Karbon ialah Atom karbon. Jisim karbon

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 05:36

Salah satu unsur paling menakjubkan yang boleh membentuk pelbagai jenis sebatian organik dan bukan organik ialah karbon. Unsur ini sangat luar biasa dalam sifatnya sehinggakan Mendeleev meramalkan masa depan yang hebat untuknya, bercakap tentang ciri yang masih belum didedahkan.

Kemudian ia telah disahkan secara praktikal. Telah diketahui bahawa ia adalah unsur biogenik utama planet kita, yang merupakan sebahagian daripada semua makhluk hidup. Selain itu, mampu wujud dalam bentuk yang berbeza secara radikal dalam semua aspek, tetapi pada masa yang sama hanya terdiri daripada atom karbon.

Secara amnya, struktur ini mempunyai banyak ciri, dan kami akan cuba menanganinya dalam perjalanan artikel.

Karbon: formula dan kedudukan dalam sistem unsur

Dalam sistem berkala, unsur karbon terletak dalam kumpulan IV (mengikut model baharu dalam 14), subkumpulan utama. Nombor sirinya ialah 6, dan berat atomnya ialah 12.011. Penamaan unsur dengan tanda C menunjukkan namanya dalam bahasa Latin - carboneum. Terdapat beberapa bentuk berbeza di mana karbon wujud. Oleh itu, formulanya berbeza dan bergantung pada pengubahsuaian tertentu.

Namun, untuk menulis persamaan tindak balas, tatatanda adalah khusus,sudah tentu ada. Secara umum, apabila bercakap tentang bahan dalam bentuk tulennya, formula molekul karbon C diterima pakai, tanpa pengindeksan.

Sejarah penemuan unsur

Unsur ini sendiri telah diketahui sejak zaman dahulu. Lagipun, salah satu mineral yang paling penting dalam alam semula jadi ialah arang batu. Oleh itu, bagi orang Yunani purba, Rom dan bangsa lain, dia bukanlah satu rahsia.

Selain varieti ini, berlian dan grafit juga digunakan. Terdapat banyak situasi yang mengelirukan dengan yang terakhir untuk masa yang lama, kerana selalunya, tanpa analisis komposisi, sebatian tersebut diambil untuk grafit, seperti:

• plumbum perak;
• karbid besi;
• molibdenum sulfida.

Semuanya dicat hitam dan oleh itu dianggap grafit. Kemudian, salah faham ini telah diselesaikan, dan bentuk karbon ini menjadi sendiri.

Sejak 1725, berlian mempunyai kepentingan komersial yang besar, dan pada tahun 1970, teknologi untuk mendapatkannya secara buatan telah dikuasai. Sejak 1779, terima kasih kepada karya Karl Scheele, sifat kimia yang dipamerkan karbon telah dikaji. Ini adalah permulaan siri penemuan penting dalam bidang elemen ini dan menjadi asas untuk mengetahui semua ciri yang paling unik.

Isotop karbon dan taburan dalam alam semula jadi

Walaupun fakta bahawa unsur yang dimaksudkan adalah salah satu biogenik yang paling penting, jumlah kandungannya dalam jisim kerak bumi ialah 0.15%. Ini disebabkan oleh fakta bahawa ia tertakluk kepada peredaran berterusan, kitaran semula jadi.

Secara umum, terdapat beberapasebatian mineral yang mengandungi karbon. Ini adalah baka semula jadi seperti:

• dolomites dan batu kapur;
• antrasit;
• syal minyak;
• gas asli;
• arang batu;
• minyak;
• lignit;
• gambut;
• bitumen.

Selain itu, kita tidak seharusnya melupakan makhluk hidup, yang hanya merupakan repositori sebatian karbon. Lagipun, mereka membentuk protein, lemak, karbohidrat, asid nukleik, yang bermaksud molekul struktur yang paling penting. Secara umum, dalam penukaran berat badan kering daripada 70 kg, 15 jatuh pada unsur tulen. Begitu juga dengan setiap orang, apatah lagi haiwan, tumbuhan dan makhluk lain.

