Eden najbolj neverjetnih elementov, ki lahko tvorijo ogromno različnih spojin organske in anorganske narave, je ogljik. Ta element je po svojih lastnostih tako nenavaden, da mu je celo Mendelejev napovedal veliko prihodnost, ko je govoril o lastnostih, ki še niso bile razkrite.
Pozneje je bilo to praktično potrjeno. Postalo je znano, da je glavni biogeni element našega planeta, ki je del absolutno vseh živih bitij. Poleg tega lahko obstaja v oblikah, ki so v vseh pogledih radikalno drugačne, a so hkrati sestavljene samo iz atomov ogljika.
Na splošno ima ta struktura veliko funkcij, ki jih bomo poskušali obravnavati v okviru članka.
Ogljik: formula in položaj v sistemu elementov
V periodnem sistemu se element ogljik nahaja v IV (po novem modelu v 14) skupini, glavni podskupini. Njegova serijska številka je 6, atomska teža pa 12,011. Oznaka elementa z znakom C označuje njegovo ime v latinščini - carboneum. Obstaja več različnih oblik, v katerih obstaja ogljik. Njegova formula je torej drugačna in je odvisna od specifične modifikacije.
Vendar je za pisanje reakcijskih enačb zapis specifičen,seveda imeti. Na splošno, ko govorimo o snovi v njeni čisti obliki, se sprejme molekulska formula ogljika C, brez indeksiranja.
zgodovina odkrivanja elementov
Ta element je znan že od antike. Konec koncev je eden najpomembnejših mineralov v naravi premog. Zato za stare Grke, Rimljane in druge narodnosti ni bil skrivnost.
Poleg te sorte so bili uporabljeni tudi diamanti in grafit. Pri slednjem je bilo dolgo časa veliko zmedenih situacij, saj so pogosto brez analize sestave za grafit vzeli takšne spojine, kot so:
- srebrni svinec;
- železov karbid;
- molibdenov sulfid.
Vsi so bili pobarvani črno in so zato veljali za grafitne. Kasneje je bil ta nesporazum razčiščen in ta oblika ogljika je postala sama.
Od leta 1725 so bili diamanti velikega komercialnega pomena, leta 1970 pa je bila osvojena tehnologija umetnega pridobivanja. Od leta 1779 so po zaslugi dela Karla Scheelea preučevali kemične lastnosti ogljika. To je bil začetek vrste pomembnih odkritij na področju tega elementa in je postalo osnova za odkrivanje vseh njegovih najbolj edinstvenih lastnosti.
Izotopi ogljika in porazdelitev v naravi
Kljub temu, da je obravnavani element eden najpomembnejših biogenih, je njegova skupna vsebnost v masi zemeljske skorje 0,15%. To je posledica dejstva, da je podvržen stalnemu kroženju, naravnemu ciklu v naravi.
Na splošno jih je večmineralne spojine, ki vsebujejo ogljik. To so naravne pasme, kot so:
- dolomiti in apnenci;
- antracit;
- oljni skrilavec;
- zemeljski plin;
- premog;
- olje;
- lignit;
- šota;
- bitumen.
Poleg tega ne smemo pozabiti na živa bitja, ki so le skladišče ogljikovih spojin. Navsezadnje so tvorili beljakovine, maščobe, ogljikove hidrate, nukleinske kisline, kar pomeni najbolj vitalne strukturne molekule. Na splošno pri pretvorbi suhe telesne teže od 70 kg 15 odpade na čisti element. In tako je z vsako osebo, da ne omenjam živali, rastlin in drugih bitij.
Če upoštevamo sestavo zraka in vode, torej hidrosfero kot celoto in ozračje, potem obstaja mešanica ogljik-kisik, izražena s formulo CO2. Dioksid ali ogljikov dioksid je eden od glavnih plinov, ki sestavljajo zrak. V tej obliki je masni delež ogljika 0,046%. Še več ogljikovega dioksida je raztopljenega v vodah oceanov.
Atomska masa ogljika kot elementa je 12,011. Znano je, da je ta vrednost izračunana kot aritmetično povprečje med atomskimi masami vseh izotopskih vrst, ki obstajajo v naravi, ob upoštevanju njihove razširjenosti (v odstotkih). To velja tudi za zadevno snov. Obstajajo trije glavni izotopi, v katerih se nahaja ogljik. To je:
- 12С - njegov masni delež je v veliki večini 98,93%;
- 13C -1,07 %;
- 14C - radioaktiven, razpolovna doba 5700 let, stabilen beta sevalec.
V praksi določanja geohronološke starosti vzorcev se pogosto uporablja radioaktivni izotop 14С, ki je pokazatelj zaradi dolge dobe razpada.
Alotropne modifikacije elementa
Ogljik je element, ki obstaja kot preprosta snov v več oblikah. To pomeni, da je sposoben tvoriti največje število alotropnih modifikacij, znanih danes.
1. Kristalne variacije - obstajajo v obliki močnih struktur z pravilnimi rešetkami atomskega tipa. Ta skupina vključuje sorte, kot so:
- diamanti;
- fullereni;
- grafiti;
- karbine;
- lonsdaleites;
- ogljikova vlakna in cevi.
