. 1) Karbon, hem metalik hem de metalik olmayan diğer birçok elementle kimyasal bir bağın gücü ile karakterize edilir, bu nedenle her ikisiyle de oldukça kararlı bileşikler oluşturur. Diğer elementlerle birleştiğinde, karbon iyon oluşturmaya çok az meyillidir. Organik bileşiklerin çoğu homeopolar tiptedir ve normal koşullar altında ayrışmaz; içlerindeki molekül içi bağların kopması genellikle önemli miktarda enerji harcanmasını gerektirir. Bununla birlikte, bağların gücünü değerlendirirken, ayırt etmek gerekir; a) termokimyasal araçlarla ölçülen mutlak bağ kuvveti ve b) bağın çeşitli reaktiflerin etkisi altında kırılma kabiliyeti; bu iki özellik her zaman örtüşmez. 2) Karbon atomları, açık veya kapalı karbon zincirleri oluşturarak olağanüstü bir kolaylıkla (kutupsuz) birbirleriyle bağlanır. Bu tür zincirlerin uzunluğu sınırsız görünmektedir; bu nedenle, 64 karbon atomlu açık zincirlere sahip tamamen kararlı moleküller bilinmektedir. Açık zincirlerin uzaması ve karmaşıklığı, bağlantılarının birbirleriyle veya diğer elemanlarla olan bağlantılarının gücünü etkilemez. Kapalı zincirler arasında, 3 ila 18 karbon atomu içeren dairesel zincirler bilinmesine rağmen, 6 ve 5 üyeli halkalar en kolay şekilde oluşturulur. Karbon atomlarının birbirine bağlanma yeteneği, grafitin özel özelliklerini ve kömürleşme süreçlerinin mekanizmasını iyi açıklar; ayrıca, karbonun iki atomlu C2 molekülleri biçiminde bilinmediği gerçeğini de netleştirir, bu da diğer metalik olmayan hafif elementlerle (buhar biçiminde, karbon tek atomlu moleküllerden oluşur) analoji yoluyla beklenebilir. 3) Bağların polar olmayan doğası nedeniyle, birçok karbon bileşiğinin kimyasal inertliği yalnızca dışsal (yavaş tepki) değil, aynı zamanda içsel (molekül içi yeniden düzenlemelerde zorluk) vardır. Büyük "pasif dirençlerin" varlığı, kararsız formların kendiliğinden kararlı olanlara dönüşmesini büyük ölçüde karmaşıklaştırır ve genellikle böyle bir dönüşümün oranını sıfıra düşürür. Bunun sonucu, uygulama olasılığıdır. Büyük bir sayı normal sıcaklıkta neredeyse eşit derecede kararlı olan izomerik formlar.
Allotropi ve karbonun atomik yapısı. X-ışını analizi, elmas ve grafitin atomik yapısını güvenilir bir şekilde belirlemeyi mümkün kıldı. Aynı araştırma yöntemi, üçüncü bir varlığın varlığı sorusuna ışık tutmaktadır. allotropik modifikasyon esasen kömürün amorfizmi veya kristalliği sorunu olan karbon: eğer kömür amorf bir oluşumsa, o zaman olamaz. ne grafitle ne de elmasla tanımlanmaz, ancak şu şekilde düşünülmelidir: özel biçim bireysel basit bir madde olarak karbon. Bir elmasta, karbon atomları, her atom, köşeleri 4 bitişik atom olan bir tetrahedronun merkezinde yer alacak şekilde düzenlenir; sonrakilerin her biri, sırayla, bu tür başka bir tetrahedronun merkezidir; bitişik atomlar arasındaki mesafeler 1,54 Ᾰ'dir (kristal kafesin temel küpünün kenarı 3,55 Ᾰ'dir). Bu yapı en kompakt olanıdır; elmasın yüksek sertliğine, yoğunluğuna ve kimyasal eylemsizliğine karşılık gelir (değerlik kuvvetlerinin düzgün dağılımı). Elmas kafesteki karbon atomlarının karşılıklı bağlanması, çoğu yağlı organik bileşiğin (karbonun dört yüzlü modeli) moleküllerindekiyle aynıdır. Grafit kristallerinde, karbon atomları birbirinden 3,35-3,41 Ᾰ aralıklı yoğun katmanlar halinde düzenlenir; mekanik deformasyonlar sırasında bu tabakaların yönü yarılma düzlemleri ve kayma düzlemleri ile çakışmaktadır. Her katmanın düzleminde, atomlar altıgen hücrelerle (şirketler) bir ızgara oluşturur; böyle bir altıgenin kenarı 1,42-1,45 Ᾰ'dir. Bitişik katmanlarda, altıgenler alt alta uzanmaz: dikey çakışmaları ancak üçüncü katmanda 2 katmandan sonra tekrarlanır. Her bir karbon atomunun üç bağı aynı düzlemde yer alır ve 120°'lik açılar oluşturur; 4. bağ, düzlemden komşu katmanların atomlarına dönüşümlü olarak bir yönde veya başka bir yönde yönlendirilir. Bir katmandaki atomlar arasındaki mesafeler kesinlikle sabitken, tek tek katmanlar arasındaki mesafe olabilir dış etkilerle değişti: örneğin, 5000 atm'ye kadar basınç altında basıldığında 2,9 Ᾰ'ye düşer ve grafit konsantre HNO 3'te şiştiğinde 8 Ᾰ'ye yükselir. Bir katmanın düzleminde, karbon atomları homeopolar olarak bağlanır (hidrokarbon zincirlerinde olduğu gibi), bitişik katmanların atomları arasındaki bağlar ise doğası gereği oldukça metaliktir; bu durum grafit kristallerinin katmanlara dik yöndeki elektriksel iletkenliğinin katman yönündeki iletkenlikten ~100 kat daha yüksek olmasından görülebilir. O. Grafit, bir yönde bir metalin özelliklerine ve diğer yönde bir ametalin özelliklerine sahiptir. Grafit kafesin her katmanındaki karbon atomlarının düzeni, karmaşık aromatik bileşiklerin moleküllerindekiyle tamamen aynıdır. Bu konfigürasyon, grafitin keskin anizotropisini, istisnai olarak geliştirilmiş bölünmeyi, sürtünme önleme özelliklerini ve oksidasyonu sırasında aromatik bileşiklerin oluşumunu çok iyi açıklar. Görünüşe göre siyah karbonun amorf modifikasyonu bağımsız bir form olarak var (O. Ruff). Onun için en muhtemel olanı, herhangi bir düzenlilikten yoksun, köpüklü bir hücresel yapıdır; bu tür hücrelerin duvarları aktif atom katmanlarından oluşur. karbon yaklaşık 3 atom kalınlığında. Uygulamada, kömürün aktif maddesi genellikle grafit benzeri yönlendirilmiş, yakın aralıklı aktif olmayan karbon atomlarından oluşan bir kabuğun altında bulunur ve çok küçük grafit kristalitlerinin inklüzyonları ile nüfuz eder. Muhtemelen kesin bir kömür → grafit dönüşümü noktası yoktur: her iki modifikasyon arasında, rastgele kalabalık amorf kömür C-atomlarının grafitin düzenli kristal kafesine yeniden düzenlendiği sürekli bir geçiş meydana gelir. Rastgele dizilişleri nedeniyle, amorf kömürdeki karbon atomları, (Langmuir'in adsorpsiyon kuvvetlerinin değerlik kuvvetleriyle özdeşliği hakkındaki fikirlerine göre) kömürün çok karakteristik özelliği olan yüksek adsorpsiyon ve katalitik aktiviteye karşılık gelen maksimum artık afinite gösterir. Kristal kafeste yönlendirilmiş karbon atomları, tüm ilgilerini (elmasta) veya çoğunu (grafitte) karşılıklı yapışma için harcar; bu, kimyasal aktivitede ve adsorpsiyon aktivitesinde bir azalmaya karşılık gelir. Elmas için, adsorpsiyon yalnızca tek bir kristalin yüzeyinde mümkündür, grafit için ise her bir düz kafesin her iki yüzeyinde (atom katmanları arasındaki "boşluklarda") kalıntı değerlik görünebilir, bu grafit gerçeğiyle doğrulanır. sıvılarda şişebilir (HNO 3) ve grafit aside oksidasyonunun mekanizması.