Jika kita mempertimbangkan komposisi udara dan air, iaitu hidrosfera secara keseluruhan dan atmosfera, maka terdapat campuran karbon-oksigen, dinyatakan dengan formula CO_{2. Dioksida atau karbon dioksida adalah salah satu gas utama yang membentuk udara. Dalam bentuk inilah pecahan jisim karbon ialah 0.046%. Lebih banyak karbon dioksida terlarut dalam perairan lautan.}

Jisim atom karbon sebagai unsur ialah 12.011. Diketahui bahawa nilai ini dikira sebagai purata aritmetik antara berat atom semua spesies isotop yang wujud di alam semula jadi, dengan mengambil kira kelazimannya (sebagai peratusan). Ini juga berlaku untuk bahan yang dipersoalkan. Terdapat tiga isotop utama di mana karbon ditemui. Ini ialah:

• ¹²С - pecahan jisimnya dalam majoriti besar ialah 98.93%;
• ¹³C -1.07%;
• ¹⁴C - radioaktif, separuh hayat 5700 tahun, pemancar beta stabil.

Dalam amalan menentukan umur geokronologi sampel, isotop radioaktif ¹⁴С digunakan secara meluas, yang merupakan penunjuk kerana tempoh pereputannya yang lama.

Pengubahsuaian alotropik unsur

Karbon ialah unsur yang wujud sebagai bahan ringkas dalam beberapa bentuk. Iaitu, ia mampu membentuk bilangan pengubahsuaian alotropik terbesar yang diketahui hari ini.

1. Variasi kristal - wujud dalam bentuk struktur kuat dengan kekisi jenis atom biasa. Kumpulan ini termasuk varieti seperti:

• berlian;
• fullerenes;
• grafit;
• karbin;
• lonsdaleites;
• gentian karbon dan tiub.

Semuanya berbeza dalam struktur kekisi kristal, di mana nodnya terdapat atom karbon. Oleh itu, sifat yang benar-benar unik dan berbeza, kedua-dua fizikal dan kimia.

2. Bentuk amorfus - ia dibentuk oleh atom karbon, yang merupakan sebahagian daripada beberapa sebatian semula jadi. Iaitu, ini bukan jenis tulen, tetapi dengan kekotoran unsur lain dalam kuantiti yang kecil. Kumpulan ini termasuk:

• karbon teraktif;
• batu dan kayu;
• jelaga;
• carbon nanofoam;
• antrasit;
• karbon kaca;
• sejenis bahan teknikal.

Mereka juga disatukan oleh ciristruktur kekisi kristal, menerangkan dan menunjukkan sifat.

3. Sebatian karbon dalam bentuk kelompok. Struktur sedemikian di mana atom ditutup dalam rongga konformasi khas dari dalam, diisi dengan air atau nukleus unsur lain. Contoh:

• nanokon karbon;
• astralens;
• dicarbon.

Sifat fizikal karbon amorf

Disebabkan pelbagai jenis pengubahsuaian alotropik, adalah sukar untuk mengenal pasti sebarang sifat fizikal biasa bagi karbon. Lebih mudah untuk bercakap tentang borang tertentu. Contohnya, karbon amorf mempunyai ciri-ciri berikut.

1. Di tengah-tengah semua bentuk terdapat jenis grafit berhablur halus.
2. Kapasiti haba tinggi.
3. Sifat konduktif yang baik.
4. Ketumpatan karbon ialah kira-kira 2 g/cm³.
5. Apabila dipanaskan melebihi 1600 ⁰C, peralihan kepada bentuk grafit berlaku.

Jelaga, arang dan jenis batu digunakan secara meluas untuk tujuan perindustrian. Ia bukan manifestasi pengubahsuaian karbon dalam bentuk tulennya, tetapi mengandunginya dalam kuantiti yang sangat besar.

Karbon kristal

Terdapat beberapa pilihan di mana karbon ialah bahan yang membentuk kristal sekata pelbagai jenis, di mana atom disambung secara bersiri. Akibatnya, pengubahsuaian berikut terbentuk.

