Каде се наоѓа јаглеродот? Карактеристики на јаглерод - елемент и хемиски својства. Примери за решавање проблеми

Дијамантска структура (А)и графит (б)

Јаглерод(латиница Карбонеум) - C, хемиски елемент од IV група на периодичниот систем на Менделеев, атомски број 6, атомска маса 12.011. Во природата го има во форма на кристали од дијамант, графит или фулерен и други облици и е дел од органски (јаглен, масло, животински и растителни организми и др.) и неоргански материи (варовник, сода бикарбона и сл.). Јаглеродот е широко распространет, но неговата содржина во земјината кора е само 0,19%.

Јаглеродот е широко користен во форма на едноставни супстанции. Покрај скапоцените дијаманти, кои се предмет на накит, индустриските дијаманти се од големо значење за изработка на алати за брусење и сечење. Јагленот и другите аморфни форми на јаглерод се користат за обезбојување, прочистување, адсорпција на гас и во области на технологија каде што се потребни адсорбенти со развиена површина. Карбидите, соединенијата на јаглерод со метали, како и со бор и силициум (на пример, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) се карактеризираат со висока цврстина и се користат за производство на абразивни и алати за сечење. Јаглеродот е дел од челиците и легурите во елементарна состојба и во форма на карбиди. Заситувањето на површината на челичните одлеаноци со јаглерод при високи температури (карбуризација) значително ја зголемува тврдоста на површината и отпорноста на абење.

Историска референца

Графитот, дијамантот и аморфниот јаглерод се познати уште од антиката. Одамна е познато дека графитот може да се користи за обележување други материјали, а самото име „графит“, кое доаѓа од грчкиот збор што значи „пишување“, било предложено од А. Вернер во 1789 година. Сепак, историјата на графитот е комплицирано; супстанциите со слични надворешни физички својства честопати погрешно ги помешале со него, како што е молибденит (молибден сулфид), во еден момент се сметал за графит. Други имиња за графит вклучуваат „црно олово“, „карбидно железо“ и „сребрено олово“.

Во 1779 година, К. Шеле утврдил дека графитот може да се оксидира со воздух и да формира јаглерод диоксид. Дијамантите првпат се користеле во Индија, а во Бразил скапоцените камења станале комерцијално важни во 1725 година; депозитите во Јужна Африка биле откриени во 1867 година.

Во 20 век Главните производители на дијаманти се Јужна Африка, Заир, Боцвана, Намибија, Ангола, Сиера Леоне, Танзанија и Русија. Вештачките дијаманти, чија технологија е создадена во 1970 година, се произведуваат за индустриски цели.

Својства

Постојат четири познати кристални модификации на јаглеродот:

• графит,
• дијамант,
• карабина,
• лонсдалеит.

Графит- сиво-црна, непроѕирна, мрсна на допир, лушпеста, многу мека маса со метален сјај. На собна температура и нормален притисок (0,1 Mn/m2, или 1 kgf/cm2), графитот е термодинамички стабилен.

Дијамант- многу тврда, кристална супстанција. Кристалите имаат кубна решетка во центарот на лицето. На собна температура и нормален притисок, дијамантот е метастабилен. Забележлива трансформација на дијамантот во графит е забележана на температури над 1400°C во вакуум или во инертна атмосфера. При атмосферски притисок и температура од околу 3700 °C, графитот се возвишува.

Течниот јаглерод може да се добие при притисок над 10,5 Mn/m2 (105 kgf/cm2) и температури над 3700 °C. Цврстиот јаглерод (кокс, саѓи, јаглен) се карактеризира и со состојба со нарушена структура - таканаречениот „аморфен“ јаглерод, кој не претставува независна модификација; Неговата структура се заснова на структурата на фино-кристален графит. Загревањето на некои видови „аморфен“ јаглерод над 1500-1600 °C без пристап до воздух предизвикува нивна трансформација во графит.

Физичките својства на „аморфниот“ јаглерод многу зависат од дисперзијата на честичките и присуството на нечистотии. Густината, топлинскиот капацитет, топлинската спроводливост и електричната спроводливост на „аморфниот“ јаглерод се секогаш повисоки од графитот.

Карбиндобиени вештачки. Тоа е ситно-кристален црн прав (густина 1,9-2 g/cm3). Изграден од долги синџири на атоми СО, поставени паралелно едни со други.

Лонсдејлитпронајдени во метеорити и добиени вештачки; неговата структура и својства не се дефинитивно утврдени.

Својства на јаглеродот
Атомски број		6
Атомска маса		12,011
Изотопи:	стабилно	12, 13
	нестабилна	8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
Температура на топење		3550°C
Температура на вриење		4200°C
Густина		1,9-2,3 g/cm 3 (графит) 3,5-3,53 g/cm 3 (дијамант)
Цврстина (Mohs)		1-2
Содржина во земјината кора (маса.)		0,19%
Состојби на оксидација		-4; +2; +4

Легури

Челик

Коксот се користи во металургијата како средство за намалување. Јаглен - во ковачите, за производство на барут (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), за апсорпција на гасови (адсорпција), а исто така и во секојдневниот живот. Саѓи се користи како гумен полнење, за производство на црни бои - мастило и мастило за печатење, како и во суви галвански ќелии. Стаклен јаглерод се користи за производство на опрема за многу агресивни средини, како и во авијацијата и астронаутиката.

Активираниот јаглерод ги апсорбира штетните материи од гасовите и течностите: се користи за полнење гас-маски, системи за прочистување и се користи во медицината за труење.

Јаглеродот е основа на сите органски материи. Секој жив организам главно се состои од јаглерод. Јаглеродот е основа на животот. Изворот на јаглерод за живите организми обично е CO 2 од атмосферата или водата. Преку фотосинтезата, тој навлегува во биолошките синџири на исхрана во кои живите суштества се јадат меѓусебно или меѓусебните остатоци и со тоа добиваат јаглерод за да изградат свои тела. Биолошкиот циклус на јаглеродот завршува или со оксидација и враќање во атмосферата, или со закопување во форма на јаглен или нафта.

Употребата на радиоактивниот изотоп 14 C придонесе за успехот на молекуларната биологија во проучувањето на механизмите на биосинтезата на протеините и преносот на наследни информации. Утврдувањето на специфичната активност на 14 C во органските остатоци што содржат јаглерод овозможува да се процени нивната старост, што се користи во палеонтологијата и археологијата.

Извори

Хемиски елементи и материјали
Хемиски елементи	Азот. Аргон. Водород. Хелиум. Железо . Калциум. Кислород. Силикон. Магнезиум. Манган.

ДЕФИНИЦИЈА

Јаглерод- шестиот елемент од Периодниот систем. Ознака - C од латинскиот „carboneum“. Лоциран во вториот период, група ИВА. Се однесува на неметали. Нуклеарното полнење е 6.

Јаглеродот се наоѓа во природата и во слободна состојба и во форма на бројни соединенија. Слободниот јаглерод се јавува во форма на дијамант и графит. Покрај фосилниот јаглен, во длабочините на Земјата има и големи акумулации на нафта. Соли на јаглеродна киселина, особено калциум карбонат, се наоѓаат во огромни количини во земјината кора. Во воздухот секогаш има јаглерод диоксид. Конечно, растителните и животинските организми се состојат од супстанции во чие формирање учествува јаглеродот. Така, овој елемент е еден од најчестите на Земјата, иако неговата вкупна содржина во земјината кора е само околу 0,1% (теж.).

Атомска и молекуларна маса на јаглерод

Релативната молекуларна маса на супстанцијата (M r) е број кој покажува колку пати масата на дадената молекула е поголема од 1/12 од масата на јаглеродниот атом, а релативната атомска маса на елементот (A r) е колку пати просечната маса на атоми на хемиски елемент е поголема од 1/12 маса на јаглеродниот атом.

Бидејќи во слободна состојба јаглеродот постои во форма на монатомски молекули C, вредностите на неговите атомски и молекуларни маси се совпаѓаат. Тие се еднакви на 12.0064.

Алотропија и алотропни модификации на јаглеродот

Во слободна состојба, јаглеродот постои во форма на дијамант, кој се кристализира во кубен и хексагонален (лонсдалеит) систем и графит, кој припаѓа на хексагоналниот систем (сл. 1). Формите на јаглерод како јаглен, кокс или саѓи имаат нарушена структура. Постојат и алотропни модификации добиени синтетички - тоа се карбин и поликумулен - сорти на јаглерод изградени од полимери со линеарни синџири од типот -C= C- или = C = C=.

Ориз. 1. Алотропни модификации на јаглеродот.

Познати се и алотропните модификации на јаглеродот, кои ги имаат следните имиња: графен, фулерен, наноцевки, нановлакна, астрален, стаклен јаглерод, колосални наноцевки; аморфен јаглерод, јаглеродни нанопупки и јаглеродна нанопена.

Јаглеродни изотопи

Во природата, јаглеродот постои во форма на два стабилни изотопи 12 C (98,98%) и 13 C (1,07%). Нивниот масен број е 12 и 13, соодветно. Јадрото на атомот на јаглеродниот изотоп 12 C содржи шест протони и шест неутрони, а изотопот 13 C содржи ист број на протони и пет неутрони.

Постои еден вештачки (радиоактивен) изотоп на јаглерод, 14 C, со полуживот од 5730 години.

Јаглеродни јони

Надворешното енергетско ниво на јаглеродниот атом има четири електрони, кои се валентни електрони:

1s 2 2s 2 2p 2.

Како резултат на хемиската интеракција, јаглеродот може да ги изгуби своите валентни електрони, т.е. да биде нивен донатор, и да се претвори во позитивно наелектризирани јони или да прифати електрони од друг атом, т.е. да биде нивен акцептор и да се претвори во негативно наелектризирани јони:

C0-2e → C2+;

C0-4e → C4+;

C 0 +4e → C 4- .

Молекула и јаглероден атом

Во слободна состојба, јаглеродот постои во форма на монатомски молекули C. Еве неколку својства што ги карактеризираат јаглеродниот атом и молекулата:

Јаглеродни легури

Најпознатите јаглеродни легури низ светот се челик и леано железо. Челикот е легура на железо и јаглерод, чија содржина на јаглерод не надминува 2%. Во леано железо (исто така легура на железо и јаглерод), содржината на јаглерод е поголема - од 2 до 4%.