Karbonun teknik önemi. b'ye gelince. veya kömürleşme ve koklaşma prosesleri sırasında elde edilen serbest karbon m., daha sonra teknolojide kullanımı hem kimyasal (inertlik, indirgeme yeteneği) hem de fiziksel özelliklerine (ısı direnci, elektrik iletkenliği, adsorpsiyon kapasitesi) dayanmaktadır. Bu nedenle, kok ve odun kömürü, alevsiz yakıt olarak kısmen doğrudan kullanımlarına ek olarak, gazlı yakıt (jeneratör gazları) üretmek için kullanılır; demir ve demir dışı metallerin metalürjisinde - metal oksitlerin (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi) indirgenmesi için; kimyasal teknolojide - sülfatlardan, susuz klorür tuzlarından (Mg, Al), metal oksitlerden sülfidlerin (Na, Ca, Ba) üretiminde, çözünebilir cam ve fosfor üretiminde indirgeyici bir ajan olarak - için bir hammadde olarak kalsiyum karbür, karborundum ve diğer karbürler karbon disülfür vb. üretimi; inşaat işinde - ısı yalıtım malzemesi olarak. İmbik kömürü ve kok kömürü, elektrikli fırınların, elektrolitik banyoların ve galvanik hücrelerin elektrotları için, ark kömürleri, reostalar, toplayıcı fırçalar, eritme potaları vb. üretimi için malzeme olarak ve ayrıca kule tipi kimyasal ekipmanda bir ambalaj olarak hizmet eder. Kömür, yukarıdaki uygulamalara ek olarak, çeliği karbonlamak için konsantre karbon monoksit, siyanür tuzları elde etmek için kullanılır, bir adsorban olarak, bazı sentetik reaksiyonlar için bir katalizör olarak yaygın olarak kullanılır ve son olarak kara barut ve diğer patlayıcıların bir parçasıdır. piroteknik bileşimler.
Analitik karbon tayini. Niteliksel olarak, karbon, bir maddenin numunesini havaya erişimi olmayan (tüm maddeler için uygun olmaktan uzak) kömürleştirerek veya çok daha güvenilir olan, örneğin bakır ile bir karışım içinde kalsine ederek kapsamlı bir şekilde oksitleyerek belirlenir. oksit ve C02 oluşumu sıradan reaksiyonlarla kanıtlanmıştır. Karbonu ölçmek için, bir maddenin numunesi oksijen atmosferinde yakılır; ortaya çıkan C02, alkali solüsyon tarafından yakalanır ve geleneksel kantitatif analiz yöntemleriyle ağırlık veya hacim olarak belirlenir. Bu yöntem, sadece organik bileşiklerde ve endüstriyel kömürlerde değil, aynı zamanda metallerde de karbon tayini için uygundur.
Bir elmasın yapısı (a) ve grafit (b)
Karbon(Latince karbonyum) - C, Mendeleev'in periyodik sisteminin IV grubunun kimyasal bir elementi, atom numarası 6, atom kütlesi 12.011. Doğada elmas, grafit veya fulleren kristalleri ve diğer formlarda bulunur ve organik (kömür, petrol, hayvan ve bitki organizmaları vb.) ve inorganik maddelerin (kireçtaşı, kabartma tozu vb.) bir parçasıdır. Karbon yaygındır, ancak yer kabuğundaki içeriği yalnızca %0,19'dur.
Karbon, formda yaygın olarak kullanılır. basit maddeler. Takıya konu olan değerli pırlantaların yanı sıra, büyük önem endüstriyel elmaslara sahip - taşlama ve kesme aletlerinin üretimi için. Kömür ve diğer amorf karbon formları, gelişmiş bir yüzeye sahip adsorbanların gerekli olduğu teknoloji alanlarında renk giderimi, saflaştırma, gazların adsorpsiyonu için kullanılır. Karbürler, karbonun metallerle, ayrıca bor ve silikonla bileşikleri (örneğin, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) oldukça serttir ve aşındırıcı ve kesici aletler yapmak için kullanılır. Karbon, çeliklerde ve alaşımlarda element halinde ve karbürler halinde bulunur. Çelik dökümlerin yüzeyinin yüksek sıcaklıkta karbon ile doyurulması (karbonlama) yüzey sertliğini ve aşınma direncini önemli ölçüde artırır.
Geçmiş referansı
Grafit, elmas ve amorf karbon antik çağlardan beri bilinmektedir. Diğer malzemelerin grafit ile işaretlenebileceği uzun zamandır biliniyor ve Yunanca "yazmak" anlamına gelen "grafit" adının kendisi 1789'da A. Werner tarafından önerildi. kafası karışmış, genellikle benzer dış fiziksel özelliklere sahip maddeler bununla karıştırılıyordu. , bir zamanlar grafit olarak kabul edilen molibdenit (molibden sülfit) gibi. Grafitin diğer isimleri arasında "siyah kurşun", "demir karbür", "gümüş kurşun" bilinmektedir.
1779'da K. Scheele, grafitin hava ile oksitlenerek karbondioksit oluşturabileceğini buldu. Elmas ilk kez Hindistan'da kullanım alanı buldu ve Brezilya'da değerli taşlar 1725'te ticari önem kazandı; Güney Afrika'daki yataklar 1867'de keşfedildi.
20. yüzyılda Başlıca elmas üreticileri Güney Afrika, Zaire, Botsvana, Namibya, Angola, Sierra Leone, Tanzanya ve Rusya'dır. Teknolojisi 1970 yılında oluşturulan yapay elmaslar, endüstriyel amaçlar için üretilmektedir.
Özellikleri
Karbonun dört kristal modifikasyonu bilinmektedir:
- grafit,
- elmas,
- karabina,
- lonsdaleyt.
Grafit- gri-siyah, opak, dokunuşta yağlı, pullu, metalik parlaklığa sahip çok yumuşak kütle. Oda sıcaklığında ve normal basınçta (0,1 MN/m2 veya 1 kgf/cm2), grafit termodinamik olarak kararlıdır.
Elmas- çok katı, kristal madde. Kristaller kübik yüz merkezli bir kafese sahiptir. Oda sıcaklığında ve normal basınçta, elmas yarı kararlıdır. Vakumda veya inert bir atmosferde 1400°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda elmasın grafite belirgin bir dönüşümü gözlenir. Atmosferik basınçta ve yaklaşık 3700 ° C sıcaklıkta grafit süblimleşir.