Vsi se razlikujejo po strukturi kristalne mreže, v vozliščih katere je ogljikov atom. Od tod popolnoma edinstvene, različne lastnosti, tako fizične kot kemične.
2. Amorfne oblike - tvori jih ogljikov atom, ki je del nekaterih naravnih spojin. To pomeni, da to niso čiste sorte, ampak z nečistočami drugih elementov v majhnih količinah. Ta skupina vključuje:
- aktivno oglje;
- kamen in les;
- saje;
- ogljikova nanopena;
- antracit;
- stekleni ogljik;
- tehnična vrsta snovi.
Združujejo jih tudi lastnostistrukture kristalne mreže, razlaga in manifestiranje lastnosti.
3. Ogljikove spojine v obliki grozdov. Takšna struktura, v kateri so atomi zaprti v posebni konformacijski votlini od znotraj, napolnjeni z vodo ali jedri drugih elementov. Primeri:
- ogljikovi nanokoni;
- astralens;
- dikarbona.
Fizikalne lastnosti amorfnega ogljika
Zaradi široke palete alotropnih modifikacij je težko identificirati katere koli skupne fizikalne lastnosti ogljika. Lažje je govoriti o določeni obliki. Na primer, amorfni ogljik ima naslednje značilnosti.
- V središču vseh oblik so drobnokristalne sorte grafita.
- Visoka toplotna zmogljivost.
- Dobre prevodne lastnosti.
- Gostota ogljika je približno 2 g/cm3.
- Pri segrevanju nad 1600 0C pride do prehoda na grafitne oblike.
Sorte saj, oglja in kamna se pogosto uporabljajo v industrijske namene. Niso manifestacija modifikacije ogljika v čisti obliki, ampak ga vsebujejo v zelo velikih količinah.
kristalni ogljik
Obstaja več možnosti, pri katerih je ogljik snov, ki tvori redne kristale različnih vrst, kjer so atomi povezani zaporedno. Posledično nastanejo naslednje modifikacije.
- Diamant. Struktura je kubična, v kateri so povezani štirje tetraedri. Kot rezultat, vse kovalentne kemične vezi vsakega atomamaksimalno nasičen in vzdržljiv. To pojasnjuje fizikalne lastnosti: gostota ogljika je 3300 kg/m3. Visoka trdota, nizka toplotna zmogljivost, pomanjkanje električne prevodnosti - vse to je posledica strukture kristalne mreže. Obstajajo tehnično pridobljeni diamanti. Nastanejo med prehodom grafita v naslednjo modifikacijo pod vplivom visoke temperature in določenega tlaka. Na splošno je tališče diamanta enako visoko kot trdnost - približno 3500 0C.
- Grafit. Atomi so razporejeni podobno kot struktura prejšnje snovi, vendar so le tri vezi nasičene, četrta pa postane daljša in manj močna, povezuje "plasti" šesterokotnih obročev rešetke. Posledično se izkaže, da je grafit na otip mehka, mastna črna snov. Ima dobro električno prevodnost in ima visoko tališče - 3525 0C. Sposobnost sublimacije - sublimacija iz trdnega v plinasto stanje, mimo tekočega stanja (pri temperaturi 3700 0С). Gostota ogljika je 2,26 g/cm3, , kar je veliko manjše od gostote diamanta. To pojasnjuje njihove različne lastnosti. Zaradi plastne strukture kristalne mreže je mogoče uporabiti grafit za izdelavo svinčnikov. Ko povlečete po papirju, se kosmiči odlepijo in pustijo črno sled na papirju.
- fulereni. Odprli so jih šele v 80. letih prejšnjega stoletja. So modifikacije, pri katerih so ogljiki med seboj povezani v posebno konveksno zaprto strukturo, ki ima v središčupraznina. In oblika kristala - polieder, pravilna organizacija. Število atomov je sodo. Najbolj znana oblika fulerena je С60. Med raziskavo so našli vzorce podobne snovi:
- meteoriti;
- spodnji sedimenti;
- folgurit;
- šungit;
- vesolje, kjer je v obliki plinov.
Vse vrste kristalnega ogljika so velikega praktičnega pomena, saj imajo številne lastnosti, uporabne v inženirstvu.
Reaktivnost
Molekularni ogljik ima nizko reaktivnost zaradi svoje stabilne konfiguracije. V reakcije ga je mogoče prisiliti le tako, da atomu doda dodatno energijo in prisili elektrone zunanje ravni, da izhlapijo. Na tej točki postane valenca 4. Zato ima v spojinah oksidacijsko stanje + 2, + 4, - 4.
Praktično vse reakcije s preprostimi snovmi, tako kovinami kot nekovinami, potekajo pod vplivom visokih temperatur. Zadevni element je lahko tako oksidant kot redukcijsko sredstvo. Slednje lastnosti pa so pri njem še posebej izrazite, kar je osnova za njegovo uporabo v metalurški in drugih panogah.
Na splošno je sposobnost vstopa v kemično interakcijo odvisna od treh dejavnikov:
- disperzija ogljika;
- alotropna modifikacija;
- reakcijska temperatura.