Примери за решавање проблеми

ПРИМЕР 1

Вежбајте	Колкав волумен на јаглерод моноксид (IV) ќе се ослободи (н.с.) при согорување на 500 g варовник кој содржи 0,1 масен удел на нечистотии.
Решение	Дозволете ни да ја напишеме реакцијата равенка за отпуштање на варовник: CaCO 3 = CaO + CO 2 -. Ајде да најдеме маса од чист варовник. За да го направите ова, прво ја одредуваме неговата масена фракција без нечистотии: w чист (CaCO 3) = 1 - w нечистотија = 1 - 0,1 = 0,9. m јасно (CaCO 3) = m (CaCO 3) × w јасно (CaCO 3); m јасно (CaCO 3) = 500 × 0,9 = 450 g. Ајде да ја пресметаме количината на варовничка супстанција: n(CaCO 3) = m јасно (CaCO 3) / M (CaCO 3); n (CaCO 3) = 450 / 100 = 4,5 mol. Според равенката на реакција n(CaCO 3) :n(CO 2) = 1:1, тоа значи n(CaCO 3) = n(CO 2) = 4,5 mol. Тогаш, волуменот на ослободен јаглерод моноксид (IV) ќе биде еднаков на: V(CO 2) = n(CO 2) ×V m; V(CO 2) = 4,5 × 22,4 = 100,8 l.
Одговори	100,8 l

ПРИМЕР 2

Вежбајте	Колку раствор кој содржи 0,05 делови по маса, или 5% водород хлорид, е потребен за да се неутрализираат 11,2 g калциум карбонат?
Решение	Да ја напишеме равенката за реакција на неутрализација на калциум карбонат со водород хлорид: CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 -. Ајде да ја најдеме количината на калциум карбонат: M(CaCO 3) = A r (Ca) + A r (C) + 3×A r (O); M(CaCO 3) = 40 + 12 + 3×16 = 52 + 48 = 100 g/mol. n(CaCO 3) = m (CaCO 3) / M (CaCO 3); n (CaCO 3) = 11,2 / 100 = 0,112 mol. Според равенката на реакција n(CaCO 3) :n(HCl) = 1:2, што значи n(HCl) = 2 ×n (CaCO 3) = 2 × 0,224 mol. Дозволете ни да ја одредиме масата на водород хлорид содржана во растворот: M(HCl) = A r (H) + A r (Cl) = 1 + 35,5 = 36,5 g/mol. m(HCl) = n(HCl) × M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 g. Да ја пресметаме масата на растворот на водород хлорид: m раствор (HCl) = m(HCl)× 100 / w (HCl); m раствор (HCl) = 8,176 × 100 / 5 = 163,52 g.
Одговори	163,52 g

Јаглеродот (од латински: carbo „јаглен“) е хемиски елемент со симбол C и атомски број 6. Достапни се четири електрони за да формираат ковалентни хемиски врски. Супстанцијата е неметална и четиривалентна. Три изотопи на јаглерод се јавуваат природно, 12C и 13C се стабилни, а 14C е радиоактивен изотоп во распаѓање со полуживот од околу 5.730 години. Јаглеродот е еден од ретките елементи познати уште од античко време. Јаглеродот е 15-ти најзастапен елемент во Земјината кора и четврти најзастапен елемент во универзумот по маса, по водородот, хелиумот и кислородот. Изобилството на јаглерод, уникатната разновидност на неговите органски соединенија и неговата необична способност да формира полимери на температури кои обично се наоѓаат на Земјата му овозможуваат да служи како заеднички елемент за сите познати форми на живот. Тој е вториот најзастапен елемент во човечкото тело по маса (околу 18,5%) по кислородот. Јаглеродните атоми можат да се поврзат на различни начини, наречени алотропи на јаглеродот. Најпознати алотропи се графитот, дијамантот и аморфниот јаглерод. Физичките својства на јаглеродот варираат во голема мера во зависност од алотропната форма. На пример, графитот е непроѕирен и црн, додека дијамантот е многу проѕирен. Графитот е доволно мек за да формира низа на хартија (оттука и неговото име, од грчкиот глагол „γράφειν“, што значи „да пишува“), додека дијамантот е најтврдиот материјал познат во природата. Графитот е добар електричен проводник, додека дијамантот има ниска електрична спроводливост. Во нормални услови, дијамантот, јаглеродните наноцевки и графенот имаат најголема топлинска спроводливост од кој било познат материјал. Сите јаглеродни алотропи се цврсти материи во нормални услови, при што графитот е термодинамички најстабилна форма. Тие се хемиски стабилни и бараат високи температури за да реагираат дури и со кислород. Најчестата состојба на оксидација на јаглеродот во неорганските соединенија е +4, а +2 во карбоксилните комплекси на јаглерод моноксид и преодниот метал. Најголемите извори на неоргански јаглерод се варовниците, доломитите и јаглерод диоксидот, но значителни количини доаѓаат од органски наоѓалишта на јаглен, тресет, нафта и метан клатрати. Јаглеродот формира огромен број соединенија, повеќе од кој било друг елемент, со речиси десет милиони соединенија опишани до денес, а сепак овој број е само дел од бројот на соединенија теоретски можни во стандардни услови. Поради оваа причина, јаглеродот често се нарекува „крал на елементите“.

Карактеристики

Алотропите на јаглеродот вклучуваат графит, една од најмеките познати супстанции и дијамантот, најтврдата природна супстанција. Јаглеродот лесно се поврзува со други мали атоми, вклучително и други јаглеродни атоми, и е способен да формира бројни стабилни ковалентни врски со соодветни повеќевалентни атоми. Познато е дека јаглеродот формира речиси десет милиони различни соединенија, огромно мнозинство од сите хемиски соединенија. Јаглеродот има и највисока точка на сублимација од кој било елемент. При атмосферски притисок, нема точка на топење бидејќи неговата тројна точка е 10,8 ± 0,2 MPa и 4600 ± 300 K (~ 4330 °C или 7820 °F), така што се сублимира на околу 3900 K. Графитот е многу пореактивен од дијамантот под стандардни услови, и покрај тоа што е термодинамички постабилен, бидејќи неговиот делокализиран пи систем е многу поранлив на напади. На пример, графитот може да се оксидира со топла концентрирана азотна киселина во стандардни услови до мелитинска киселина C6(CO2H)6, која ги задржува шестоаголните единици на графит додека ја уништува поголемата структура. Јаглеродот се сублимира во јаглероден лак чија температура е околу 5.800 K (5.530 °C, 9.980 °F). Така, без оглед на неговата алотропна форма, јаглеродот останува цврст на температури повисоки од највисоките точки на топење како што се волфрам или рениум. Иако јаглеродот е термодинамички подложен на оксидација, тој е поотпорен на оксидација од елементите како што се железото и бакарот, кои се послаби редуцирачки агенси на собна температура. Јаглеродот е шестиот елемент со електронска конфигурација на основната состојба од 1s22s22p2, од кои надворешните четири електрони се валентни електрони. Неговите први четири енергии на јонизација се 1086,5, 2352,6, 4620,5 и 6222,7 kJ/mol, многу повисоки од потешките елементи од групата 14. Електронегативноста на јаглеродот е 2,5, значително повисока од потешките елементи од групата 11 (1,8), но е блиска. на повеќето соседни неметали, како и на некои преодни метали од вториот и третиот ред. Ковалентните радиуси на јаглеродот генерално се земаат за 77,2 pm (C-C), 66,7 pm (C=C) и 60,3 pm (C≡C), иако тие може да варираат во зависност од координативниот број и она што е поврзано со јаглеродот. Општо земено, ковалентниот радиус се намалува како што се намалува бројот на координација и се зголемува редот на врската. Јаглеродните соединенија ја формираат основата на целиот познат живот на Земјата, а циклусот јаглерод-азот обезбедува дел од енергијата ослободена од Сонцето и другите ѕвезди. Иако јаглеродот формира извонредна разновидност на соединенија, повеќето форми на јаглерод се релативно нереактивни во нормални услови. При стандардни температури и притисоци, јаглеродот може да ги издржи сите освен најсилните оксидирачки агенси. Не реагира со сулфурна киселина, хлороводородна киселина, хлор или алкалии. На покачени температури, јаглеродот реагира со кислород за да формира јаглеродни оксиди и го отстранува кислородот од металните оксиди, оставајќи го елементарниот метал. Оваа егзотермна реакција се користи во индустријата за железо и челик за топење на железо и контрола на содржината на јаглерод во челикот:

Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

со сулфур за да се формира јаглерод дисулфид и со пареа во реакцијата јаглен-гас:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Јаглеродот се комбинира со одредени метали на високи температури за да формира метални карбиди, како што е цементит од железен карбид во челик и волфрам карбид, широко користен како абразив и за правење тврди точки за алати за сечење. Системот на јаглеродни алотропи опфаќа голем број екстреми:

Некои форми на графит се користат за топлинска изолација (како што се противпожарни бариери и топлински штитови), но некои други форми се добри топлински спроводници. Дијамантот е најпознатиот природен топлински спроводник. Графитот е непроѕирен. Дијамантот е многу транспарентен. Графитот кристализира во хексагоналниот систем. Дијамантот се кристализира во кубниот систем. Аморфниот јаглерод е целосно изотропен. Јаглеродните наноцевки се меѓу најпознатите анизотропни материјали.

Алотропи на јаглерод

Атомскиот јаглерод е многу краткотраен вид и затоа јаглеродот се стабилизира во различни полиатомски структури со различни молекуларни конфигурации наречени алотропи. Трите релативно добро познати алотропи на јаглеродот се аморфен јаглерод, графит и дијамант. Претходно се сметаа за егзотични, фулерените сега најчесто се синтетизираат и се користат во истражувањето; тие вклучуваат баки топки, јаглеродни наноцевки, јаглеродни наноточки и нановлакна. Откриени се и неколку други егзотични алотропи, како што се лонсалетит, стаклен јаглерод, нанофаум јаглерод и линеарен ацетилен јаглерод (карбин). Почнувајќи од 2009 година, графенот се смета за најсилниот материјал кој некогаш бил тестиран. Процесот на негово одвојување од графитот ќе бара дополнителен технолошки развој пред да стане економичен за индустриските процеси. Доколку биде успешен, графенот може да се користи во изградбата на вселенски лифтови. Може да се користи и за безбедно складирање на водород за употреба во мотори базирани на водород во автомобили. Аморфната форма е збир на јаглеродни атоми во некристална, неправилна, стаклена состојба наместо содржана во кристална макроструктура. Присутен е во форма на прав и е главна компонента на супстанции како што се јаглен, саѓи од светилки (саѓи) и активен јаглен. При нормални притисоци, јаглеродот има форма на графит, во кој секој атом е тригонално поврзан со три други атоми во рамнина која се состои од споени шестоаголни прстени, како кај ароматичните јаглеводороди. Резултирачката мрежа е дводимензионална, а добиените рамни листови се преклопени и лабаво поврзани преку слабите ван дер Валс сили. Ова му дава на графитот неговата мекост и својства на расцепување (листовите лесно се лизгаат еден покрај друг). Поради делокализацијата на еден од надворешните електрони на секој атом за да се формира π облак, графитот спроведува електрицитет, но само во рамнината на секој ковалентно врзан лист. Ова резултира со помала електрична спроводливост за јаглеродот отколку за повеќето метали. Делокализацијата ја објаснува и енергетската стабилност на графитот над дијамантот на собна температура. При многу високи притисоци, јаглеродот формира покомпактен алотроп, дијамант, кој има речиси двојно поголема густина од графитот. Овде, секој атом е тетраедрално поврзан со четири други, формирајќи тродимензионална мрежа од збрчкани шестчлени прстени од атоми. Дијамантот ја има истата кубна структура како силициумот и германиумот, а поради јачината на врските јаглерод-јаглерод, тој е најтешката природна супстанција, мерена со отпорност на гребење. Спротивно на популарното верување дека „дијамантите се вечни“, тие се термодинамички нестабилни во нормални услови и се претвораат во графит. Поради високата енергетска бариера за активирање, преминот кон формата на графит е толку бавен при нормални температури што не може да се открие. Под одредени услови, јаглеродот се кристализира како лонсалит, хексагонална кристална решетка со сите атоми ковалентно поврзани и својства слични на оние на дијамантот. Фулерените се синтетичка кристална формација со структура слична на графит, но наместо шестоаголници, фулерените се составени од пентагони (или дури и седумаголници) на јаглеродни атоми. Атоми кои недостасуваат (или дополнителни) ги деформираат листовите во сфери, елипсови или цилиндри. Својствата на фулерените (поделени на баки топки, бакитуби и нанобади) сè уште не се целосно анализирани и претставуваат интензивна област на истражување на наноматеријали. Имињата „фулерен“ и „бакибол“ се поврзуваат со името на Ричард Бакминстер Фулер, популаризирачот на геодетските куполи, кои наликуваат на структурата на фулерените. Buckyballs се прилично големи молекули формирани целосно од јаглеродни врски на тригонален начин, формирајќи сфероиди (најпознат и наједноставен е buckynysterfellerene C60 во форма на фудбал). Јаглеродните наноцевки се структурно слични на баки топките, освен што секој атом е тригонално врзан во заоблен лист што формира шуплив цилиндар. Нанотопките првпат беа претставени во 2007 година и се хибридни материјали (баки топките се ковалентно врзани за надворешниот ѕид на наноцевката) кои ги комбинираат својствата на двете во една структура. Од другите откриени алотропи, јаглеродната нанопена е феромагнетен алотроп откриен во 1997 година. Се состои од кластерски склоп на јаглеродни атоми со мала густина кои се протегаат заедно во лабава тридимензионална мрежа во која атомите се тригонално поврзани во шест и седумчлени прстени. Тој е меѓу најлесните цврсти материи со густина од околу 2 kg/m3. Исто така, стаклениот јаглерод содржи висок процент на затворена порозност, но за разлика од обичниот графит, слоевите на графит не се наредени како страници во книга, туку се послучајно распоредени. Линеарниот ацетилен јаглерод има хемиска структура - (C:::C)n-. Јаглеродот во оваа модификација е линеарен со sp орбитална хибридизација и е полимер со наизменични единечни и тројни врски. Овој карбин е од значаен интерес за нанотехнологијата бидејќи неговиот Јанг модул е ​​четириесет пати поголем од оној на најтврдиот материјал, дијамантот. Во 2015 година, тим од Универзитетот во Северна Каролина објави развој на друг алотроп, кој го нарекоа Q-јаглерод, создаден од високоенергетски ласерски пулс со ниско траење на аморфна јаглеродна прашина. Се наведува дека Q-јаглеродот покажува феромагнетизам, флуоресценција и има цврстина супериорна од дијамантите.

