ВУГЛЕЦЬ: ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ОТРИМАННЯ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Вуглецю не є - металевий хімічний елемент, хімічне символ С. названий після того, як вугілля, рослинного або мінерального походження , де його атоми визначають різні структури. Багато авторів кваліфікують його як Короля елементів, оскільки він утворює широкий спектр органічних та неорганічних сполук, а також зустрічається у значній кількості алотропів.

І якщо цього недостатньо, щоб згадати про це як особливий елемент, воно є у всіх живих істот; всі його біомолекули зобов'язані своїм існуванням стабільністю і міцністю зв'язків СС і високою тенденцією до об'єднання. Вуглець - елемент життя, і з його атомів будуються їхні тіла.

Деревина дерев складається переважно з вуглеводів, однієї з багатьох сполук, багатих вуглецем. Джерело: Пікселі.

Органічні сполуки, з яких будуються біоматеріали, практично складаються з карбонових скелетів та гетероатомів. Їх можна побачити неозброєним оком у лісі дерев; а також, коли блискавка б’є їх і обсмажує. Інше інертне чорне тверде речовина також має вуглець; але це вугілля.

Таким чином, існують «мертві» прояви цього елемента: деревне вугілля, продукт горіння в бідних киснем середовищах; і мінеральне вугілля, продукт геологічних процесів. Обидва тверді речовини схожі, вони чорні, і вони горять для отримання тепла та енергії; хоча з різною врожайністю.

З цього моменту вуглець є 15-м найпоширенішим елементом земної кори. Недарма, коли щорічно виробляють мільйони тонн вугілля. Ці корисні копалини відрізняються за своїми властивостями залежно від ступеня домішок, ставлячи антрацит як найякісніше мінеральне вугілля.

Земна кора багата не тільки мінеральним вугіллям, а й карбонатами, особливо вапняками та доломітами. А щодо Всесвіту - це четвертий найпоширеніший елемент; Я маю на увазі, там більше вуглецю на інших планетах.

Карбонова історія

Ретроспектива

Вуглець може бути такою ж старою, як і сама земна кора. З давніх-давен стародавні цивілізації стикалися з цим елементом у багатьох своїх природних уявленнях: сажа, деревне вугілля, деревне вугілля або деревне вугілля, алмази, графіт, вугільний дьоготь, антрацит тощо.

Усі ті тверді речовини, хоча вони мали загальні темні тони (за винятком алмазних), решта їх фізичних властивостей, а також їхній склад надзвичайно відрізнялися. Тоді не можна було стверджувати, що вони по суті складаються з атомів вуглецю.

Таким чином, упродовж історії вугілля класифікували за його якістю під час горіння та подачі тепла. А з газами, що утворюються при його згорянні, нагрівались водні маси, що, в свою чергу, утворювало пари, які рухали турбіни, які генерували електричні струми.

Вуглець несподівано присутні у вугіллі, що виробляється спаленням дерев у закритих або герметичних приміщеннях; у графіті, за допомогою якого виготовлені олівці; в алмазах, що використовуються як дорогоцінні камені; він відповідав за твердість сталі.

Його історія йде рука об руку з деревиною, порохом, газами освітлення міста, поїздами і кораблями, пивом, мастилами та іншими необхідними предметами для просування людства.

Визнання

У який момент вчені змогли пов'язати алотропи та мінерали вуглецю з одним і тим же елементом? Вугілля розглядалося як мінерал, і його не вважали хімічним елементом, гідним періодичної таблиці. Першим кроком повинно було показати, що всі ці тверді речовини перетворилися на один і той же газ: вуглекислий газ, CO ₂ .

Антуан Лавуазьє в 1772 році, використовуючи дерев’яний каркас з великими лінзами, зосередив сонячні промені на зразках деревного вугілля та алмазу. Він виявив, що жоден з них не утворює водяної пари, окрім CO ₂ . Він зробив те саме з сажею і отримав однакові результати.

Карл Вільгельм Шеле в 1779 р. Виявив хімічну залежність між деревним вугіллям і графітом; тобто обидва тверді речовини складалися з однакових атомів.

Смітсон Теннант і Вільям Хайд Волластон в 1797 р. Методологічно підтвердили (за допомогою реакцій), що алмаз насправді складається з вуглецю при виробленні CO ₂ при його згорянні.

З цими результатами світло незабаром було кинуто на графіт і алмаз, тверді речовини, утворені вуглецем, а отже, високої чистоти; на відміну від забруднених твердих речовин вугілля та інших вуглекислих мінералів.

Властивості

Фізичні або хімічні властивості, виявлені в твердих речовинах, мінералах або вуглекислих матеріалах, підлягають багатьом змінним. Серед них: склад або ступінь домішок, гібридизація атомів вуглецю, різноманітність структур, морфологія чи розмір пор.

Описуючи властивості вуглецю, більшість текстів або бібліографічні джерела базуються на графіті та алмазі.