Sıvı karbon, 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) üzerindeki basınçlarda ve 3700°C üzerindeki sıcaklıklarda elde edilebilir. Katı karbon (kok, kurum, odun kömürü) aynı zamanda düzensiz bir yapıya sahip bir durumla da karakterize edilir - bağımsız bir modifikasyon olmayan sözde "amorf" karbon; yapısı ince taneli grafit yapısına dayanmaktadır. Bazı "amorf" karbon çeşitlerinin hava olmadan 1500-1600 °C'nin üzerinde ısıtılması grafite dönüşmelerine neden olur.
"Amorf" karbonun fiziksel özellikleri büyük ölçüde parçacıkların dağılımına ve safsızlıkların varlığına bağlıdır. "Amorf" karbonun yoğunluğu, ısı kapasitesi, termal iletkenliği ve elektrik iletkenliği her zaman grafitten daha yüksektir.
karabina yapay olarak elde edilmiştir. Siyah renkli ince kristal bir tozdur (yoğunluk 1.9-2 g / cm3). Uzun atom zincirlerinden yapılmış İTİBAREN birbirine paralel olarak döşenir.
Lonsdaleit göktaşlarında bulunan ve yapay olarak elde edilen; yapısı ve özellikleri kesin olarak belirlenmemiştir.
karbonun özellikleri | ||
---|---|---|
atomik numara | 6 | |
atom kütlesi | 12,011 | |
izotoplar: | kararlı | 12, 13 |
dengesiz | 8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 | |
Erime sıcaklığı | 3550°С | |
kaynama sıcaklığı | 4200°C | |
Yoğunluk | 1,9-2,3 gr/cm3 (grafit) 3,5-3,53 gr/cm3 (elmas) |
|
Sertlik (Mohs) | 1-2 | |
Yerkabuğundaki içerik (kütle.) | 0,19% | |
oksidasyon durumları | -4; +2; +4 |
Alaşımlar
Çelik
Kok, metalürjide indirgeyici bir madde olarak kullanılır. Kömür - demirhanelerde barut (%75 KNO 3 + %13 C + %12 S) elde etmek, gazları emmek (adsorpsiyon) ve günlük yaşamda. Kurum, siyah boyaların - baskı mürekkebi ve mürekkebin yanı sıra kuru galvanik hücrelerde - üretimi için kauçuk dolgu maddesi olarak kullanılır. Camsı karbon, havacılık ve uzay bilimlerinin yanı sıra oldukça agresif ortamlar için ekipman üretiminde kullanılır.
Aktif kömür, gazlardan ve sıvılardan zararlı maddeleri emer: gaz maskelerini, arıtma sistemlerini doldurur, tıpta zehirlenme için kullanılır.
Karbon tüm organik maddelerin temelidir. Her canlı organizma büyük ölçüde karbondan. Karbon yaşamın temelidir. Canlı organizmalar için karbon kaynağı genellikle atmosferden veya sudan gelen CO2'dir. Fotosentez sonucunda, canlıların birbirlerini ya da birbirlerinin kalıntılarını yedikleri biyolojik besin zincirlerine girerler ve böylece kendi vücutlarını oluşturmak için karbon çıkarırlar. Karbonun biyolojik döngüsü ya oksidasyon ve atmosfere geri dönüş ile ya da kömür ya da petrol şeklinde atılmasıyla sona erer.
Radyoaktif izotop 14 C'nin kullanılması başarıya katkıda bulundu moleküler Biyoloji protein biyosentezi ve transmisyon mekanizmalarının incelenmesinde kalıtsal bilgi. Karbonlu organik kalıntılarda 14 C'nin spesifik aktivitesinin belirlenmesi, paleontoloji ve arkeolojide kullanılan yaşlarını yargılamayı mümkün kılar.
kaynaklar
Kimyasal elementler ve malzemeler |
||
---|---|---|
Kimyasal elementler | Azot. Argon. Hidrojen. Helyum. Ütü . Kalsiyum. Oksijen. Silikon. Magnezyum. Manganez. |
Fiziksel özellikler: karbon birçok allotropik modifikasyon oluşturur: elmas en sert maddelerden biri grafit, kömür, is.
Bir karbon atomunun 6 elektronu vardır: 1s 2 2s 2 2p 2 . Son iki elektron ayrı p-orbitallerde bulunur ve eşleştirilmemiştir. Prensip olarak, bu çift bir yörünge işgal edebilir, ancak bu durumda elektronlar arası itme güçlü bir şekilde artar. Bu nedenle biri 2p x, diğeri 2p y alır. , veya 2p z-orbitalleri.
Dış katmanın s- ve p-alt seviyelerinin enerjileri arasındaki fark küçüktür, bu nedenle atom, 2s-yörüngesinden gelen iki elektrondan birinin serbest olana geçtiği, oldukça kolay bir şekilde uyarılmış bir duruma geçer. 2r. 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 konfigürasyonuna sahip bir değerlik durumu ortaya çıkar . Elmas kafesin özelliği, karbon atomunun bu halidir - hibrit orbitallerin dört yüzlü uzamsal düzenlemesi, aynı bağ uzunluğu ve enerji.
Bu fenomenin çağrıldığı bilinmektedir. sp 3 -hibridizasyon, ve elde edilen fonksiyonlar sp 3 -hybrid . Dört sp 3 bağının oluşumu, karbon atomuna üçten daha kararlı bir durum sağlar. rr- ve bir s-s-bağı. Karbon atomunda sp 3 hibritleşmesine ek olarak sp 2 ve sp hibritleşmesi de gözlenir. . İlk durumda, karşılıklı bir örtüşme var s- ve iki p-orbital. Aynı düzlemde birbirine 120 ° açıyla yerleştirilmiş üç eşdeğer sp 2 - hibrit orbital oluşur. Üçüncü yörünge p değişmez ve düzleme dik olarak yönlendirilir sp2.
Sp hibridizasyonunda, s ve p orbitalleri örtüşür. Oluşan iki eşdeğer hibrit orbital arasında 180°'lik bir açı oluşurken, atomların her birinin iki p-orbitali değişmeden kalır.
Karbon allotropisi. elmas ve grafit
Bir grafit kristalinde, karbon atomları, içlerindeki düzenli altıgenlerin köşelerini işgal ederek paralel düzlemlerde bulunur. Karbon atomlarının her biri, üç bitişik sp2 hibrit bağına bağlıdır. Paralel düzlemler arasındaki bağlantı, van der Waals kuvvetleri nedeniyle gerçekleştirilir. Her bir atomun serbest p-orbitalleri, kovalent bağların düzlemlerine dik olarak yönlendirilir. Çakışmaları, karbon atomları arasındaki ek π-bağını açıklar. yani dan karbon atomlarının bir maddede bulunduğu değerlik durumu, bu maddenin özellikleri bağlıdır.
Karbonun kimyasal özellikleri
En karakteristik oksidasyon durumları: +4, +2.
Düşük sıcaklıklarda karbon inerttir, ancak ısıtıldığında aktivitesi artar.