Преваленца

Јаглеродот е четвртиот најзастапен хемиски елемент во универзумот по маса, по водородот, хелиумот и кислородот. Јаглеродот е изобилен во Сонцето, ѕвездите, кометите и атмосферата на повеќето планети. Некои метеорити содржат микроскопски дијаманти кои се формирале кога Сончевиот систем сè уште бил протопланетарен диск. Микроскопските дијаманти можат да се формираат и под интензивен притисок и висока температура во областите на удар на метеорит. Во 2014 година, НАСА објави ажурирана база на податоци за следење на полицикличните ароматични јаглеводороди (PAHs) во Универзумот. Повеќе од 20% од јаглеродот во универзумот може да се поврзе со PAH, сложени соединенија на јаглерод и водород без кислород. Овие соединенија се вклучени во глобалната хипотеза за PAH, каде што се претпоставува дека играат улога во абиогенезата и формирањето на живот. Се чини дека PAH се формирани „неколку милијарди години“ по Големата експлозија, се широко распространети низ универзумот и се поврзани со нови ѕвезди и егзопланети. Земјината кора како целина се проценува дека содржи 730 ppm јаглерод, со 2.000 ppm содржани во јадрото и 120 ppm во комбинираната мантија и кора. Бидејќи масата на земјата е 5,9 72 × 1024 kg, тоа би значело 4360 милиони гигатони јаглерод. Ова е многу повеќе од количината на јаглерод во океаните или атмосферата (подолу). Во комбинација со кислород во јаглерод диоксид, јаглеродот се наоѓа во атмосферата на Земјата (приближно 810 гигатони јаглерод) и растворен во сите водни тела (приближно 36.000 гигатони јаглерод). Во биосферата има околу 1.900 гигатони јаглерод. Јаглеводородите (како што се јаглен, нафта и природен гас) исто така содржат јаглерод. „Резервите“ на јаглен (не „ресурси“) се околу 900 гигатони со можеби 18.000 Gt ресурси. Резервите на нафта изнесуваат околу 150 гигатони. Докажаните извори на природен гас се околу 175.1012 кубни метри (содржат околу 105 гигатони јаглерод), но студиите проценуваат уште 900.1012 кубни метри од „неконвенционалните“ наоѓалишта како што е гасот од шкрилци, што изнесува околу 540 гигатони јаглерод. Јаглеродот е пронајден и во метанските хидрати во поларните региони и под морињата. Според различни проценки, количината на овој јаглерод е 500, 2500 Gt или 3000 Gt. Порано количеството на јаглеводороди беше поголемо. Според еден извор, помеѓу 1751 и 2008 година, околу 347 гигатони јаглерод биле ослободени во атмосферата како јаглерод диоксид во атмосферата од согорувањето на фосилните горива. Друг извор ја додава количината додадена во атмосферата од 1750 година на 879 Gt, а вкупната количина во атмосферата, морето и копното (на пр. тресетни мочуришта) е речиси 2000 Gt. Јаглеродот е составен (12% по маса) на многу големи маси на карбонатни карпи (варовник, доломит, мермер итн.). Јагленот содржи многу високи количества јаглерод (антрацитот содржи 92-98% јаглерод) и е најголемиот комерцијален извор на минерален јаглерод, со 4.000 гигатони или 80% од фосилните горива. Во однос на поединечните јаглеродни алотропи, графитот се наоѓа во големи количини во САД (главно Њујорк и Тексас), Русија, Мексико, Гренланд и Индија. Природните дијаманти се наоѓаат во карпестиот кимберлит содржан во античките вулкански „вратови“ или „оџаци“. Повеќето наоѓалишта на дијаманти се наоѓаат во Африка, особено во Јужна Африка, Намибија, Боцвана, Република Конго и Сиера Леоне. Депозити на дијаманти се пронајдени и во Арканзас, Канада, рускиот Арктик, Бразил и Северна и Западна Австралија. Дијамантите исто така сега се извлекуваат од дното на океанот кај Кејп Добра надеж. Дијамантите се појавуваат природно, но сега произведуваат околу 30% од сите индустриски дијаманти што се користат во Соединетите држави. Јаглерод-14 се формира во горната тропосфера и стратосферата на надморска височина од 9-15 km во реакција што се депонира од космичките зраци. Термичките неутрони се произведуваат и се судираат со јадрата на азот-14 за да формираат јаглерод-14 и протон. Така, 1,2 × 1010% од атмосферскиот јаглерод диоксид содржи јаглерод-14. Астероидите богати со јаглерод се релативно доминантни во надворешните делови на астероидниот појас во нашиот Сончев систем. Овие астероиди сè уште не се директно испитани од научниците. Астероидите би можеле да се користат во хипотетичко ископување јаглен засновано во вселената, што може да биде возможно во иднина, но во моментов е технолошки невозможно.

Јаглеродни изотопи

Јаглеродните изотопи се атомски јадра кои содржат шест протони плус одреден број неутрони (2 до 16). Јаглеродот има два стабилни, природни изотопи. Изотопот јаглерод-12 (12C) формира 98,93% од јаглеродот на Земјата, а јаглерод-13 (13C) го формира преостанатиот 1,07%. Концентрацијата на 12C дополнително се зголемува во биолошките материјали бидејќи биохемиските реакции го дискриминираат 13C. Во 1961 година, Меѓународната унија за чиста и применета хемија (IUPAC) го усвои изотопот јаглерод-12 како основа за атомските тежини. Идентификацијата на јаглеродот во експериментите со нуклеарна магнетна резонанца (NMR) се врши со изотоп 13C. Јаглерод-14 (14C) е природен радиоизотоп создаден во горната атмосфера (долна стратосфера и горната тропосфера) од интеракцијата на азот со космичките зраци. Се наоѓа во трагови на Земјата во количини до 1 дел на трилион (0,0000000001%), главно во атмосферата и површинските седименти, особено тресетот и другите органски материјали. Овој изотоп се распаѓа при β-емисија од 0,158 MeV. Поради релативно краткиот полуживот од 5.730 години, 14C е практично отсутен кај древните карпи. Во атмосферата и во живите организми, количината на 14C е речиси константна, но се намалува кај организмите по смртта. Овој принцип се користи во радиојаглеродното датирање, измислено во 1949 година, кое е широко користено за датира јаглеродни материјали стари до 40.000 години. Познати се 15 изотопи на јаглеродот, а најкраткиот е 8C, кој се распаѓа преку емисија на протон и алфа распаѓање и има полуживот од 1,98739 x 10-21 s. Exotic 19C покажува нуклеарен ореол, што значи дека неговиот радиус е значително поголем отколку што би се очекувало доколку јадрото е сфера со постојана густина.

Образование во ѕвездите

Формирањето на јаглеродното атомско јадро бара речиси истовремен троен судир на алфа честички (јадра на хелиум) во јадрото на џиновска или суперџинска ѕвезда, што е познато како процес на тројна алфа, бидејќи производите од понатамошните реакции на нуклеарна фузија на хелиум со водородот или друго јадро на хелиум произведуваат литиум-5 и берилиум -8 соодветно, и двата се многу нестабилни и речиси веднаш се распаѓаат назад во помали јадра. Ова се случува во услови на температури поголеми од 100 мегакалвини и концентрации на хелиум, кои се неприфатливи во брзото ширење и ладење на раниот универзум, и затоа не се создадени значителни количини на јаглерод за време на Големата експлозија. Според модерната теорија на физичката космологија, јаглеродот се формира во внатрешноста на ѕвездите во хоризонталната гранка преку судир и трансформација на три јадра на хелиум. Кога овие ѕвезди умираат како супернови, јаглеродот се распрснува во вселената како прашина. Оваа прашина станува градежен материјал за формирање на ѕвездени системи од втора или трета генерација со акретирани планети. Сончевиот систем е еден таков ѕвезден систем со изобилство на јаглерод, што дозволува да постои живот каков што го знаеме. Циклусот CNO е дополнителен механизам за фузија што ги придвижува ѕвездите каде јаглеродот делува како катализатор. Ротациони транзиции на различни изотопски форми на јаглерод моноксид (како што се 12CO, 13CO и 18CO) се откриени во опсегот на субмилиметарски бранови должини и се користат во проучувањето на новосоздадените ѕвезди во молекуларните облаци.

Циклус на јаглерод

Под копнени услови, претворањето на еден елемент во друг е многу редок феномен. Затоа, количината на јаглерод на Земјата е ефикасно константна. Така, во процесите кои користат јаглерод, тој мора да се добие од некаде и да се искористи на друго место. Патеките на јаглеродот во околината го формираат јаглеродниот циклус. На пример, фотосинтетичките растенија извлекуваат јаглерод диоксид од атмосферата (или морската вода) и го градат во биомаса, како во циклусот Калвин, процесот на фиксација на јаглеродот. Дел од оваа биомаса ја јадат животните, додека дел од јаглеродот животните го издишуваат како јаглерод диоксид. Јаглеродниот циклус е многу покомплексен од овој краток циклус; на пример, дел од јаглерод диоксид се раствора во океаните; ако бактериите не го консумираат, мртвите растителни или животински материи може да станат нафта или јаглен, кои ослободуваат јаглерод кога се согоруваат.