Чому? Оскільки вони є найвідомішими алотропами для цього елемента і являють собою тверді речовини або матеріали з високою чистотою; тобто вони практично виготовлені з атомів вуглецю (хоча з різною структурою, як буде пояснено в наступному розділі).

Властивості деревного вугілля та мінерального вугілля відрізняються відповідно за походженням або складом. Наприклад, лігніт (низьковуглецевий) як паливо повзе порівняно з антрацитом (високовуглецевим). А як щодо інших алотропів: нанотрубок, фулеренів, графенів, граффінів тощо.

Однак хімічно вони мають одну спільну точку: вони окислюються із надлишком кисню в CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Тепер швидкість або температура, необхідні для окислення, є специфічними для кожного з цих алотропів.

Графіт проти алмазу

Тут також буде зроблено короткий коментар стосовно дуже різних властивостей цих двох алотропів:

Таблиця, в якій порівнюються деякі властивості двох кристалічних алотропів вуглецю. Джерело: Габріель Болівар.

Структура та електронна конфігурація

Гібридизація

Зв'язок між гібридними орбіталями та можливими структурами для вуглецю. Джерело: Габріель Болівар.

Конфігурація електронів для атома вуглецю дорівнює 1s ² 2s ² 2p ² , також записується як 2s ² 2p ² (верхнє зображення). Це подання відповідає його основного стану: атом вуглецю виділяється і суспендується в такому вакуумі, що він не може взаємодіяти з іншими.

Видно, що в одній з його 2p орбіталей не вистачає електронів, який приймає електрон з орбіталі нижчої енергії 2s шляхом електронного просування; і, таким чином, атом набуває здатність утворювати до чотирьох ковалентних зв'язків через свої 4 гібридні орбіталі sp ³ .

Зверніть увагу, що всі чотири орбіталі sp ³ є енергетично виродженими (вирівняні на одному рівні). Чисті р-орбіталі більш енергійні, тому вони розміщуються над іншими гібридними орбіталями (праворуч від зображення).

Якщо є три гібридні орбіталі, це тому, що залишається одна негібридизована p орбіталь; отже, це три орбіталі sp ² . І коли є дві з цих гібридних орбіталей, дві орбіталі p доступні для утворення подвійних або потрійних зв’язків, будучи гібридизацією вуглецю sp.

Такі електронні аспекти є важливими для розуміння того, чому вуглець можна знайти в нескінченності алотропів.

Окислювальні числа

Перш ніж продовжувати структури, варто зазначити, що, враховуючи електронну конфігурацію валентності 2s ² 2p ² , вуглець може мати такі окислювальні числа: +4, +2, 0, -2 і -4.

Чому? Ці числа відповідають припущенню, що існує іонний зв’язок такий, що ви утворюєте іони з відповідними зарядами; тобто C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (нейтрально), C ^2- і C ^4- .

Щоб вуглець мав позитивне число окислення, він повинен втрачати електрони; А для цього його обов'язково потрібно зв’язувати з дуже електронегативними атомами (як кисень).

Тим часом, щоб вуглець мав негативне число окислення, він повинен отримувати електрони, приєднуючись до атомів металу або менш електронегативні, ніж він (наприклад, водень).

Перше число окиснення, +4, означає, що вуглець втратив усі валентні електрони; орбіталі 2s і 2p залишаються порожніми. Якщо орбітала 2p втратить два електрони, вуглець матиме число окислення +2; якщо ви отримаєте два електрони, у вас буде -2; і якщо ви отримаєте ще два електрона, заповнивши валентний октет, -4.

Приклади

Наприклад, для CO ₂ число окислення вуглецю становить +4 (оскільки кисень є більш електронегативним); тоді як для CH ₄ він дорівнює -4 (оскільки водень менш електронегативний).

Для CH ₃ OH кількість окислення вуглецю становить -2 (+1 для Н і -2 для О); а для HCOOH - +2 (перевірте, що сума дає 0).

Інші стани окислення, такі як -3 і +3, також вірогідні, особливо якщо мова йде про органічні молекули; наприклад, у метильних групах -CH ₃ .

Молекулярні геометрії

Верхнє зображення показало не тільки гібридизацію орбіталей для атома вуглецю, але й отриману молекулярну геометрію, коли кілька атомів (чорних сфер) були пов'язані з центральним. Цей центральний атом, щоб мати певне геометричне середовище в просторі, повинен мати відповідну хімічну гібридизацію, яка це дозволяє.

Наприклад, для тетраедра центральний вуглець має sp ³ гібридизацією ; тому що таке найбільш стабільне розташування для чотирьох гібридних орбіталей sp ³ . У випадку вуглецю sp ² вони можуть утворювати подвійні зв’язки і мати тригональне плоське середовище; і тому ці трикутники визначають досконалий шестикутник. А для sp-гібридизації вуглеці приймають лінійну геометрію.

Таким чином, геометрії, що спостерігаються в структурах всіх алотропів, просто керуються тетраедрами (sp ³ ), шестикутниками або п’ятикутниками (sp ² ) та лініями (sp).