Bir indirgeyici madde olarak karbon:
- oksijen ile
C 0 + O 2 - t ° \u003d CO 2 karbondioksit
oksijen eksikliği ile - eksik yanma:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O karbon monoksit
- flor ile
C + 2F 2 = CF 4
- buharlı
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 su gazı
— metal oksitlerle. Bu şekilde metal cevherden eritilir.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2
- asitlerle - oksitleyici maddelerle:
C 0 + 2H 2 SO 4 (kons.) \u003d C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (kons.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O
- kükürt ile karbon disülfit oluşturur:
C + 2S 2 \u003d CS 2.
Oksitleyici bir ajan olarak karbon:
- bazı metallerle karbür oluşturur
4Al + 3C 0 \u003d Al 4 C 3
Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4
- hidrojen ile - metan (ayrıca çok miktarda organik bileşik)
C 0 + 2H 2 \u003d CH 4
- silisyum ile karborundum oluşturur (2000 °C'de bir elektrikli fırında):
Doğada karbon bulmak
Serbest karbon, elmas ve grafit olarak oluşur. Bileşikler şeklinde, minerallerde karbon bulunur: tebeşir, mermer, kireçtaşı - CaCO 3, dolomit - MgCO 3 * CaCO 3; bikarbonatlar - Mg (HCO 3) 2 ve Ca (HCO 3) 2, CO 2 havanın bir parçasıdır; karbon, doğal organik bileşiklerin ana bileşenidir - gaz, petrol, kömür, turba, canlı organizmaların bir parçası olan organik maddelerin, proteinlerin, yağların, karbonhidratların, amino asitlerin bir parçasıdır.
inorganik karbon bileşikleri
Ne C4+ ne de C4- iyonları herhangi bir geleneksel kimyasal işlemde oluşmaz: karbon bileşiklerinde farklı polariteye sahip kovalent bağlar vardır.
Karbon monoksit (II) BÖYLE
Karbonmonoksit; renksiz, kokusuz, suda az çözünür, organik çözücülerde çözünür, zehirli, bp = -192°C; t kare = -205°C.
Fiş
1) Endüstride (gaz jeneratörlerinde):
C + Ö 2 = CO 2
2) Laboratuarda - formik veya oksalik asidin H2S04 (kons.) varlığında termal ayrışması:
HCOOH = H2O + CO
H 2 C 2 O 4 \u003d CO + CO 2 + H 2 O
Kimyasal özellikler
Olağan koşullar altında CO inerttir; ısıtıldığında - indirgeyici madde; tuz oluşturmayan oksit.
1) oksijen ile
2C +2 O + O2 \u003d 2C +4 O2
2) metal oksitlerle
C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O2
3) klor ile (ışıkta)
CO + Cl2 - hn \u003d COCl2 (fosgen)
4) alkali eriyikleri ile reaksiyona girer (basınç altında)
CO + NaOH = HCONa (sodyum format)
5) geçiş metalleri ile karboniller oluşturur
Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4
Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5
Karbon monoksit (IV) CO2
Karbondioksit, renksiz, kokusuz, suda çözünürlük - 0.9V CO2, 1V H20'da çözünür (normal koşullar altında); Havadan ağır; t°pl.= -78.5°C (katı C02 "kuru buz" olarak adlandırılır); yanmayı desteklemez.
Fiş
- Karbonik asit tuzlarının (karbonatlar) termal bozunması. Kireç taşı pişirme:
CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2
- Güçlü asitlerin karbonatlar ve bikarbonatlar üzerindeki etkisi:
CaCO3 + 2HCl \u003d CaCl2 + H20 + CO2
NaHCO3 + HCI \u003d NaCl + H20 + CO2
KimyasalözellikleriCO2
Asit oksit: karbonik asit tuzları oluşturmak için bazik oksitler ve bazlarla reaksiyona girer
Na2O + CO2 \u003d Na2C03
2NaOH + CO2 \u003d Na2C03 + H20
NaOH + CO2 \u003d NaHC03
Yüksek sıcaklıklarda oksitleyici özellikler sergileyebilir
C +4 O 2 + 2Mg - t ° \u003d 2Mg +2 O + C 0
Kalitatif reaksiyon
Kireç suyunun bulanıklığı:
Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 3 ¯ (beyaz çökelti) + H 2 O
CO 2 uzun süre kireçli sudan geçirildiğinde yok olur çünkü. çözünmeyen kalsiyum karbonat, çözünür bikarbonata dönüştürülür:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2
karbonik asit ve onuntuz
H2CO3 — Zayıf asit, sadece sulu çözeltide bulunur:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3
Çift taban:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Asit tuzları - bikarbonatlar, bikarbonatlar
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Orta tuzlar - karbonatlar
Asitlerin tüm özellikleri karakteristiktir.
Karbonatlar ve bikarbonatlar birbirine dönüştürülebilir:
2NaHCO 3 - t ° \u003d Na2C03 + H20 + CO2
Na2C03 + H20 + CO2 \u003d 2NaHCO3
Metal karbonatlar (alkali metaller hariç) bir oksit oluşturmak üzere ısıtıldığında dekarboksilat:
CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2
Kalitatif reaksiyon- güçlü bir asidin etkisi altında "kaynama":
Na2C03 + 2HCl \u003d 2NaCl + H20 + CO2
CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2
karbürler
kalsiyum karbür:
CaO + 3 C = CaC 2 + CO
CaC2 + 2 H20 \u003d Ca (OH) 2 + C2H2.
Çinko, kadmiyum, lantan ve seryum karbürler su ile reaksiyona girdiğinde asetilen açığa çıkar:
2 LaC2 + 6 H20 \u003d 2La (OH) 3 + 2 C2H2 + H2.
Be 2 C ve Al 4 C 3 metan oluşturmak için su ile ayrıştırılır:
Al 4 C3 + 12 H20 \u003d 4 Al (OH) 3 \u003d 3 CH 4.
Teknolojide titanyum karbürler TiC, tungsten W 2 C (sert alaşımlar), silikon SiC (karborundum - bir aşındırıcı ve ısıtıcılar için bir malzeme olarak) kullanılmaktadır.
siyanürler
sodanın amonyak ve karbon monoksit atmosferinde ısıtılmasıyla elde edilir:
Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2
Hidrosiyanik asit HCN, organik sentezde yaygın olarak kullanılan önemli bir kimya endüstrisi ürünüdür. Dünya üretimi yılda 200 bin tona ulaşıyor. Elektronik yapı siyanür anyonu, karbon monoksite (II) benzer şekilde, bu tür parçacıklara izoelektronik denir:
C = O:[:C = N:]-
Altın madenciliğinde siyanürler (%0.1-0.2 sulu çözelti) kullanılır:
2 Au + 4 KCN + H20 + 0.5 O2 \u003d 2 K + 2 KOH.
Siyanür çözeltileri kükürt ile kaynatıldığında veya katılar eritildiğinde, tiyosiyanatlar:
KCN + S = KSCN.
Düşük aktif metallerin siyanürleri ısıtıldığında siyanür elde edilir: Hg (CN) 2 \u003d Hg + (CN) 2. siyanür çözeltileri oksitlenir siyanatlar:
2KCN + O2 = 2KOCN.
Siyanik asit iki şekilde bulunur:
H-N=C=O; H-O-C = N:
1828'de Friedrich Wöhler (1800-1882), sulu bir çözeltiyi buharlaştırarak amonyum siyanattan üre elde etti: NH4OCN \u003d CO (NH2)2.