Јаглеродни соединенија

Јаглеродот може да формира многу долги синџири на испреплетени врски јаглерод-јаглерод, својство наречено формирање на синџир. Јаглерод-јаглерод врски се стабилни. Благодарение на катанацијата (формирање на синџир), јаглеродот формира безброј соединенија. Евалуацијата на уникатните соединенија покажува дека повеќе од нив содржат јаглерод. Слична изјава може да се даде и за водородот бидејќи повеќето органски соединенија содржат и водород. Наједноставната форма на органска молекула е јаглеводород, големо семејство на органски молекули кои се состојат од атоми на водород врзани за синџир на јаглеродни атоми. Должината на синџирот, страничните синџири и функционалните групи влијаат на својствата на органските молекули. Јаглеродот се наоѓа во сите форми на познат органски живот и е основа на органската хемија. Кога се комбинира со водород, јаглеродот формира различни јаглеводороди кои се важни за индустријата како средства за ладење, средства за подмачкување, растворувачи, хемиски суровини за пластика и нафтени производи и како фосилни горива. Кога се комбинира со кислород и водород, јаглеродот може да формира многу групи на важни биолошки соединенија, вклучувајќи шеќери, лигнани, хитини, алкохоли, масти и ароматични естри, каротеноиди и терпени. Со азот, јаглеродот формира алкалоиди, а со додавање на сулфур формира и антибиотици, амино киселини и производи од гума. Со додавање на фосфор на овие други елементи, тој формира ДНК и РНК, носители на хемискиот код на животот и аденозин трифосфат (ATP), најважната транспортна молекула на енергија во сите живи клетки.

Неоргански соединенија

Вообичаено, соединенијата што содржат јаглерод кои се поврзани со минерали или кои не содржат водород или флуор се третираат одделно од класичните органски соединенија; оваа дефиниција не е строга. Меѓу нив се едноставни јаглеродни оксиди. Најпознат оксид е јаглерод диоксид (CO2). Оваа супстанца некогаш била главна компонента на палеоатмосферата, но денес е помала компонента на атмосферата на Земјата. Кога се раствора во вода, оваа супстанца формира јаглерод диоксид (H2CO3), но, како и повеќето соединенија со неколку моноксигени на еден јаглерод, таа е нестабилна. Меѓутоа, преку оваа средна супстанција, се формираат резонантни стабилизирани карбонатни јони. Некои важни минерали се карбонати, особено калцит. Јаглеродниот дисулфид (CS2) е сличен. Друг вообичаен оксид е јаглерод моноксид (CO). Се формира при нецелосно согорување и е безбоен гас без мирис. Секоја молекула содржи тројна врска и е прилично поларна, поради што постојано се врзува за молекулите на хемоглобинот, поместувајќи го кислородот, кој има помал афинитет за врзување. Цијанидот (CN-) има слична структура, но се однесува како халидни јони (псевдохалоген). На пример, може да ја формира молекулата цијаноген нитрид (CN)2), слична на диатомските халиди. Други невообичаени оксиди се јаглерод субоксид (C3O2), нестабилен јаглерод моноксид (C2O), јаглерод триоксид (CO3), циклопентан пептон (C5O5), циклохексан хексон (C6O6) и мелитичен анхидрид (C12O9). Со реактивни метали како што е волфрам, јаглеродот формира или карбиди (C4-) или ацетилиди (C2-2) за да формира легури со високи точки на топење. Овие анјони се исто така поврзани со метан и ацетилен, кои се многу слаби киселини. Со електронегативност од 2,5, јаглеродот претпочита да формира ковалентни врски. Неколку карбиди се ковалентни решетки како што е карборунд (SiC), кој наликува на дијамант. Сепак, дури и најполарните и солените карбиди не се целосно јонски соединенија.

Органометални соединенија

Органометалните соединенија, по дефиниција, содржат најмалку една врска јаглерод-метал. Постои широк спектар на такви соединенија; главните класи вклучуваат едноставни соединенија на алкил-метал (на пример, тетраетил алид), η2-алкен соединенија (на пример, сол на Zeise) и η3-алилни соединенија (на пример, димер алилпаладиум хлорид); металоцени кои содржат циклопентадиенилни лиганди (на пр. фероцен); и карбен комплекси на преодни метали. Има многу метални карбонили (на пр. тетракарбонилникел); Некои работници веруваат дека лигандот на јаглерод моноксид е чисто неорганско, наместо органометално, соединение. Додека јаглеродот се смета дека исклучиво формира четири врски, пријавено е интересно соединение кое содржи октаедрален хексакоординатен јаглероден атом. Катјонот на ова соединение е 2+. Овој феномен се објаснува со аурофилноста на златните лиганди. Во 2016 година, беше потврдено дека хексаметилбензен содржи јаглероден атом со шест врски наместо вообичаените четири.

Историја и етимологија

Англиското име carbon доаѓа од латинскиот carbo, што значи „јаглен“ и „јаглен“, па оттука и францускиот збор charbon, што значи „јаглен“. На германски, холандски и дански, имињата за јаглерод се Kohlenstoff, koolstof и kulstof соодветно, сите буквално значат јагленова супстанција. Јаглеродот бил откриен во праисторијата и бил познат во форми на саѓи и јаглен во најраните човечки цивилизации. Дијамантите веројатно биле познати уште во 2500 година п.н.е. во Кина, а јаглеродот во вид на јаглен бил направен во римско време со истата хемија како и денес, со загревање на дрво во пирамида покриена со глина за да се исклучи воздухот. Во 1722 година, Рене Антоан Ферјо де Ремур покажа дека железото се претвора во челик преку апсорпција на супстанција која сега е позната како јаглерод. Во 1772 година, Антоан Лавоазие покажа дека дијамантите се форма на јаглерод; кога согорувал примероци од јаглен и дијамант и открил дека ниту една од нив не произведува вода и дека двете супстанции ослободуваат еднакви количини јаглерод диоксид по грам. Во 1779 година, Карл Вилхелм Шеле покажа дека графитот, за кој се сметаше дека е форма на олово, наместо тоа е идентичен со јагленот, но со мала мешавина на железо, и дека произведува „воздушна киселина“ (што е јаглерод диоксид) кога се оксидира со азотна киселина. Во 1786 година, француските научници Клод Луис Бертоле, Гаспар Монж и Ц. Повторно остана малку железо, за кое француските научници веруваа дека е неопходно за структурата на графитот. Во својата публикација, тие го предложија името карбон (латински јаглерод) за елементот во графитот што се ослободува како гас кога графитот се согорува. Антоан Лавоазие потоа го навел јаглеродот како елемент во неговиот учебник од 1789 година. Нов алотроп на јаглерод, фулерен, кој беше откриен во 1985 година, вклучува наноструктурни форми како што се баки топки и наноцевки. Нивните откривачи, Роберт Карл, Харолд Крото и Ричард Смали, ја добија Нобеловата награда за хемија во 1996 година. Резултирачкиот обновен интерес за нови форми води до откривање на дополнителни егзотични алотропи, вклучувајќи го и стаклениот јаглерод, и сознанието дека „аморфниот јаглерод“ не е строго аморфен.

Производство

Графит

Комерцијално одржливи природни депозити на графит се наоѓаат во многу делови од светот, но економски најважните извори се наоѓаат во Кина, Индија, Бразил и Северна Кореја. Графитните наслаги се од метаморфно потекло, пронајдени во асоцијација со кварц, мика и фелдспат во шкрилци, гнајсеви и метаморфозирани песочници и варовници како леќи или вени, понекогаш дебели неколку метри или повеќе. Снабдувањето со графит во Бородејл, Камберленд, Англија, првично беше со доволна големина и чистота што до 19 век моливите се правеа едноставно со пилање на блокови од природен графит во ленти пред да се залепат лентите во дрво. Денес, помали наслаги на графит се создаваат со дробење на матичната карпа и плутање на полесниот графит на вода. Постојат три типа на природен графит - аморфен, лушпест или кристален. Аморфниот графит е со најнизок квалитет и е најчест. За разлика од науката, во индустријата „аморфниот“ се однесува на многу мала големина на кристал, наместо на целосен недостаток на кристална структура. Зборот „аморфен“ се користи за опишување на производи со мала количина на графит и е најевтиниот графит. Големи наоѓалишта на аморфен графит се наоѓаат во Кина, Европа, Мексико и САД. Рамниот графит е поретки и со повисок квалитет од аморфниот; се појавува како поединечни плочи кои се кристализираат во метаморфните карпи. Цената на гранулираниот графит може да биде четири пати повисока од цената на аморфниот графит. Графитот со добар квалитет може да се преработи во графит што може да се прошири за многу апликации како што се заштитувачи на пожар. Примарни депозити на графит се наоѓаат во Австрија, Бразил, Канада, Кина, Германија и Мадагаскар. Течниот или грутскиот графит е најреткиот, највредниот и најквалитетниот тип на природен графит. Се наоѓа во вените долж наметливите контакти во тврди парчиња, а комерцијално се ископува само во Шри Ланка. Според USGS, глобалното производство на природен графит во 2010 година изнесувало 1,1 милион тони, при што Кина произвела 800.000 тони, Индија 130.000 тони, Бразил 76.000 тони, Северна Кореја 30.000 тони и Канада - 25.000 тони природен графит во САД. , но во 2009 година беа ископани 118.000 тони синтетички графит со проценета вредност од 998 милиони долари.

Дијамант

Снабдувањето со дијаманти е контролирано од ограничен број бизниси и е високо концентрирано на мал број локации низ светот. Само многу мал дел од дијамантската руда се состои од вистински дијаманти. Рудата се дроби, при што мора да се внимава да се спречи уништување на големи дијаманти во процесот, а честичките потоа се сортираат по густина. Денес, дијамантите се ископуваат во фракцијата богата со дијаманти со помош на флуоресценција на Х-зраци, по што последните чекори за сортирање се изведуваат рачно. Пред широката употреба на рендгенските зраци, сепарацијата се вршеше со помош на појаси за подмачкување; Познато е дека дијамантите биле откриени само во алувијални наоѓалишта во јужна Индија. Познато е дека дијамантите се со поголема веројатност да се залепат на масата отколку другите минерали во рудата. Индија беше лидер во производството на дијаманти од нивното откритие околу 9 век п.н.е. до средината на 18 век н.е., но комерцијалниот потенцијал на овие извори беше исцрпен до крајот на 18 век, а дотогаш Индија беше засенет од Бразил, каде што се пронајдени првите дијаманти во 1725 година. Производството на дијаманти на примарни наоѓалишта (кимберлити и лампроити) започна дури во 1870-тите, по откривањето на наоѓалиштата на дијаманти во Јужна Африка. Производството на дијаманти се зголеми со текот на времето и од овој датум се акумулирани вкупно 4,5 милијарди карати. Околу 20% од оваа количина се произведени само во последните 5 години, а во последните десет години почнаа да се произведуваат 9 нови наоѓалишта, а уште 4 чекаат да бидат откриени наскоро. Повеќето од овие наоѓалишта се наоѓаат во Канада, Зимбабве, Ангола и еден во Русија. Во САД, дијаманти се откриени во Арканзас, Колорадо и Монтана. Во 2004 година, неверојатното откритие на микроскопски дијамант во Соединетите Држави доведе до ослободување во јануари 2008 година на масовно земање примероци од цевки од кимберлит во оддалечен дел на Монтана. Денес, поголемиот дел од комерцијално одржливите наоѓалишта на дијаманти се наоѓаат во Русија, Боцвана, Австралија и Демократска Република Конго. Во 2005 година, Русија произвела речиси една петтина од светската понуда на дијаманти, според Британскиот геолошки институт. Најбогатата дијамантска цевка во Австралија достигна максимално ниво на производство од 42 метрички тони (41 тони; 46 кратки тони) годишно во 1990-тите. Исто така, постојат комерцијални наоѓалишта, чие активно производство се врши во северозападните територии на Канада, Сибир (главно во Јакутија, на пример, во цевката Мир и во цевката Удачнаја), во Бразил, како и во северните и западните Австралија.