1. Berlian. Strukturnya adalah kubik, di mana empat tetrahedra disambungkan. Akibatnya, semua ikatan kimia kovalen setiap atomtepu maksimum dan tahan lama. Ini menerangkan sifat fizikal: ketumpatan karbon ialah 3300 kg/m³. Kekerasan tinggi, kapasiti haba yang rendah, kekurangan kekonduksian elektrik - semua ini adalah hasil daripada struktur kekisi kristal. Terdapat berlian yang diperoleh secara teknikal. Mereka terbentuk semasa peralihan grafit ke pengubahsuaian seterusnya di bawah pengaruh suhu tinggi dan tekanan tertentu. Secara umum, takat lebur berlian adalah setinggi kekuatan - kira-kira 3500 ⁰C.
2. Grafit. Atom disusun sama dengan struktur bahan sebelumnya, bagaimanapun, hanya tiga ikatan yang tepu, dan yang keempat menjadi lebih panjang dan kurang kuat, ia menghubungkan "lapisan" cincin heksagon kekisi. Akibatnya, ternyata grafit adalah bahan hitam lembut dan berminyak apabila disentuh. Ia mempunyai kekonduksian elektrik yang baik dan mempunyai takat lebur yang tinggi - 3525 ⁰C. Mampu pemejalwapan - pemejalwapan daripada keadaan pepejal kepada keadaan gas, memintas keadaan cecair (pada suhu 3700 ⁰С). Ketumpatan karbon ialah 2.26 g/cm^3, yang jauh lebih rendah daripada berlian. Ini menerangkan sifat mereka yang berbeza. Oleh kerana struktur berlapis kekisi kristal, adalah mungkin untuk menggunakan grafit untuk pembuatan petunjuk pensil. Apabila dileret ke atas kertas, kepingan mengelupas dan meninggalkan kesan hitam pada kertas.
3. Fullerenes. Mereka dibuka hanya pada tahun 80-an abad yang lalu. Ia adalah pengubahsuaian di mana karbon saling berkaitan dalam struktur tertutup cembung khas, yang mempunyai di tengahkekosongan. Dan bentuk kristal - polyhedron, organisasi yang betul. Bilangan atom adalah genap. Bentuk fullerene yang paling terkenal ialah С₆₀. Sampel bahan yang serupa ditemui semasa penyelidikan:

• meteorit;
• mendapan bawah;
• folgurite;
• shungite;
• angkasa lepas, yang terkandung dalam bentuk gas.

Semua jenis karbon kristal mempunyai kepentingan praktikal yang besar, kerana ia mempunyai beberapa sifat yang berguna dalam kejuruteraan.

Kereaktifan

Karbon molekul mempamerkan kereaktifan yang rendah kerana konfigurasinya yang stabil. Ia boleh dipaksa untuk memasuki tindak balas hanya dengan memberikan tenaga tambahan kepada atom dan memaksa elektron peringkat luar untuk menguap. Pada ketika ini, valensi menjadi 4. Oleh itu, dalam sebatian, ia mempunyai keadaan pengoksidaan + 2, + 4, - 4.

Secara praktikal semua tindak balas dengan bahan mudah, kedua-dua logam dan bukan logam, berlaku di bawah pengaruh suhu tinggi. Unsur yang dimaksudkan boleh menjadi agen pengoksida dan agen penurunan. Walau bagaimanapun, sifat yang terakhir ini amat ketara di dalamnya, dan ini adalah asas untuk kegunaannya dalam industri metalurgi dan lain-lain.

Secara umumnya, keupayaan untuk memasuki interaksi kimia bergantung kepada tiga faktor:

• penyebaran karbon;
• ubah suai alotropik;
• suhu tindak balas.

Oleh itu, dalam beberapa kes terdapat interaksi dengan yang berikutbahan:

• bukan logam (hidrogen, oksigen);
• logam (aluminium, besi, kalsium dan lain-lain);
• oksida logam dan garamnya.

Tidak bertindak balas dengan asid dan alkali, sangat jarang dengan halogen. Sifat karbon yang paling penting ialah keupayaan untuk membentuk rantai panjang antara satu sama lain. Mereka boleh menutup dalam kitaran, membentuk cawangan. Ini adalah bagaimana pembentukan sebatian organik, yang kini berjumlah berjuta-juta. Asas sebatian ini adalah dua unsur - karbon, hidrogen. Atom lain juga mungkin termasuk: oksigen, nitrogen, sulfur, halogen, fosforus, logam dan lain-lain.

Sebatian utama dan ciri-cirinya

Terdapat banyak sebatian berbeza yang mengandungi karbon. Formula yang paling terkenal ialah CO₂ - karbon dioksida. Walau bagaimanapun, sebagai tambahan kepada oksida ini, terdapat juga CO - monoksida atau karbon monoksida, serta suboksida C₃O₂.