Bu olay genellikle sentetik kimyanın "hayati teori" üzerindeki zaferi olarak görülür.
Bir siyanik asit izomeri var - fulminik asit
H-O-N=C.
Tuzları (cıva fulminat Hg(ONC) 2) darbeli ateşleyicilerde kullanılır.
sentez üre(karbamid):
C02 + 2 NH3 \u003d CO (NH2)2 + H20. 130 0 C ve 100 atm'de.
Üre, bir karbonik asit amididir, ayrıca "nitrojen analoğu" - guanidin de vardır.
karbonatlar
En önemli organik bileşikler karbon - karbonik asit tuzları (karbonatlar). H2C03 zayıf bir asittir (K 1 \u003d 1.3 10 -4; K 2 \u003d 5 10 -11). Karbonat tampon destekleri karbondioksit dengesi atmosferde. Okyanuslar açık bir sistem oldukları için çok büyük bir tampon kapasiteye sahiptirler. Ana tampon reaksiyonu, karbonik asidin ayrışması sırasındaki dengedir:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.
Asitlikte bir azalma ile, asit oluşumu ile atmosferden ilave karbondioksit emilimi meydana gelir:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.
Asitliğin artmasıyla birlikte karbonat kayaları (okyanustaki kabuklar, tebeşir ve kireçtaşı birikintileri) çözülür; bu, hidrokarbonat iyonlarının kaybını telafi eder:
H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -
CaCO 3 (tv.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-
Katı karbonatlar çözünür hidrokarbonlara dönüştürülür. "Sera etkisine" - Dünya'nın termal radyasyonunun karbondioksit tarafından emilmesinden kaynaklanan küresel ısınmaya - karşı koyan, fazla karbon dioksitin bu kimyasal çözünme sürecidir. Dünya soda üretiminin yaklaşık üçte biri (sodyum karbonat Na2CO3) cam imalatında kullanılmaktadır.
MOU "Nikiforovskaya ortalaması Kapsamlı okul№1"
Karbon ve ana inorganik bileşikleri
Öz
Tamamlayan: 9B sınıfı öğrencisi
Sidorov İskender
Öğretmen: Sakharova L.N.
Dmitriyevka 2009
giriiş
Bölüm I. Karbon Hakkında Her Şey
1.1. doğada karbon
1.2. Karbonun allotropik modifikasyonları
1.3. Karbonun kimyasal özellikleri
1.4. karbon uygulaması
Bölüm II. inorganik karbon bileşikleri
Çözüm
Edebiyat
giriiş
Karbon (lat. Carboneum) C, Mendeleev periyodik sisteminin IV. Grubunun bir kimyasal elementidir: atom numarası 6, atom kütlesi 12.011(1). Karbon atomunun yapısını düşünün. Karbon atomunun dış enerji seviyesinde dört elektron vardır. Grafiği çizelim:
Karbon eski zamanlardan beri biliniyor ve bu elementi keşfeden kişinin adı bilinmiyor.
XVII yüzyılın sonunda. Floransalı bilim adamları Averani ve Targioni, birkaç küçük elması tek bir büyük elmasta birleştirmeye çalıştılar ve güneş ışınlarıyla yanan cam yardımıyla onları ısıttılar. Elmaslar havada yandıktan sonra kayboldu. 1772'de Fransız kimyager A. Lavoisier, elmasın yanması sırasında CO2 oluştuğunu gösterdi. Sadece 1797'de İngiliz bilim adamı S. Tennant, grafit ve kömürün doğasının kimliğini kanıtladı. Eşit miktarda kömür ve elmas yakıldıktan sonra, karbon monoksit (IV) hacimlerinin aynı olduğu ortaya çıktı.
Atomlarının birbirleriyle ve diğer elementlerin atomlarıyla çeşitli şekillerde birleşebilmeleri ile açıklanan karbon bileşiklerinin çeşitliliği, karbonun diğer elementler arasındaki özel konumunu belirlemektedir.
Bölüm ben . Karbon hakkında her şey
1.1. doğada karbon
Karbon doğada hem serbest halde hem de bileşikler halinde bulunur.
Serbest karbon, elmas, grafit ve karabina olarak oluşur.
Elmaslar çok nadirdir. Bilinen en büyük elmas - "Cullinan" 1905 yılında Güney Afrika'da bulundu, 621,2 g ağırlığında ve 10 × 6,5 × 5 cm ölçülerinde Moskova'daki Elmas Fonu, dünyanın en büyük ve en güzel elmaslarından biri olan "Orlov" (37,92) g).
Elmas adını Yunancadan almıştır. "adamas" - yenilmez, yok edilemez. En önemli elmas yatakları Güney Afrika, Brezilya ve Yakutya'da bulunmaktadır.
Büyük grafit yatakları Almanya'da, Sri Lanka'da, Sibirya'da, Altay'da bulunmaktadır.
Ana karbon içeren mineraller şunlardır: manyezit MgCO3, kalsit (kireç spatı, kireçtaşı, mermer, tebeşir) CaCO3, dolomit CaMg (CO3)2, vb.
Tüm fosil yakıtlar - petrol, gaz, turba, taş ve linyit kömürü, şeyl - karbon bazında üretilir. Bileşimi karbona yakın olan bazı fosil kömürler %99'a kadar C içerir.
Karbon, yer kabuğunun %0,1'ini oluşturur.
Karbon monoksit (IV) şeklinde CO 2 karbon atmosferin bir parçasıdır. Hidrosferde büyük miktarda CO2 çözünür.
1.2. Karbonun allotropik modifikasyonları
Elemental karbon üç allotropik modifikasyon oluşturur: elmas, grafit, karabina.
1. Elmas, ışık ışınlarını son derece güçlü bir şekilde kıran renksiz, şeffaf kristal bir maddedir. Elmastaki karbon atomları sp 3 hibridizasyonu halindedir. Uyarılmış durumda, karbon atomlarındaki değerlik elektronları bozulur ve eşleşmemiş dört elektron oluşur. Kimyasal bağlar oluştuğunda, elektron bulutları aynı uzun şekli alır ve eksenleri tetrahedronun köşelerine doğru yönlendirilecek şekilde uzayda bulunur. Bu bulutların tepeleri diğer karbon atomlarının bulutları ile örtüştüğünde, kovalent bağlar 109°28" açıyla ortaya çıkar ve elmasın özelliği olan bir atomik kristal kafes oluşur.
Bir elmastaki her bir karbon atomu, tetrahedranın merkezinden köşelere doğru yönlerde yerleştirilmiş diğer dört karbon atomu ile çevrilidir. Tetrahedradaki atomlar arasındaki mesafe 0,154 nm'dir. Tüm bağların gücü aynıdır. Böylece, bir elmastaki atomlar çok sıkı bir şekilde "paketlenir". 20°C'de elmasın yoğunluğu 3,515 g/cm3'tür. Bu, olağanüstü sertliğini açıklar. Elmas iyi davranmıyor elektrik.
1961'de Sovyetler Birliği başladı endüstriyel üretim grafitten sentetik elmaslar.