Апликации

Јаглеродот е од суштинско значење за сите познати живи системи. Без него, постоењето на животот каков што го знаеме е невозможно. Главната економска употреба на јаглеродот, освен храната и дрвото, е за јаглеводороди, првенствено фосилни горива, гас метан и сурова нафта. Суровата нафта ја преработуваат рафинериите за производство на бензин, керозин и други производи. Целулозата е природен полимер што содржи јаглерод произведен од растенија во форма на дрво, памук, лен и коноп. Целулозата се користи првенствено за одржување на структурата на растенијата. Комерцијално вредни јаглеродни полимери добиени од животинско потекло вклучуваат волна, кашмир и свила. Пластиката е направена од синтетички јаглеродни полимери, често со атоми на кислород и азот вклучени во редовни интервали во главниот полимерен синџир. Суровините за многу од овие синтетички производи доаѓаат од сурова нафта. Употребата на јаглеродот и неговите соединенија се исклучително разновидни. Јаглеродот може да формира легури со железо, од кои најчест е јаглеродниот челик. Графитот се комбинира со глините за да формира „олово“ што се користи во моливите што се користат за пишување и цртање. Се користи и како лубрикант и пигмент, како материјал за обликување во производството на стакло, во електроди за батерии со суви ќелии и галванизација и електроформирање, во четки за електрични мотори и како модератор на неутрони во нуклеарни реактори. Јагленот се користи како материјал за изработка на уметност, како скара за скара, за топење на железо и има многу други намени. Дрвото, јагленот и нафтата се користат како гориво за производство на енергија и греење. Дијамантите со висок квалитет се користат во изработката на накит, а индустриските дијаманти се користат за дупчење, сечење и полирање на алатки за работа на метал и камен. Пластиката е направена од фосилни јаглеводороди, а јаглеродните влакна, направени со пиролиза на синтетички полиестерски влакна, се користат за зајакнување на пластиката за да се формираат напредни, лесни композитни материјали. Јаглеродните влакна се добиваат со пиролиза на екструдирани и истегнати нишки од полиакрилонитрил (PAN) и други органски материи. Кристалната структура и механичките својства на влакното зависат од типот на почетниот материјал и последователната обработка. Јаглеродните влакна направени од PAN имаат структура која наликува на тесни нишки од графит, но термичката обработка може да ја преуреди структурата во континуиран лист. Како резултат на тоа, влакната имаат поголема специфична цврстина на истегнување од челикот. Саѓи се користи како црн пигмент во мастила за печатење, маслени бои и акварели за уметници, карбонска хартија, завршна обработка на автомобили, мастила и ласерски печатачи. Саѓи се користи и како полнење во гумени производи како што се гуми и во пластични соединенија. Активираниот јаглерод се користи како абсорбент и адсорбент во филтерските медиуми во различни апликации како гас-маски, прочистување на водата и кујнски аспиратори, како и во медицината за апсорпција на токсини, отрови или гасови од дигестивниот систем. Јаглеродот се користи за хемиска редукција на високи температури. Коксот се користи за редуцирање на железната руда во железо (топење). Стврднувањето на челикот се постигнува со загревање на готови челични компоненти во јаглероден прав. Силициум, волфрам, бор и титаниум карбиди се меѓу најтврдите материјали и се користат како абразиви за сечење и мелење. Јаглеродните соединенија го сочинуваат најголемиот дел од материјалите што се користат во облеката, како што се природни и синтетички текстил и кожа, како и речиси сите внатрешни површини во други средини освен стакло, камен и метал.

Дијаманти

Дијамантската индустрија е поделена во две категории, од кои едната се висококвалитетни дијаманти (скапоцени камења), а другата се дијаманти од индустриска класа. Иако има голема трговија со двата вида дијаманти, двата пазари функционираат многу различно. За разлика од благородни метали како злато или платина, дијамантите со скапоцени камења не се тргуваат како стока: дијамантите се продаваат по значителна премија и пазарот за препродажба на дијаманти не е многу активен. Индустриските дијаманти се вреднуваат првенствено поради нивната цврстина и топлинска спроводливост, при што гемолошките квалитети на јасност и боја се во голема мера ирелевантни. Околу 80% од ископаните дијаманти (еднакво на приближно 100 милиони карати или 20 тони годишно) се неупотребливи и се користат во индустријата (отпад од дијаманти). Синтетичките дијаманти, измислени во 1950-тите, најдоа индустриска примена речиси веднаш; Годишно се произведуваат 3 милијарди карати (600 тони) синтетички дијаманти. Доминантна индустриска употреба на дијамантот се сечење, дупчење, мелење и полирање. Повеќето од овие апликации не бараат големи дијаманти; Всушност, повеќето дијаманти со квалитет на скапоцени камења, со исклучок на дијамантите со мала големина, може да се користат индустриски. Дијамантите се вметнуваат во дупчалки или сечила за пила или се мелат во прав за употреба при мелење и полирање. Специјализираните апликации вклучуваат лабораториска употреба како складирање за експерименти со висок притисок, лежишта со високи перформанси и ограничена употреба во специјални прозорци. Благодарение на напредокот во производството на синтетички дијаманти, новите апликации стануваат остварливи. Големо внимание е посветено на можната употреба на дијамантот како полупроводник погоден за микрочипови и, поради неговата исклучителна топлинска спроводливост, како ладилник во електрониката.

Јаглеродот во периодниот систем на елементи се наоѓа во вториот период во групата IVA. Електронска конфигурација на јаглеродниот атом ls 2 2s 2 2p 2 .Кога е возбуден, лесно се постигнува електронска состојба во која има четири неспарени електрони во четирите надворешни атомски орбитали:

Ова објаснува зошто јаглеродот во соединенијата обично е четиривалентен. Еднаквоста на бројот на валентни електрони во јаглеродниот атом со бројот на валентни орбитали, како и уникатниот сооднос на полнежот на јадрото и радиусот на атомот, му дава можност подеднакво лесно да се прикачува и да се откаже од електроните , во зависност од својствата на партнерот (Дел 9.3.1). Како резултат на тоа, јаглеродот се карактеризира со различни оксидациски состојби од -4 до +4 и леснотија на хибридизација на неговите атомски орбитали според типот sp 3, sp 2И сп 1за време на формирањето на хемиски врски (дел 2.1.3):

Сето ова му дава можност на јаглеродот да формира единечни, двојни и тројни врски не само едни со други, туку и со атоми на други органогени елементи. Молекулите формирани во овој случај може да имаат линеарна, разгранета или циклична структура.

Поради подвижноста на обичните електрони -МО формирани со учество на атоми на јаглерод, тие се поместуваат кон атомот на поелектронегативен елемент (индуктивен ефект), што доведува до поларитетот на не само оваа врска, туку и молекулата како целина. Меѓутоа, јаглеродот, поради просечната вредност на електронегативност (0E0 = 2,5), формира слабо поларни врски со атоми на други органогени елементи (Табела 12.1). Ако има системи на конјугирани врски во молекулите (Дел 2.1.3), делокализацијата на мобилните електрони (MO) и осамените електронски парови се случува со изедначување на густината на електроните и должината на врските во овие системи.

Од гледна точка на реактивноста на соединенијата, поларизираноста на врските игра важна улога (Дел 2.1.3). Колку е поголема поларизираноста на врската, толку е поголема нејзината реактивност. Зависноста на поларизираноста на врските што содржат јаглерод од нивната природа се рефлектира во следните серии:

Сите разгледани податоци за својствата на врските што содржат јаглерод укажуваат дека јаглеродот во соединенијата формира, од една страна, прилично силни ковалентни врски меѓу себе и со други органогени, а од друга страна, заедничките електронски парови на овие врски се доста лабилен. Како резултат на тоа, може да дојде и до зголемување на реактивноста на овие врски и стабилизација. Токму овие карактеристики на соединенијата што содржат јаглерод го прават јаглеродот органоген број еден.

Киселинско-базните својства на јаглеродните соединенија.Јаглерод моноксид (4) е кисел оксид, а неговиот соодветен хидроксид - јаглеродна киселина H2CO3 - е слаба киселина. Молекулата на јаглерод моноксид (4) е неполарна и затоа е слабо растворлива во вода (0,03 mol/l на 298 К). Во овој случај, прво, во растворот се формира хидрат CO2 H2O, во кој CO2 се наоѓа во шуплината на асоцијацијата на молекулите на водата, а потоа овој хидрат полека и реверзибилно се претвора во H2CO3. Поголемиот дел од јаглерод моноксидот (4) растворен во вода е во форма на хидрат.

Во телото, во црвените крвни зрнца, под дејство на ензимот карбоанхидраза, многу брзо се воспоставува рамнотежа помеѓу CO2 хидрат H2O и H2CO3. Ова ни овозможува да го занемариме присуството на CO2 во форма на хидрат во еритроцитите, но не и во крвната плазма, каде што нема јаглеродна анхидраза. Добиениот H2CO3 се дисоцира во физиолошки услови на хидрокарбонат анјон, а во поалкална средина до карбонат анјон:

Јаглеродна киселина постои само во раствор. Формира две серии на соли - хидрокарбонати (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) и карбонати (Na2CO3, CaCO3). Хидрокарбонатите се порастворливи во вода од карбонатите. Во водени раствори, солите на јаглеродната киселина, особено карбонатите, лесно се хидролизираат во анјонот, создавајќи алкална средина:

Супстанции како сода бикарбона NaHC03; креда CaCO3, бела магнезија 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O, хидролизирани за да формираат алкална средина, се користат како антациди (киселински неутрализатори) за намалување на зголемената киселост на желудечниот сок:

Комбинацијата на јаглеродна киселина и бикарбонат јон (H2CO3, HCO3(-)) формира бикарбонат пуферски систем (дел 8.5) - убав пуферски систем на крвната плазма, кој обезбедува постојана pH на крвта при pH = 7,40 ± 0,05.

Присуството на калциум и магнезиум хидрокарбонати во природните води предизвикува нивна привремена цврстина. Кога таквата вода се варат, нејзината тврдост се елиминира. Ова се случува поради хидролиза на анјонот HCO3(-), термичко распаѓање на јаглеродна киселина и таложење на катјони на калциум и магнезиум во форма на нерастворливи соединенија CaC03 и Mg(OH)2:

Формирањето на Mg(OH) 2 е предизвикано од целосна хидролиза на катјонот на магнезиум, што се случува во овие услови поради помалата растворливост на Mg(0H)2 во споредба со MgC03.

Во медицинската и биолошката пракса, покрај јаглеродната киселина, треба да се работи и со други киселини што содржат јаглерод. Ова е првенствено голема разновидност на различни органски киселини, како и цијановодородна киселина HCN. Од гледна точка на киселинските својства, јачината на овие киселини е различна:

Овие разлики се должат на взаемното влијание на атомите во молекулата, природата на дисоцирачката врска и стабилноста на анјонот, т.е., неговата способност да го делокализира полнежот.