Antara garam yang mengandungi unsur ini, yang paling biasa ialah kalsium dan magnesium karbonat. Jadi, kalsium karbonat mempunyai beberapa sinonim dalam nama, kerana ia berlaku dalam alam semula jadi dalam bentuk:

• kapur;
• marmar;
• batu kapur;
• dolomit.

Kepentingan karbonat logam alkali tanah dimanifestasikan dalam fakta bahawa mereka adalah peserta aktif dalam pembentukan stalaktit dan stalagmit, serta air bawah tanah.

Asid karbonik ialah sebatian lain yang membentuk karbon. Formulanya ialahH₂CO₃. Walau bagaimanapun, dalam bentuk biasa, ia sangat tidak stabil dan serta-merta terurai menjadi karbon dioksida dan air dalam larutan. Oleh itu, hanya garamnya yang diketahui, dan bukan dirinya sendiri, sebagai penyelesaian.

Karbon halida - diperoleh terutamanya secara tidak langsung, kerana sintesis langsung berlaku hanya pada suhu yang sangat tinggi dan dengan hasil produk yang rendah. Salah satu yang paling biasa - CCL₄ - karbon tetraklorida. Sebatian toksik yang boleh menyebabkan keracunan jika terhidu. Diperolehi melalui tindak balas penggantian fotokimia radikal atom hidrogen dalam metana.

Karbida logam ialah sebatian karbon di mana ia menunjukkan keadaan pengoksidaan sebanyak 4. Kewujudan perkaitan dengan boron dan silikon juga mungkin. Sifat utama karbida beberapa logam (aluminium, tungsten, titanium, niobium, tantalum, hafnium) adalah kekuatan tinggi dan kekonduksian elektrik yang sangat baik. Boron karbida В₄С ialah salah satu bahan paling keras selepas berlian (9.5 mengikut Mohs). Sebatian ini digunakan dalam kejuruteraan, serta dalam industri kimia, sebagai sumber untuk pengeluaran hidrokarbon (kalsium karbida dengan air membawa kepada pembentukan asetilena dan kalsium hidroksida).

Banyak aloi logam dibuat menggunakan karbon, dengan itu meningkatkan kualiti dan ciri teknikalnya dengan ketara (keluli ialah aloi besi dan karbon).

Perhatian khusus memerlukan banyak sebatian organik karbon, di mana ia merupakan unsur asas yang mampu bergabung dengan atom yang sama ke dalam rantai panjang pelbagai struktur. Ini termasuk:

• alkana;
• alkena;
• arena;
• protein;
• karbohidrat;
• asid nukleik;
• alkohol;
• asid karboksilik dan banyak kelas bahan lain.

Penggunaan karbon

Kepentingan sebatian karbon dan pengubahsuaian alotropiknya dalam kehidupan manusia adalah sangat tinggi. Anda boleh menamakan beberapa industri paling global untuk menjelaskan bahawa ini adalah benar.

1. Unsur ini membentuk semua jenis bahan api fosil yang daripadanya seseorang menerima tenaga.
2. Industri metalurgi menggunakan karbon sebagai agen penurunan terkuat untuk mendapatkan logam daripada sebatiannya. Karbonat juga digunakan secara meluas di sini.
3. Pembinaan dan industri kimia menggunakan sejumlah besar sebatian karbon untuk mensintesis bahan baharu dan mendapatkan produk yang diperlukan.

Anda juga boleh menamakan sektor ekonomi seperti:

• industri nuklear;
• barang kemas;
• peralatan teknikal (pelincir, mangkuk pijar tahan haba, pensel, dll.);
• penentuan umur geologi batuan - pengesan radioaktif ¹⁴С;
• karbon ialah penjerap yang sangat baik, yang menjadikannya sesuai untuk membuat penapis.

Peredaran di alam semula jadi

Jisim karbon yang terdapat di alam semula jadi termasuk dalam kitaran tetap yang berkitar setiap saat di seluruh dunia. Oleh itu, sumber karbon atmosfera - CO₂, diseraptumbuhan dan dikeluarkan oleh semua makhluk hidup dalam proses respirasi. Sekali di atmosfera, ia diserap semula, jadi kitaran tidak berhenti. Pada masa yang sama, kematian sisa organik membawa kepada pembebasan karbon dan pengumpulannya di dalam bumi, dari mana ia kemudiannya diserap semula oleh organisma hidup dan dilepaskan ke atmosfera dalam bentuk gas.