Elmasların endüstriyel sentezinde, binlerce MPa'lık basınçlar ve 1500 ila 3000°C arasındaki sıcaklıklar kullanılır. İşlem, Ni gibi bazı metaller olabilen katalizörlerin varlığında gerçekleştirilir. Oluşan elmasların büyük kısmı küçük kristaller ve elmas tozudur.
Elmas, 1000 °C'nin üzerinde havaya erişmeden ısıtıldığında grafite dönüşür. 1750°C'de elmasın grafite dönüşümü hızla gerçekleşir.
Bir elmasın yapısı
2. Grafit, metalik bir parlaklığa sahip, dokunulduğunda yağlı, sertliği kağıttan bile düşük olan gri-siyah kristal bir maddedir.
Grafit kristallerindeki karbon atomları sp2 hibridizasyonu durumundadır: her biri komşu atomlarla üç kovalent σ bağı oluşturur. Bağ yönleri arasındaki açılar 120°'dir. Sonuç, düzenli altıgenlerden oluşan bir ızgaradır. Katman içindeki karbon atomlarının bitişik çekirdekleri arasındaki mesafe 0,142 nm'dir. Grafitteki her bir karbon atomunun dış tabakasının dördüncü elektronu, hibridizasyona dahil olmayan bir p-orbitalini işgal eder.
Karbon atomlarının hibrit olmayan elektron bulutları, katman düzlemine dik olarak yönlendirilir ve birbirleriyle örtüşerek delokalize σ-bağları oluşturur. Bir grafit kristalindeki komşu katmanlar, birbirlerinden 0,335 nm uzaklıkta bulunur ve esas olarak van der Waals kuvvetleri tarafından zayıf bir şekilde birbirine bağlanır. Bu nedenle, grafit düşük mekanik dayanıma sahiptir ve kendi içlerinde çok güçlü olan pullara kolayca ayrılır. Grafitteki karbon atomlarının katmanları arasındaki bağ kısmen metaliktir. Bu, grafitin elektriği iyi ilettiği, ancak yine de metaller kadar iyi iletmediği gerçeğini açıklar.
grafit yapı
Grafitteki fiziksel özellikler, karbon atomlarının katmanlarına dik ve paralel yönlerde büyük farklılıklar gösterir.
Havasız ısıtıldığında grafit 3700°C'ye kadar herhangi bir değişikliğe uğramaz. Bu sıcaklıkta erimeden süblimleşir.
Yapay grafit, hava girişi olmayan elektrikli fırınlarda 3000°C'de en iyi taş kömürü derecelerinden elde edilir.
Grafit, geniş bir sıcaklık ve basınç aralığında termodinamik olarak kararlıdır, bu nedenle karbonun standart hali olarak kabul edilir. Grafitin yoğunluğu 2.265 g/cm3'tür.
3. Karbin - ince taneli siyah toz. onun içinde kristal yapı karbon atomları, doğrusal zincirlerde değişen tekli ve üçlü bağlarla bağlanır:
−С≡С−С≡С−С≡С−
Bu madde ilk olarak V.V. Korshak, AM Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. 1960'ların başında Kudryavtsev.
Daha sonra, karbinin var olabileceği gösterildi. değişik formlar ve karbon atomlarının bağlı olduğu hem poliasetilen hem de polikümülen zincirlerini içerir çift bağlar:
C=C=C=C=C=C=
Daha sonra karabina doğada - göktaşı maddesinde bulundu.
Carbyne yarı iletken özelliklere sahiptir, ışığın etkisi altında iletkenliği büyük ölçüde artar. Kristal kafeste farklı bağ tiplerinin ve karbon atomlarının zincirlerini istiflemenin farklı yollarının varlığından dolayı fiziksel özellikler karabina büyük ölçüde değişebilir. 2000°C'nin üzerinde hava erişimi olmadan ısıtıldığında, karabina kararlıdır, yaklaşık 2300°C'lik sıcaklıklarda grafite geçiş gözlenir.
Doğal karbon (%98.892) ve (%1.108) olmak üzere iki izotoptan oluşur. Ayrıca atmosferde yapay olarak elde edilen bir radyoaktif izotopun küçük safsızlıkları bulundu.
Daha önce, kömür, kurum ve kok kömürünün bileşim olarak saf karbona yakın olduğuna ve özellikleri bakımından elmas ve grafitten farklı olduğuna, karbonun bağımsız bir allotropik modifikasyonunu (“amorf karbon”) temsil ettiğine inanılıyordu. Bununla birlikte, bu maddelerin grafitte olduğu gibi karbon atomlarının bağlandığı en küçük kristal parçacıklardan oluştuğu bulundu.
4. Kömür - ince bölünmüş grafit. Hava erişimi olmayan karbon içeren bileşiklerin termal ayrışması sırasında oluşur. Kömürler, elde edildikleri maddeye ve üretim yöntemine bağlı olarak özelliklerde önemli farklılıklar gösterir. Her zaman özelliklerini etkileyen safsızlıklar içerirler. Kömürün en önemli dereceleri kok kömürü, odun kömürü ve kurumdur.
Kok, kömürün havasız ortamda ısıtılmasıyla elde edilir.
Odun kömürü havasız ortamda ısıtıldığında oluşur.
Kurum çok ince bir grafit kristal tozdur. Sınırlı hava erişimi olan hidrokarbonların (doğal gaz, asetilen, terebentin vb.) yanması sırasında oluşur.
Aktif karbonlar, esas olarak karbondan oluşan gözenekli endüstriyel adsorbanlardır. Adsorpsiyon, gazların ve çözünmüş maddelerin katıların yüzeyi tarafından emilmesidir. Aktif karbonlar katı yakıtlardan (turba, linyit ve taşkömürü, antrasit), odun ve ürünlerinden (kömür, talaş, kağıt üretim atıkları), deri endüstrisi atıklarından, kemik gibi hayvansal malzemelerden elde edilir. Yüksek mekanik dayanıma sahip kömürler, hindistancevizi ve diğer yemişlerin kabuklarından, meyve tohumlarından üretilir. Kömürlerin yapısı her boyuttaki gözeneklerle temsil edilir, bununla birlikte, adsorpsiyon kapasitesi ve adsorpsiyon hızı, birim kütle veya granül hacmi başına mikro gözeneklerin içeriği ile belirlenir. Aktif karbon üretiminde, hammadde önce hava girişi olmadan ısıl işleme tabi tutulur, bunun sonucunda içindeki nem ve kısmen reçineler çıkarılır. Bu durumda, kömürün geniş gözenekli bir yapısı oluşur. Mikro gözenekli bir yapı elde etmek için, aktivasyon ya gaz ya da buhar ile oksidasyon yoluyla ya da kimyasal reaktiflerle işlemden geçirilerek gerçekleştirilir.
1.3. Karbonun kimyasal özellikleri
Normal sıcaklıklarda elmas, grafit, kömür kimyasal olarak inerttir, ancak yüksek sıcaklıklarda aktiviteleri artar. Ana karbon formlarının yapısından da anlaşılacağı gibi, kömür grafitten ve hatta elmastan daha kolay reaksiyona girer. Grafit sadece elmastan daha reaktif olmakla kalmaz, aynı zamanda belirli maddelerle reaksiyona girerek elmasın oluşturmadığı ürünler oluşturabilir.