Цијановодородна киселина или водород цијанид, HCN - безбојна, многу испарлива течност (Т кип = 26 °C) со мирис на горчлив бадем, се меша со вода во кој било сооднос. Во водените раствори се однесува како многу слаба киселина, чии соли се нарекуваат цијаниди. Цијанидите на алкалните и земноалкалните метали се растворливи во вода, но тие се хидролизираат во анјонот, поради што нивните водени раствори мирисаат на цијановодородна киселина (мирис на горчливи бадеми) и имаат pH > 12:

Со продолжена изложеност на CO2 содржан во воздухот, цијанидот се распаѓа и ослободува цијановодородна киселина:

Како резултат на оваа реакција, калиум цијанид (калиум цијанид) и неговите раствори ја губат својата токсичност при долгорочно складирање. Цијанидниот анјон е еден од најмоќните неоргански отрови, бидејќи е активен лиганд и лесно формира стабилни комплексни соединенија со ензими кои содржат Fe 3+ и Cu2(+) како комплексни јони (оддел. 10.4).

Редокс својства.Бидејќи јаглеродот во соединенијата може да покаже каква било оксидациска состојба од -4 до +4, за време на реакцијата, слободниот јаглерод може и да донира и да добие електрони, дејствувајќи како редукционо или оксидирачко средство, соодветно, во зависност од својствата на вториот реагенс:

Кога силните оксидирачки агенси комуницираат со органски материи, може да дојде до нецелосна или целосна оксидација на јаглеродните атоми на овие соединенија.

Во услови на анаеробна оксидација со недостаток или отсуство на кислород, јаглеродните атоми на органското соединение, во зависност од содржината на атомите на кислород во овие соединенија и надворешните услови, може да се претворат во C0 2, CO, C, па дури и CH 4, и други органогените се претвораат во H2O, NH3 и H2S.

Во телото, целосната оксидација на органските соединенија со кислород во присуство на ензими на оксидаза (аеробна оксидација) е опишана со равенката:

Од дадените равенки на реакции на оксидација јасно се гледа дека во органските соединенија само јаглеродните атоми ја менуваат оксидационата состојба, додека атомите на другите органогени ја задржуваат својата оксидациска состојба.

За време на реакциите на хидрогенизација, т.е., додавањето на водород (редукционо средство) на повеќекратна врска, јаглеродните атоми што ја формираат ја намалуваат нивната оксидациска состојба (дејствуваат како оксидирачки агенси):

Реакциите на органска супституција со појавата на нова меѓујаглеродна врска, на пример во Вурцовата реакција, се исто така редокс реакции во кои атомите на јаглерод дејствуваат како оксидирачки агенси, а атомите на металот делуваат како редуцирачки агенси:

Слично е забележано и во реакциите на формирање на органометални соединенија:

Во исто време, во реакциите на алкилација со појавата на нова меѓујаглеродна врска, улогата на оксидатор и редуктор ја играат атомите на јаглерод на подлогата и реагенсот, соодветно:

Како резултат на реакциите на додавање на поларен реагенс во подлогата преку повеќекратна меѓујаглеродна врска, еден од атомите на јаглерод ја намалува оксидациската состојба, покажувајќи својства на оксидирачки агенс, а другиот го зголемува степенот на оксидација, дејствувајќи како средство за намалување:

Во овие случаи, се одвива интрамолекуларна реакција на оксидација-редукција на јаглеродни атоми на подлогата, т.е. дисмутација,под влијание на реагенс кој не покажува редокс својства.

Типични реакции на интрамолекуларна дисмутација на органски соединенија поради нивните јаглеродни атоми се реакциите на декарбоксилација на амино киселините или кето киселините, како и реакциите на преуредување и изомеризација на органските соединенија, кои беа дискутирани во делот. 9.3. Наведените примери на органски реакции, како и реакции од Одд. 9.3 убедливо укажува дека атомите на јаглеродот во органските соединенија можат да бидат и оксидирачки и редукциони агенси.

Јаглероден атом во соединение- оксидирачки агенс, ако како резултат на реакцијата се зголеми бројот на неговите врски со атоми на помалку електронегативни елементи (водород, метали), бидејќи со привлекување на заедничките електрони од овие врски кон себе, јаглеродниот атом ја намалува неговата оксидација. држава.

Јаглероден атом во соединение- редукционо средство, ако како резултат на реакцијата се зголеми бројот на неговите врски со атоми на повеќе електронегативни елементи(C, O, N, S), бидејќи со потиснување на заедничките електрони на овие врски, јаглеродниот атом за кој станува збор ја зголемува својата оксидациска состојба.

Така, многу реакции во органската хемија, поради редокс двојноста на јаглеродните атоми, се редокс. Меѓутоа, за разлика од сличните реакции во неорганската хемија, прераспределбата на електроните помеѓу оксидирачкиот агенс и редукциониот агенс во органските соединенија може да биде придружена само со поместување на заедничкиот електронски пар на хемиската врска до атомот кој дејствува како оксидирачки агенс. Во овој случај, оваа врска може да се зачува, но во случаи на силна поларизација може да се прекине.

Комплексни својства на јаглеродни соединенија.Јаглеродниот атом во соединенијата нема единствени електронски парови, и затоа само јаглеродните соединенија што содржат повеќе врски со негово учество можат да дејствуваат како лиганди. Особено активни во сложените процеси на формирање се електроните на поларната тројна врска на јаглерод моноксид (2) и анјонот на цијановодородна киселина.

Во молекулата на јаглерод моноксид (2), атомите на јаглерод и кислород формираат една и една врска поради меѓусебното преклопување на нивните две 2p-атомски орбитали според механизмот на размена. Третата врска, т.е. друга врска, се формира според механизмот донор-акцептор. Акцепторот е слободната 2p атомска орбитала на јаглеродниот атом, а донаторот е атом на кислород, кој обезбедува осамен пар електрони од орбиталата 2p:

Зголемениот сооднос на врската и обезбедува на оваа молекула висока стабилност и инертност во нормални услови во однос на киселинско-базните (CO е оксид што не формира сол) и својствата на редокс (CO е редукционо средство при Т > 1000 К). Во исто време, го прави активен лиганд во реакциите на сложеност со атоми и катјони на d-метали, првенствено со железо, со што формира железо пентакарбонил, испарлива токсична течност:

Способноста да се формираат сложени соединенија со d-метални катјони е причината за токсичноста на јаглерод моноксидот (H) за живите системи (Дел. 10.4) поради појавата на реверзибилни реакции со хемоглобин и оксихемоглобин кој го содржи катјонот Fe 2+, со формирање на карбоксихемоглобин:

Овие рамнотежи се поместуваат кон формирање на карбоксихемоглобин ННbСО, чија стабилност е 210 пати поголема од онаа на оксихемоглобинот ННbО2. Ова доведува до акумулација на карбоксихемоглобин во крвта и, следствено, до намалување на неговата способност да носи кислород.

Анјонот на цијановодородна киселина CN-, исто така, содржи лесно поларизирани електрони, поради што ефикасно формира комплекси со d-метали, вклучувајќи ги и животните метали кои се дел од ензимите. Затоа, цијанидите се високо токсични соединенија (Дел 10.4).

Циклус на јаглерод во природата.Јаглеродниот циклус во природата главно се заснова на реакциите на оксидација и редукција на јаглеродот (сл. 12.3).

Растенијата асимилираат (1) јаглерод моноксид (4) од атмосферата и хидросферата. Дел од растителната маса ја консумираат (2) луѓето и животните. Дишењето на животните и распаѓањето на нивните остатоци (3), како и дишењето на растенијата, гниењето на мртвите растенија и согорувањето на дрвото (4) го враќаат CO2 во атмосферата и хидросферата. Процесот на минерализација на остатоците од растенија (5) и животни (6) со формирање на тресет, фосилни јаглени, нафта, гас доведува до транзиција на јаглеродот во природни ресурси. Киселинско-базните реакции (7) работат во иста насока, се случуваат помеѓу CO2 и различни карпи со формирање на карбонати (средни, кисели и базни):

Овој неоргански дел од циклусот доведува до губење на CO2 во атмосферата и хидросферата. Човечката активност во согорувањето и преработката на јаглен, нафта, гас (8), огревно дрво (4), напротив, изобилно ја збогатува животната средина со јаглерод моноксид (4). Долго време постоеше уверување дека благодарение на фотосинтезата, концентрацијата на CO2 во атмосферата останува константна. Меѓутоа, во моментов, зголемувањето на содржината на CO2 во атмосферата поради човековата активност не се компензира со неговото природно намалување. Вкупното ослободување на CO2 во атмосферата расте експоненцијално за 4-5% годишно. Според пресметките, во 2000 година содржината на CO2 во атмосферата ќе достигне приближно 0,04% наместо 0,03% (1990).

По разгледувањето на својствата и карактеристиките на соединенијата што содржат јаглерод, треба уште еднаш да се нагласи водечката улога на јаглеродот

Ориз. 12.3.Циклус на јаглерод во природата

Органоген бр. 1: прво, јаглеродните атоми го формираат скелетот на молекулите на органските соединенија; второ, јаглеродните атоми играат клучна улога во процесите на редокс, бидејќи меѓу атомите на сите органогени, јаглеродот најмногу се карактеризира со двојност на редокс. За повеќе информации за својствата на органските соединенија, видете го модулот IV „Основи на биоорганската хемија“.

Општи карактеристики и биолошка улога на p-елементи од групата IVA.Електронските аналози на јаглеродот се елементи од групата IVA: силициум Si, германиум Ge, калај Sn и олово Pb (види Табела 1.2). Радиусите на атомите на овие елементи природно се зголемуваат со зголемување на атомскиот број, а нивната јонизациска енергија и електронегативност природно се намалуваат (Дел 1.3). Според тоа, првите два елементи од групата: јаглеродот и силициумот се типични неметали, а германиумот, калајот и оловото се метали, бидејќи тие најмногу се карактеризираат со губење на електрони. Во серијата Ge - Sn - Pb, металните својства се зголемуваат.

Од гледна точка на редокс својства, елементите C, Si, Ge, Sn и Pb во нормални услови се доста стабилни во однос на воздухот и водата (металите Sn и Pb - поради формирање на оксидна фолија на површината ). Во исто време, оловните соединенија (4) се силни оксидирачки агенси:

Комплексирачките својства се најкарактеристични за оловото, бидејќи неговите катјони Pb 2+ се силни комплекси во споредба со катјоните на другите p-елементи од групата IVA. Оловните катјони формираат силни комплекси со биолиганди.

Елементите на групата IVA остро се разликуваат и во нивната содржина во телото и во нивната биолошка улога. Јаглеродот игра фундаментална улога во животот на телото, каде што неговата содржина е околу 20%. Содржината на другите елементи од групата IVA во телото е во рамките на 10 -6 -10 -3%. Во исто време, ако силиконот и германиумот несомнено играат важна улога во животот на телото, тогаш калајот и особено оловото се токсични. Така, со зголемување на атомската маса на елементите од групата IVA, токсичноста на нивните соединенија се зголемува.

Прашината која се состои од честички јаглен или силициум диоксид SiO2, кога систематски се изложува на белите дробови, предизвикува болести - пневмокониоза. Во случај на јагленова прашина, ова е антракоза, професионална болест на рударите. Кога се вдишува прашина што содржи Si02, се јавува силикоза. Механизмот на развој на пневмокониоза сè уште не е воспоставен. Се претпоставува дека со продолжен контакт на зрната силикатна песок со биолошки течности, се формира полисилициумска киселина Si02 yH2O во состојба слична на гел, чие таложење во клетките доведува до нивна смрт.