Tako v nekaterih primerih pride do interakcije z naslednjimsnovi:
- nekovine (vodik, kisik);
- kovine (aluminij, železo, kalcij in druge);
- kovinski oksidi in njihove soli.
Ne reagira s kislinami in alkalijami, zelo redko s halogeni. Najpomembnejša lastnost ogljika je sposobnost tvorjenja dolgih verig med seboj. Lahko se zaprejo v ciklu, tvorijo veje. Tako nastajajo organske spojine, ki jih je danes na milijone. Osnova teh spojin sta dva elementa - ogljik, vodik. Vključeni so lahko tudi drugi atomi: kisik, dušik, žveplo, halogeni, fosfor, kovine in drugi.
Glavne spojine in njihove značilnosti
Obstaja veliko različnih spojin, ki vsebujejo ogljik. Formula najbolj znanega izmed njih je CO2 - ogljikov dioksid. Vendar pa poleg tega oksida obstaja tudi CO - monoksid ali ogljikov monoksid, pa tudi suboksid C3O2.
Med solmi, ki vsebujejo ta element, sta najpogostejša kalcijev in magnezijev karbonat. Torej ima kalcijev karbonat v imenu več sinonimov, saj se v naravi pojavlja v obliki:
- kreda;
- marmor;
- apnenec;
- dolomit.
Pomen karbonatov zemeljskoalkalijskih kovin se kaže v tem, da so aktivni udeleženci pri nastajanju stalaktitov in stalagmitov ter podtalnice.
Ogljikova kislina je še ena spojina, ki tvori ogljik. Njegova formula jeH2CO3. Vendar pa je v svoji običajni obliki izjemno nestabilen in se v raztopini takoj razgradi na ogljikov dioksid in vodo. Zato so kot raztopina znane samo njegove soli in ne sama.
Ogljikovi halogenidi - se pridobivajo predvsem posredno, saj neposredna sinteza poteka le pri zelo visokih temperaturah in z nizkim izkoristkom produkta. Eden najpogostejših - CCL4 - ogljikov tetraklorid. Strupena spojina, ki lahko pri vdihavanju povzroči zastrupitev. Pridobljeno z reakcijami radikalne fotokemične substitucije vodikovih atomov v metanu.
Kovinski karbidi so ogljikove spojine, v katerih ima oksidacijsko stanje 4. Možen je tudi obstoj povezav z borom in silicijem. Glavna lastnost karbidov nekaterih kovin (aluminij, volfram, titan, niobij, tantal, hafnij) je visoka trdnost in odlična električna prevodnost. Borov karbid В4С je ena najtrših snovi po diamantu (9,5 po Mohsu). Te spojine se uporabljajo v inženirstvu, pa tudi v kemični industriji, kot viri za proizvodnjo ogljikovodikov (kalcijev karbid z vodo vodi do tvorbe acetilena in kalcijevega hidroksida).
Veliko kovinskih zlitin je narejenih z uporabo ogljika, s čimer se bistveno poveča njihova kakovost in tehnične lastnosti (jeklo je zlitina železa in ogljika).
Posebno pozornost si zaslužijo številne organske spojine ogljika, v katerih je temeljni element, ki se z istimi atomi združuje v dolge verige različnih struktur. Ti vključujejo:
- alkani;
- alkeni;
- arene;
- proteini;
- ogljikovi hidrati;
- nukleinske kisline;
- alkoholi;
- karboksilne kisline in številni drugi razredi snovi.
Uporaba ogljika
Pomen ogljikovih spojin in njihovih alotropnih modifikacij v človeškem življenju je zelo velik. Lahko navedete nekaj najbolj globalnih industrij, da bo jasno, da je to res.
- Ta element tvori vse vrste fosilnih goriv, iz katerih človek prejema energijo.
- Metalurška industrija uporablja ogljik kot najmočnejše redukcijsko sredstvo za pridobivanje kovin iz njihovih spojin. Tu se pogosto uporabljajo tudi karbonati.
- Gradbeništvo in kemična industrija porabita ogromne količine ogljikovih spojin za sintezo novih snovi in pridobivanje potrebnih izdelkov.
Takšne sektorje gospodarstva lahko poimenujete tudi kot:
- jedrska industrija;
- nakit;
- tehnična oprema (maziva, toplotno odporni lončki, svinčniki itd.);
- določanje geološke starosti kamnin - radioaktivni sledilnik 14С;
- ogljik je odličen adsorbent, zaradi česar je primeren za izdelavo filtrov.
kroženje v naravi
Masa ogljika, ki ga najdemo v naravi, je vključena v stalen cikel, ki kroži vsako sekundo okoli sveta. Tako se atmosferski vir ogljika - CO2, absorbirarastline in ga sproščajo vsa živa bitja v procesu dihanja. Ko je v ozračju, se ponovno absorbira in tako se cikel ne ustavi. Hkrati odmiranje organskih ostankov vodi do sproščanja ogljika in njegovega kopičenja v zemlji, od koder ga nato ponovno absorbirajo živi organizmi in v obliki plina sproščajo v ozračje.