1. Oksitleyici bir madde olarak karbon, karbürleri oluşturmak için yüksek sıcaklıklarda belirli metallerle reaksiyona girer:
ZS + 4Al \u003d Al4C3 (alüminyum karbür).
2. Hidrojen ile kömür ve grafit hidrokarbonları oluşturur. En basit temsilci - metan CH4 - yüksek sıcaklıkta (600-1000 ° C) bir Ni katalizörü varlığında elde edilebilir:
C + 2H2CH4.
3. Oksijen ile etkileşime girdiğinde, karbon indirgeyici özellikler sergiler. Herhangi bir allotropik modifikasyonun karbonunun tamamen yanmasıyla, karbon monoksit (IV) oluşur:
C + O2 \u003d CO2.
Eksik yanma karbon monoksit (II) CO üretir:
C + O 2 \u003d 2CO.
Her iki reaksiyon da ekzotermiktir.
4. Kömürün indirgeme özellikleri, özellikle metal oksitlerle (çinko, bakır, kurşun vb.) Etkileşime girdiğinde belirgindir, örneğin:
C + 2CuO \u003d CO2 + 2Cu,
C + 2ZnO = CO2 + 2Zn.
Metalurjinin en önemli süreci bu reaksiyonlara dayanır - metallerin cevherlerden eritilmesi.
Diğer durumlarda, örneğin, kalsiyum oksit ile etkileşime girdiğinde karbürler oluşur:
CaO + 3C \u003d CaC2 + CO.
5. Kömür, sıcak konsantre sülfürik ve nitrik asitlerle oksitlenir:
C + 2H2S04 \u003d CO2 + 2SO2 + 2H20,
ZS + 4HNO3 \u003d ZSO2 + 4NO + 2H2O.
Tüm karbon formları alkalilere karşı dayanıklıdır!
1.4. karbon uygulaması
Elmaslar, çeşitli sert malzemeleri işlemek, camı kesmek, öğütmek, delmek ve oymak, kayaları delmek için kullanılır. Taşlama ve kesme işleminden sonra elmaslar mücevher olarak kullanılan elmaslara dönüşür.
Grafit, modern endüstri için en değerli malzemedir. Grafit, kalıplar, eritme potaları ve diğer refrakter ürünler yapmak için kullanılır. Yüksek kimyasal direnci nedeniyle grafit, içten grafit plakalarla kaplanmış boru ve aparatların imalatında kullanılır. Elektrik endüstrisinde, örneğin elektrotların imalatında önemli miktarda grafit kullanılmaktadır. Grafit, kayganlaştırıcı olarak kurşun kalem ve bazı boyalar yapmak için kullanılır. Çok saf grafit, nötronları yumuşatmak için nükleer reaktörlerde kullanılır.
Lineer bir karbon polimeri olan karabina, yüksek sıcaklıklarda ve ultra güçlü liflerde çalışabilen yarı iletkenlerin üretimi için umut verici bir malzeme olarak bilim adamlarının dikkatini çekiyor.
Kömür metalürji endüstrisinde, demircilikte kullanılır.
Kok, cevherlerden metallerin eritilmesinde indirgeyici bir madde olarak kullanılır.
Kurum, mukavemeti artırmak için kauçuğun dolgu maddesi olarak kullanılır, bu nedenle araba lastikleri siyahtır. Kurum ayrıca baskı mürekkepleri, mürekkep ve ayakkabı cilasının bir bileşeni olarak kullanılır.
Aktif karbonlar, çeşitli maddeleri saflaştırmak, çıkarmak ve ayırmak için kullanılır. Aktif karbonlar, gaz maskeleri için dolgu maddesi olarak ve tıpta bir emici madde olarak kullanılır.
Bölüm III . inorganik karbon bileşikleri
Karbon iki oksit oluşturur - karbon monoksit (II) CO ve karbon monoksit (IV) CO 2.
Karbon monoksit (II) CO renksiz, kokusuz bir gazdır, suda az çözünür. Çok zehirli olduğu için karbon monoksit olarak adlandırılır. Solunum sırasında kana girerek, hemoglobin ile hızlı bir şekilde birleşerek güçlü bir karboksihemoglobin bileşiği oluşturur ve böylece hemoglobini oksijen taşıma yeteneğinden mahrum eder.
%0,1 CO içeren havayı solurken kişi aniden bilincini kaybedebilir ve ölebilir. Yakıtın eksik yanması sırasında karbon monoksit oluşur, bu nedenle bacaların erken kapanması çok tehlikelidir.
Karbon monoksit (II), bildiğiniz gibi, tuz oluşturmayan oksitlere atıfta bulunur, çünkü metal olmayan bir oksit olduğundan, tuz ve su oluşturmak için alkaliler ve bazik oksitlerle reaksiyona girmesi gerekir, ancak bu gözlenmez.
2CO + O2 \u003d 2CO2.
Karbon monoksit (II), metal oksitlerden oksijen alabilir, yani. metalleri oksitlerinden kurtarır.
Fe 2 O 3 + ZSO \u003d 2Fe + ZSO 2.
Metalurjide demir eritme için kullanılan karbon monoksitin (II) bu özelliğidir.
Karbon monoksit (IV) CO 2 - yaygın olarak karbon dioksit olarak bilinir - renksiz, kokusuz bir gazdır. Havadan yaklaşık bir buçuk kat daha ağırdır. Normal şartlarda 1 hacim karbondioksit 1 hacim suda çözünür.
Yaklaşık 60 atm basınçta karbondioksit renksiz bir sıvıya dönüşür. Sıvı karbondioksit buharlaştığında, bir kısmı endüstride preslenen kar benzeri katı bir kütleye dönüşür - bu, bildiğiniz "kuru buz", yiyecek depolamak için kullanılır. Katı karbondioksitin moleküler bir kafese sahip olduğunu ve süblimleşme yeteneğine sahip olduğunu zaten biliyorsunuz.
Karbon dioksit CO 2 tipiktir asit oksit: Alkaliler (örneğin kireçli suda bulanıklığa neden olur), bazik oksitler ve su ile reaksiyona girer.
Yanmaz ve yanmayı desteklemez ve bu nedenle yangınları söndürmek için kullanılır. Bununla birlikte, magnezyum, oksit oluşturmak ve kurum olarak karbonu serbest bırakmak için karbon dioksit içinde yanmaya devam eder.
C02 + 2Mg \u003d 2MgO + C
Karbon dioksit, karbonik asit - karbonatların tuzları üzerinde hidroklorik, nitrik ve hatta asetik asit çözeltileri ile etki edilerek elde edilir. Laboratuarda, hidroklorik asidin tebeşir veya mermer üzerindeki etkisiyle karbondioksit üretilir.
CaCO3 + 2HCl \u003d CaCl2 + H20 + C02.
Endüstride, kireç taşı yakılarak karbondioksit üretilir:
CaCO 3 \u003d CaO + C0 2.
Karbon dioksit, daha önce belirtilen uygulama alanına ek olarak, gazlı içeceklerin imalatında ve soda üretiminde de kullanılır.
Karbon monoksit (IV) suda çözüldüğünde, çok kararsız olan ve orijinal bileşenlerine - karbondioksit ve suya kolayca ayrışan karbonik asit H2C03 oluşur.