Токсичниот ефект на оловото му е познат на човештвото многу долго време. Употребата на олово за правење садови и водоводни цевки доведе до масовно труење на луѓето. Во моментов, оловото продолжува да биде еден од главните загадувачи на животната средина, бидејќи ослободувањето на оловните соединенија во атмосферата изнесува над 400.000 тони годишно. Оловото главно се акумулира во скелетот во форма на слабо растворлив фосфат Pb3(PO4)2, а кога коските се деминерализираат, има редовно токсично дејство врз телото. Затоа, оловото е класифицирано како кумулативен отров. Токсичноста на соединенијата на оловото е поврзана првенствено со неговите комплексни својства и високиот афинитет за биолиганди, особено оние што содржат сулфхидрилни групи (-SH):

Создавањето комплексни соединенија на јони на олово со протеини, фосфолипиди и нуклеотиди доведува до нивна денатурација. Честопати јоните на олово ги инхибираат металоензимите ЕМ 2+, поместувајќи ги животните метални катјони од нив:

Оловото и неговите соединенија се отрови кои делуваат првенствено на нервниот систем, крвните садови и крвта. Во исто време, оловните соединенија влијаат на синтезата на протеините, енергетскиот биланс на клетките и нивниот генетски апарат.

Во медицината, како адстрингентни средства се користат следните надворешни антисептици: олово ацетат Pb(CH3COO)2 ZH2O (лосиони за олово) и олово(2) оксид PbO (олово малтер). Оловните јони на овие соединенија реагираат со протеините (албумин) во цитоплазмата на микробните клетки и ткива, формирајќи албуминати слични на гел. Создавањето на гелови ги убива микробите и, покрај тоа, го отежнува нивното навлегување во ткивните клетки, што го намалува локалниот воспалителен одговор.

(прв електрон)

Јаглерод(хемиски симбол В) хемиски елемент од 4-та група од главната подгрупа од 2-риот период на периодичниот систем Менделеев, сериски број 6, атомска маса на природна мешавина на изотопи 12,0107 g/mol.

Приказна

Јаглеродво форма на јаглен се користел во античко време за топење метали. Одамна се познати алотропните модификации на јаглеродот - дијамантот и графитот. Елементарната природа на јаглеродот ја утврдил А. Лавоазие кон крајот на 1780-тите.

потеклото на името

Меѓународно име: carbō - јаглен.

Физички својства

Јаглеродот постои во различни алотропи со многу различни физички својства. Разновидноста на модификациите се должи на способноста на јаглеродот да формира хемиски врски од различни типови.

Јаглеродни изотопи

Природниот јаглерод се состои од два стабилни изотопи - 12 C (98,892%) и 13 C (1,108%) и еден радиоактивен изотоп 14 C (β-емитер, T ½ = 5730 години), концентрирани во атмосферата и горниот дел од земјината кора . Постојано се формира во долните слоеви на стратосферата како резултат на влијанието на неутроните од космичкото зрачење врз азотните јадра според реакцијата: 14 N (n, p) 14 C, а исто така, од средината на 1950-тите, како вештачки производ на нуклеарни централи и како резултат на тестирање на водородни бомби.

Методот на радиојаглеродно датирање, широко користен во квартерната геологија и археологија, се заснова на формирање и распаѓање на 14 C.

Алотропни модификации на јаглеродот

Шеми на структурата на различни модификации на јаглерод
а: дијамант, б: графит, в: lonsdaleite
г: фулерен-бакибол C 60, д: фулерен C 540, ѓ: фулерен C 70
е: аморфен јаглерод, ч: јаглеродна наноцевка

Алотропија на јаглерод

лонсдалеит

фулерени

јаглеродни наноцевки

аморфен јаглерод

Јагленосаѓи саѓи

Електронските орбитали на јаглеродниот атом може да имаат различни геометрии, во зависност од степенот на хибридизација на неговите електронски орбитали. Постојат три основни геометрии на јаглеродниот атом.

Тетраедар -се формира со мешање на еден s- и три p-електрони (sp 3 хибридизација). Јаглеродниот атом се наоѓа во центарот на тетраедронот, поврзан со четири еквивалентни σ-врски со јаглерод или други атоми на темињата на тетраедронот. Јаглеродните алотропни модификации дијамант и лонсдалеит одговараат на оваа геометрија на јаглеродниот атом. Јаглеродот покажува таква хибридизација, на пример, во метанот и другите јаглеводороди.

Тригонална -се формира со мешање на една s- и две p-електронски орбитали (sp²-хибридизација). Јаглеродниот атом има три еквивалентни σ врски лоцирани во иста рамнина под агол од 120° една до друга. П-орбиталата која не е вклучена во хибридизацијата, лоцирана нормално на рамнината на σ врски, се користи за формирање π врска со други атоми. Оваа јаглеродна геометрија е карактеристична за графитот, фенолот итн.

Дигонал -се формира со мешање на еден s- и еден p-електрони (sp-хибридизација). Во овој случај, два електронски облаци се издолжени по една насока и изгледаат како асиметрични тегови. Другите два p електрони прават π врска. Јаглеродот со оваа атомска геометрија формира посебна алотропна модификација - карбин.

Графит и дијамант

Главните и добро проучени кристални модификации на јаглеродот се дијамантот и графитот. Во нормални услови, само графитот е термодинамички стабилен, додека дијамантот и другите форми се метастабилни. При атмосферски притисок и температури над 1200 К, Калмаз почнува да се трансформира во графит; над 2100 К, трансформацијата се случува за неколку секунди. ΔН 0 транзиција-1,898 kJ/mol. При нормален притисок, јаглеродот се сублимира на 3780 К. Течниот јаглерод постои само при одреден надворешен притисок. Тројни точки: графит-течна пареа T = 4130 K, p = 10,7 MPa. Директната транзиција на графитот во дијамант се случува на 3000 K и притисок од 11-12 GPa.

При притисок над 60 GPa, се претпоставува формирање на многу густа модификација C III (густина 15-20% поголема од густината на дијамантот), која има метална спроводливост. При високи притисоци и релативно ниски температури (околу 1200 К), се формира хексагонална модификација на јаглерод со кристална решетка од типот вурцит-лонсдалеит (a = 0,252 nm, c = 0,412 nm, просторна група P6 3 /tts), густина 3,51 од високо ориентиран графит g/cm³, односно ист како оној на дијамантот. Лонсдалеит се наоѓа и во метеоритите.

Ултрадисперзни дијаманти (нанодијаманти)

Во 1980-тите Во СССР, беше откриено дека во услови на динамично оптоварување на материјали што содржат јаглерод, може да се формираат структури слични на дијаманти, наречени ултрафини дијаманти (UDD). Во моментов, терминот „нанодијаманти“ се повеќе се користи. Големината на честичките во таквите материјали е неколку нанометри. Условите за формирање на UDD може да се реализираат при детонација на експлозиви со значителен негативен салдо на кислород, на пример, мешавини на ТНТ со хексоген. Вакви услови може да се реализираат и при удари на небесни тела на површината на Земјата во присуство на материјали што содржат јаглерод (органска материја, тресет, јаглен итн.). Така, во зоната на паѓање на метеоритот Тунгуска, UDA беа откриени во шумското дно.

Карбин

Кристалната модификација на јаглеродот на хексагоналниот систем со верижна структура на молекули се нарекува карбин. Синџирите имаат или полиенска структура (—C≡C—) или поликумуленска структура (=C=C=). Познати се неколку форми на карбин, кои се разликуваат по бројот на атоми во единицата клетка, големината и густината на ќелијата (2,68-3,30 g/cm³). Карбинот се јавува во природата во форма на минералот хаоит (бели вени и подмножества во графит) и се добива вештачки со оксидативна дехидрополикондензација на ацетилен, дејство на ласерско зрачење на графит, од јаглеводороди или CCl 4 во плазмата со ниска температура.

Карбинот е ситно-кристален црн прав (густина 1,9-2 g/cm³) и има полупроводнички својства. Добиени во вештачки услови од долги синџири на атоми јаглерод, поставени паралелно едни со други.

Карбин е линеарен полимер на јаглерод. Во молекулата на карбинот, атомите на јаглерод се поврзани во синџири наизменично или со тројни и единечни врски (структура на полиен) или трајно со двојни врски (структура на поликумулен). Оваа супстанца првпат ја добија советските хемичари В.В.Коршак, А.М.Сладков, В.И.Касаточкин и Ју.П.Кудрјавцев во раните 60-ти. В Институт за органоелементни соединенија на Академијата на науките на СССР.Карабинот има полупроводнички својства, а под влијание на светлината неговата спроводливост значително се зголемува. Првата практична примена се базира на ова својство - во фотоелементи.

Фулерени и јаглеродни наноцевки

Јаглеродот е познат и во форма на кластер честички C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 и слично (фулерени), како и графени и наноцевки.

Аморфен јаглерод

Структурата на аморфниот јаглерод се заснова на нарушената структура на еднокристалниот (секогаш содржи нечистотии) графит. Тоа се кокс, кафеав и црн јаглен, саѓи, активен јаглен.

Да се ​​биде во природа

Содржината на јаглерод во земјината кора е 0,1% по маса. Слободниот јаглерод се наоѓа во природата во форма на дијамант и графит. Најголемиот дел од јаглеродот е во форма на природни карбонати (варовници и доломити), фосилни горива - антрацит (94-97% C), кафеав јаглен (64-80% C), битуменски јаглен (76-95% C), нафта шкрилци (56-78% C), нафта (82-87% C), запаливи природни гасови (до 99% метан), тресет (53-56% C), како и битумен, итн. Во атмосферата и хидросферата се наоѓа во форма на јаглерод диоксид CO 2 , во воздухот има 0,046 % CO 2 по маса, во водите на реките, морињата и океаните е ~ 60 пати повеќе. Јаглеродот е вклучен во составот на растенијата и животните (~18%).
Човечкото тело влегува во јаглерод преку храната (нормално околу 300 g на ден). Вкупната содржина на јаглерод во човечкото тело достигнува околу 21% (15 kg на 70 kg телесна тежина). Јаглеродот сочинува 2/3 од мускулната маса и 1/3 од коскената маса. Се излачува од телото првенствено преку издишаниот воздух (јаглерод диоксид) и урината (уреа)
Јаглеродниот циклус во природата го вклучува биолошкиот циклус, ослободувањето на CO 2 во атмосферата при согорување на фосилни горива, од вулкански гасови, топли минерални извори, од површинските слоеви на океанските води итн. Биолошкиот циклус се состои од фактот дека јаглеродот во форма на CO 2 се апсорбира од тропосферата од растенијата . Потоа од биосферата повторно се враќа во геосферата: со растенијата, јаглеродот влегува во телото на животните и луѓето, а потоа, кога животинските и растителните материјали гнијат, во почвата и во форма на CO 2 во атмосферата.

Во состојба на пареа и во форма на соединенија со азот и водород, јаглеродот се наоѓа во атмосферата на Сонцето, планетите и се наоѓа во камените и железните метеорити.

Повеќето јаглеродни соединенија, а пред се јаглеводородите, имаат изразен карактер на ковалентни соединенија. Силата на едноставни, двојни и тројни врски на атомите C едни со други, способноста да се формираат стабилни синџири и циклуси од атомите на C го одредуваат постоењето на огромен број соединенија што содржат јаглерод изучувани во органската хемија.

Хемиски својства

На обични температури, јаглеродот е хемиски инертен, при доволно високи температури се комбинира со многу елементи и покажува силни намалувачки својства. Хемиската активност на различните форми на јаглерод се намалува по следниот редослед: аморфен јаглерод, графит, дијамант; во воздухот тие се палат на температури над 300–500 °C, 600–700 °C и 850–1000 °C.