Тетраедри визначають структуру 3D, а шестикутники, п'ятикутники та лінії, 3D або 2D структури; Останні - це площини чи листи, схожі на стінки стільників:

Стіна з шестикутною конструкцією стільників аналогічно площинам, що складаються з вуглецю sp2. Джерело: Pixabay.

І якщо ми складемо цю шестикутну стінку (п'ятикутну або змішану), отримаємо трубочку (нанотрубки) або кульку (фулерени), або іншу фігуру. Взаємодія між цими фігурами породжує різні морфології.

Аморфні або кристалічні тверді речовини

Не залишаючи осторонь геометрії, гібридизацій або морфологій можливих структур вуглецю, його тверді речовини можна глобально класифікувати на два типи: аморфний або кристалічний. І між цими двома класифікаціями розподіляються їхні алотропи.

Аморфний вуглець - це просто той, який представляє довільну суміш тетраедрів, шестикутників або ліній, нездатних встановити структурну схему; наприклад, вугілля, вугілля або активоване вугілля, кокс, сажа тощо.

Тоді як кристалічний вуглець складається із структурних зразків, що складаються з будь-якої із запропонованих геометрій; наприклад, алмаз (тривимірна мережа тетраедрів) та графіт (укладені шестикутні листи).

Отримання

Вуглець може бути чистим, як графіт або алмаз. Вони знаходяться у відповідних мінералогічних родовищах, розкиданих по всій земній кулі та в різних країнах. Ось чому деякі країни є більш експортерами одного з цих корисних копалин, ніж інші. Коротше кажучи, "ви повинні копати землю", щоб отримати вуглець.

Те саме стосується мінерального вугілля та його видів. Але це не так з деревним вугіллям, оскільки тіло, багате вуглецем, спочатку повинно «загинути», або під вогнем, або від електричної блискавки; звичайно, за відсутності кисню, інакше буде виділятися CO ₂ .

Цілий ліс - це джерело вуглецю, як вугілля; не тільки для своїх дерев, але і для фауни.

Як правило, зразки, що містять вуглець, повинні пройти піроліз (спалювання при відсутності кисню), щоб виділити частину домішок у вигляді газів; і, таким чином, твердий матеріал, багатий вуглецем (аморфний або кристалічний), залишається як залишок.

Програми

Знову ж таки, як і властивості та структура, застосування або застосування узгоджуються з алотропами або мінералогічними формами вуглецю. Однак є деякі загальні риси, які можна згадати, окрім деяких відомих моментів. Такі:

-Вуглець давно використовується як відновлювач мінеральних речовин при отриманні чистих металів; наприклад, залізо, кремній та фосфор, серед інших.

- Це наріжний камінь життя, і органічна хімія та біохімія - це дослідження цього роздуму.

- Це також було викопне паливо, яке дозволило першим машинам запустити свої передачі. Таким же чином з нього отримували вуглецевий газ для старих систем освітлення. Вугілля було синонімом світла, тепла та енергії.

-Змішана як добавка з залізом у різних пропорціях дозволила винахід і вдосконалення сталей.

-Це чорний колір мав місце в мистецтві, особливо графіті та всіх творах, зроблених його рядками.

Ризики та запобіжні заходи

Вуглець та його тверді речовини не становлять небезпеки для здоров'я. Хто піклувався про мішок деревного вугілля? Їх продають бездоріжжя в межах проходів деяких ринків, і поки поблизу не буде пожежі, їх чорні блоки не згорять.

Кокс, з іншого боку, може становити небезпеку, якщо вміст сірки високий. Коли він згорить, він виділить сірчані гази, які, крім того, що є токсичними, сприяють кислотному дощу. І хоча CO ₂ в невеликих кількостях не може нас задихнутися, він має величезний вплив на навколишнє середовище як парниковий газ.

З цього погляду вуглець є "довгостроковою" небезпекою, оскільки його спалювання змінює клімат нашої планети.

І, у більш фізичному розумінні, тверді або вуглецеві матеріали, якщо вони подрібнені, легко транспортуються повітряними течіями; і, отже, вони вводяться безпосередньо в легені, що може непоправно їх пошкодити.

Для решти дуже часто вживати «вугілля», коли готується якась їжа.

Список літератури

1. Моррісон, RT та Бойд, R, N. (1987). Органічна хімія. 5-е видання. Редакція Addison-Wesley Interamericana.
2. Кері Ф. (2008). Органічна хімія. (Шосте видання). Mc Graw Hill.
3. Грем Соломон TW, Крейг Б. Фріхле. (2011 р.). Органічна хімія. Аміни. (10-е видання.). Wiley Plus.
4. Андрій. (2019). Вуглець, його алотропи та структури. Відновлено з сайту: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Вугілля. Хімія пояснена. Відновлено з: chemistryexplained.com
6. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (11 липня 2018 р.). 10 факти вуглецю (атомне число 6 або С). Відновлено з: thinkco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Що таке вуглець? - Факти та урок історії для дітей. Вивчення. Відновлено з: study.com
8. Föll. (sf). Історія Карбону. Відновлено з: tf.uni-kiel.de