Bir dibazik asit olarak, karbonik asit iki dizi tuz oluşturur: orta - karbonatlar, örneğin CaC03 ve asidik - bikarbonatlar, örneğin Ca (HCO 3) 2. Karbonatlardan sadece potasyum, sodyum ve amonyum tuzları suda çözünür. Asit tuzları genellikle suda çözünür.
Su varlığında fazla miktarda karbondioksit ile karbonatlar hidrokarbonlara dönüşebilir. Yani, eğer karbon dioksit kireçli sudan geçirilirse, o zaman önce suda çözünmeyen kalsiyum karbonatın çökelmesi nedeniyle bulutlu hale gelir, ancak daha fazla karbondioksit geçişi ile çözünebilir kalsiyum bikarbonat oluşumu sonucu bulanıklık kaybolur. :
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2.
Suyun geçici sertliğini açıklayan bu tuzun varlığıdır. Neden geçici? Çünkü ısıtıldığında, çözünür kalsiyum bikarbonat tekrar çözünmeyen karbonata dönüşür:
Ca (HCO 3) 2 \u003d CaCO 3 ↓ + H 2 0 + C0 2.
Bu reaksiyon, kazanların, buharlı ısıtma borularının ve ev tipi su ısıtıcılarının duvarlarında kireç oluşumuna yol açar ve doğada bu reaksiyon sonucunda mağaralarda aşağıdan sarkıtların büyüdüğü tuhaf sarkıtlar oluşur.
Diğer kalsiyum ve magnezyum tuzları, özellikle klorürler ve sülfatlar suya kalıcı sertlik verir. Kaynayan kalıcı su sertliği ortadan kaldırılamaz. Başka bir karbonat - soda kullanmalısınız.
Bu Ca2+ iyonlarını çökelten Na2C03, örneğin:
CaCl2 + Na2C03 \u003d CaCO3 ↓ + 2NaCl.
Soda, suyun geçici sertliğini gidermek için de kullanılabilir.
Karbonatlar ve bikarbonatlar asit çözeltileri kullanılarak tespit edilebilir: asitlere maruz bırakıldığında, salınan karbondioksit nedeniyle karakteristik bir "kaynama" gözlenir.
Bu reaksiyon, karbonik asit tuzlarına kalitatif bir reaksiyondur.
Çözüm
Yeryüzündeki tüm yaşam karbona dayalıdır. Canlı bir organizmanın her molekülü, bir karbon iskeleti temelinde inşa edilmiştir. Karbon atomları sürekli olarak biyosferin bir bölümünden (Dünya'nın yaşamın var olduğu dar kabuğu) diğerine göç ediyor. Doğadaki karbon döngüsü örneğini kullanarak, dinamik olarak gezegenimizdeki yaşamın dinamiklerini takip edebilirsiniz.
Dünyadaki ana karbon rezervleri, atmosferde bulunan ve okyanuslarda çözünmüş olan karbondioksit, yani karbondioksit (CO 2) şeklindedir. Önce atmosferdeki karbondioksit moleküllerini ele alalım. Bitkiler bu molekülleri emer, ardından fotosentez sürecinde karbon atomu çeşitli organik bileşiklere dönüştürülür ve böylece bitkilerin yapısına dahil edilir. Aşağıda birkaç seçenek bulunmaktadır:
1. Bitkiler ölene kadar karbon bitkilerde kalabilir. Daha sonra molekülleri, mantarlar ve termitler gibi ayrıştırıcılar (ölü organik maddeyle beslenen ve aynı zamanda onu basit inorganik bileşiklere parçalayan organizmalar) tarafından yenilecektir. Sonunda karbon CO2 olarak atmosfere geri dönecektir;
2. Bitkiler otoburlar tarafından yenilebilir. Bu durumda karbon ya atmosfere geri dönecek (hayvanların solunumu sırasında ve ölümden sonra ayrışmaları sırasında) ya da otoburlar etoburlar tarafından yenecek (ve daha sonra karbon aynı yollarla tekrar atmosfere dönecektir);
3. Bitkiler ölebilir ve toprak altında kalabilir. Sonra sonunda fosil yakıtlara, örneğin kömüre dönüşecekler.
Orijinal CO 2 molekülünün deniz suyunda çözünmesi durumunda, birkaç seçenek de mümkündür:
Karbon dioksit basitçe atmosfere geri dönebilir (okyanuslar ve atmosfer arasında bu tür karşılıklı gaz alışverişi her zaman gerçekleşir);
Karbon, deniz bitkilerinin veya hayvanların dokularına girebilir. Daha sonra yavaş yavaş okyanusların dibinde çökeltiler şeklinde birikecek ve sonunda kireçtaşına dönüşecek veya çökeltilerden tekrar deniz suyuna geçecektir.
Karbon tortulara veya fosil yakıtlara dahil edildiğinde, atmosferden uzaklaştırılır. Dünyanın varlığı boyunca, bu şekilde çekilen karbonun yerini, volkanik patlamalar ve diğer jeotermal süreçler sırasında atmosfere salınan karbondioksit almıştır. Modern koşullarda, bu doğal faktörlere fosil yakıtların insan tarafından yakılmasından kaynaklanan emisyonlar da eklenir. CO 2'nin sera etkisi üzerindeki etkisi nedeniyle, karbon döngüsünün incelenmesi atmosfer bilimciler için önemli bir görev haline geldi.
ayrılmaz parça bu aramalardan biri, bitki dokularında (örneğin, yeni dikilmiş bir ormanda) bulunan CO 2 miktarını belirlemektir - bilim adamları buna karbon yutağı diyor. Çünkü hükümetler Farklı ülkeler CO 2 emisyonlarını sınırlamak için uluslararası bir anlaşmaya varmaya çalışırken, tek tek eyaletlerde yutak ve karbon emisyonlarının dengeli bir oranı konusu, ABD için önemli bir tartışma konusu haline geldi. sanayi ülkeleri. Ancak bilim adamları, atmosferdeki karbondioksit birikiminin tek başına orman tarlaları tarafından durdurulabileceğinden şüphe duyuyorlar.
Karbon, birbirine bağlı kapalı yollar boyunca dünyanın biyosferinde sürekli olarak dolaşır. Şu anda doğal süreçler yanan fosil yakıtların etkilerine eklendi.
Edebiyat:
1. Akhmetov N.S. Kimya 9. sınıf: ders kitabı. genel eğitim için ders kitabı kuruluşlar. - 2. baskı – M.: Aydınlanma, 1999. – 175 s.: hasta.
2. Gabrielyan O.S. Kimya 9. sınıf: ders kitabı. genel eğitim için ders kitabı kuruluşlar. - 4. baskı - M.: Bustard, 2001. - 224 s.: hasta.
3. Gabrielyan O.S. Kimya sınıfları 8-9: yöntem. ödenek. - 4. baskı – M.: Bustard, 2001. – 128 s.
4. Eroshin D.P., Shishkin E.A. Kimyada problem çözme yöntemleri: ders kitabı. ödenek. – M.: Aydınlanma, 1989. – 176 s.: hasta.
5. Kremenchugskaya M. Kimya: Okul Çocuklarının El Kitabı. – M.: Philol. Toplum "WORD": LLC "Yayınevi AST", 2001. - 478 s.
6. Kritsman V.A. İnorganik kimya üzerine kitap okumak. – M.: Aydınlanma, 1986. – 273 s.