Состојби на оксидација +4, −4, ретко +2 (CO, метални карбиди), +3 (C2N2, халогенианиди); афинитет на електрони 1,27 eV; Енергијата на јонизација за време на секвенцијалниот премин од C 0 во C 4 + е 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 eV, соодветно.

Неоргански соединенија

Јаглеродот реагира со многу елементи за да формира карбиди.

Производите на согорување се јаглерод моноксид CO и јаглерод диоксид CO 2. Познат е и нестабилниот оксид C 3 O 2 (точка на топење −111 ° C, точка на вриење 7 ° C) и некои други оксиди. Графитот и аморфниот јаглерод почнуваат да реагираат со H 2 на 1200 ° C, со F 2 на 900 ° C, соодветно.

CO 2 со вода формира слаба јаглеродна киселина - H 2 CO 3, која формира соли - карбонати. Најраспространетите карбонати на Земјата се калциумот (креда, мермер, калцит, варовник и други минерали) и магнезиум (доломит).

Графитот со халогени, алкални метали и други супстанции формира инклузивни соединенија. Кога електричното празнење се пренесува помеѓу јаглеродни електроди во средина N2, се формира цијаноген; при високи температури, интеракцијата на јаглеродот со мешавина од H2 и N2 произведува цијановодородна киселина. Со сулфур, јаглеродот произведува јаглерод дисулфид CS 2, CS и C 3 S 2 се исто така познати. Јаглеродот формира карбиди со повеќето метали, бор и силициум. Реакцијата на јаглеродот со водена пареа е важна во индустријата: C + H 2 O = CO + H 2 (Гасификација на цврсти горива). Кога се загрева, јаглеродот ги редуцира металните оксиди во метали, што е широко користен во металургијата.

Органски соединенија

Поради способноста на јаглеродот да формира полимерни синџири, постои огромна класа на соединенија базирани на јаглерод, кои се многу поголеми од неорганските и кои се изучуваат во органската хемија. Меѓу нив се најобемните групи: јаглеводороди, протеини, масти итн.

Јаглеродните соединенија ја формираат основата на копнениот живот, а нивните својства во голема мера го одредуваат опсегот на услови во кои може да постојат такви форми на живот. Според бројот на атоми во живите клетки, учеството на јаглеродот е околу 25%, а по маса дел е околу 18%.

Апликација

Графитот се користи во индустријата за моливи. Се користи и како лубрикант при особено високи или ниски температури.

Дијамантот, поради неговата исклучителна цврстина, е незаменлив абразивен материјал. Мелечките додатоци на дупчалките се обложени со дијамант. Покрај тоа, исечените дијаманти се користат како скапоцени камења во накитот. Поради својата реткост, високите декоративни квалитети и комбинацијата на историски околности, дијамантот е секогаш најскапиот скапоцен камен. Исклучително високата топлинска спроводливост на дијамантот (до 2000 W/mK) го прави ветувачки материјал за полупроводничка технологија како подлога за процесори. Но, релативно високата цена (околу 50 долари/грам) и тешкотијата на обработка на дијаманти ја ограничуваат неговата употреба во оваа област.
Во фармакологијата и медицината, широко се користат различни јаглеродни соединенија - деривати на јаглеродна киселина и карбоксилни киселини, разни хетероцикли, полимери и други соединенија. Така, карболенот (активен јаглен) се користи за апсорпција и отстранување на разни токсини од телото; графит (во форма на масти) - за третман на кожни болести; изотопи на радиоактивен јаглерод-за научни истражувања (радиојаглеродно датирање).

Јаглеродот игра огромна улога во животот на човекот. Неговите апликации се разновидни како и самиот многустран елемент.

Јаглеродот е основа на сите органски материи. Секој жив организам главно се состои од јаглерод. Јаглеродот е основа на животот. Изворот на јаглерод за живите организми обично е CO 2 од атмосферата или водата. Преку фотосинтезата, тој навлегува во биолошките синџири на исхрана во кои живите суштества се проголтуваат меѓусебно или меѓусебните останки и со тоа добиваат јаглерод за да изградат свои тела. Биолошкиот циклус на јаглеродот завршува или со оксидација и враќање во атмосферата, или со закопување во форма на јаглен или нафта.

Јаглеродот во форма на фосилни горива: јаглен и јаглеводороди (нафта, природен гас) е еден од најважните извори на енергија за човештвото.

Токсичен ефект

Јаглеродот е дел од атмосферските аеросоли, како резултат на што може да се промени регионалната клима и да се намали бројот на сончеви денови. Јаглеродот влегува во животната средина во форма на саѓи во издувните гасови на возилата, при согорување на јаглен во термоелектраните, при ископување јаглен во отворен коп, подземна гасификација, производство на концентрати на јаглен итн. Концентрацијата на јаглерод над изворите на согорување е 100-400 μg/m³, во големите градови 2, 4-15,9 μg/m³, руралните области 0,5-0,8 μg/m³. Со емисиите на гасни аеросоли од нуклеарните централи, (6-15).10 9 Bq/ден 14 CO 2 влегува во атмосферата.

Високата содржина на јаглерод во атмосферските аеросоли доведува до зголемен морбидитет кај населението, особено во горниот респираторен тракт и белите дробови. Професионални заболувања - главно антракоза и бронхитис од прашина. Во воздухот на работната површина, MPC, mg/m³: дијамант 8,0, антрацит и кокс 6,0, јаглен 10,0, саѓи и саѓи прав 4,0; во атмосферскиот воздух максималната еднократна е 0,15, просечната дневна е 0,05 mg/m³.

Токсичниот ефект на 14 C, кој е вклучен во протеинските молекули (особено во ДНК и РНК), се одредува со ефектот на зрачење на бета честичките и азотните повратни јадра (14 C (β) → 14 N) и ефектот на трансмутација - a промена на хемискиот состав на молекулата како резултат на трансформација на атомот C по атом N. Дозволена концентрација од 14 C во воздухот на работната површина DK A 1,3 Bq/l, во атмосферскиот воздух DK B 4,4 Bq/ l, во вода 3.0.10 4 Bq/l, максимално дозволено внесување преку респираторниот систем 3 ,2.10 8 Bq/год.

дополнителни информации

- Јаглеродни соединенија
- Радиојаглеродно датирање
- Ортокарбоксилна киселина

Алотропни форми на јаглерод:

Дијамант
Графен
Графит
Карбин
Лонсдејлит
Јаглеродни наноцевки
Фулерени

Аморфни форми:

Саѓи
Саѓи
Јаглен

Јаглеродни изотопи:

Нестабилен (помалку од 24 часа): 8C: Јаглерод-8, 9С: Јаглерод-9, 10С: Јаглерод-10, 11С: Јаглерод-11
Стабилна: 12C: Јаглерод-12, 13С: Јаглерод-13
10-10.000 години: 14C: Јаглерод-14
Нестабилен (помалку од 24 часа): 15C: Јаглерод-15, 16С: Јаглерод-16, 17С: Јаглерод-17, 18С: Јаглерод-18, 19С: Јаглерод-19, 20С: Јаглерод-20, 21С: Јаглерод-21, 22C: Јаглерод-22

Табела со нуклиди

Јаглерод, карбонеум, C (6)
Јаглеродот (англиски Carbon, француски Carbone, германски Kohlenstoff) во форма на јаглен, саѓи и саѓи е познат на човештвото од памтивек; пред околу 100 илјади години, кога нашите предци го совладале огнот, секојдневно се занимавале со јаглен и саѓи. Веројатно, многу раните луѓе се запознале со алотропните модификации на јаглеродот - дијамантот и графитот, како и фосилниот јаглен. Не е изненадувачки што согорувањето на супстанции што содржат јаглерод беше еден од првите хемиски процеси што го интересираа човекот. Со оглед на тоа што запалената супстанција исчезнала кога се конзумирала од оган, согорувањето се сметало за процес на распаѓање на супстанцијата и затоа јагленот (или јаглеродот) не се сметал за елемент. Елементот бил оган, феномен што го придружува согорувањето; Во древните учења за елементите, огнот обично се појавува како еден од елементите. На преминот од XVII - XVIII век. Се појави теоријата на флогистон, изнесена од Бехер и Стал. Оваа теорија го препозна присуството во секое запаливо тело на посебна елементарна супстанција - бестежинска течност - флогистон, кој испарува за време на процесот на согорување.

Кога се согорува голема количина јаглен, останува само малку пепел; флогистиката веруваше дека јагленот е речиси чист флогистон. Ова е она што го објасни, особено, „флогистирачкиот“ ефект на јагленот - неговата способност да обновува метали од „вар“ и руди. Подоцна флогистика, Ромур, Бергман и други, веќе почнаа да сфаќаат дека јагленот е елементарна супстанција. Сепак, „чистиот јаглен“ првпат беше препознаен како таков од Лавоазие, кој го проучуваше процесот на согорување на јаглен и други супстанции во воздухот и кислородот. Во книгата „Метод на хемиска номенклатура“ од Гитон де Морво, Лавоазие, Бертоле и Фуркроа (1787), се појави името „јаглерод“ (јаглерод) наместо францускиот „чист јаглен“ (charbone pur). Под истото име, јаглеродот се појавува во „Табела на едноставни тела“ во „Основниот учебник по хемија“ на Лавоазие. Во 1791 година, англискиот хемичар Тенант бил првиот што добил бесплатен јаглерод; тој поминал фосфорна пареа преку калцинирана креда, што резултирало со формирање на калциум фосфат и јаглерод. Одамна е познато дека дијамантот гори без да остави талог кога силно се загрева. Во далечната 1751 година, францускиот крал Френсис I се согласи да даде дијамант и рубин за експерименти со согорување, по што овие експерименти станаа дури и модерни. Се испостави дека само дијамантот гори, а рубинот (алуминиум оксид со мешавина на хром) може да издржи продолжено загревање во фокусот на леќата за палење без оштетување. Лавоазие извршил нов експеримент за согорување дијаманти со помош на голема запалива машина и дошол до заклучок дека дијамантот е кристален јаглерод. Вториот алотроп на јаглерод - графит во алхемискиот период се сметал за модифициран сјај на олово и бил наречен plumbago; Дури во 1740 година Пот открил отсуство на каква било нечистотија на олово во графитот. Шеле го проучувал графитот (1779) и, како флогист, го сметал за посебен вид сулфурно тело, специјален минерален јаглен кој содржи врзана „воздушна киселина“ (CO2) и голема количина флогистон.

Дваесет години подоцна, Гитон де Морво го претвори дијамантот во графит, а потоа во јаглеродна киселина со внимателно загревање.

Меѓународното име Carboneum доаѓа од латинскиот. јаглерод (јаглен). Овој збор има многу античко потекло. Се споредува со крем - да изгори; root sag, cal, руски гар, гал, гол, санскрит ста значи да се вари, готви. Зборот „карбо“ се поврзува и со имињата на јаглеродот во другите европски јазици (јаглерод, карбон, итн.). Германскиот Kohlenstoff доаѓа од Kohle - јаглен (старогермански kolo, шведски kylla - за загревање). Стариот руски угорати, или угарати (да се запали, изгори) го има коренот гар, или планини, со можна транзиција кон гол; јаглен на староруски југал, или јаглен, од исто потекло. Зборот дијамант (Diamante) доаѓа од старогрчкиот - неуништлив, непопустлив, тврд, а графит од грчкиот - пишувам.

На почетокот на 19 век. стариот збор јаглен во руската хемиска литература понекогаш се заменуваше со зборот „карбонат“ (Шерер, 1807; Севергин, 1815); Од 1824 година, Соловиев го воведе името јаглерод.