Upotreba ugljenika. Ugljik - hemijska i fizička svojstva. Svojstva hemijske prirode

Jedan od najnevjerovatnijih elemenata koji mogu formirati ogromnu raznolikost jedinjenja organske i neorganske prirode je ugljik. Ovaj element je toliko neobičan po svojim svojstvima da mu je čak i Mendeljejev predvidio veliku budućnost, govoreći o osobinama koje još nisu otkrivene.

Kasnije je to praktično potvrđeno. Postalo je poznato da je to glavni biogeni element naše planete, koji je dio apsolutno svih živih bića. Osim toga, može postojati u oblicima koji su radikalno različiti u svim aspektima, ali se istovremeno sastoje samo od atoma ugljika.

Općenito, ova struktura ima mnogo značajki i pokušat ćemo se pozabaviti njima u toku članka.

Ugljenik: formula i pozicija u sistemu elemenata

U periodnom sistemu, element ugljenik se nalazi u IV (prema novom modelu u 14) grupi, glavnoj podgrupi. Njegov atomski broj je 6, a atomska težina 12,011. Oznaka elementa sa znakom C označava njegovo ime na latinskom - carboneum. Postoji nekoliko različitih oblika u kojima postoji ugljenik. Stoga je njegova formula drugačija i ovisi o specifičnoj modifikaciji.

Međutim, postoji, naravno, posebna oznaka za pisanje jednadžbi reakcija. Općenito, kada se govori o tvari u njenom čistom obliku, usvaja se molekularna formula ugljika C, bez indeksiranja.

Istorija otkrivanja elemenata

Sam po sebi, ovaj element je poznat od antike. Uostalom, jedan od najvažnijih minerala u prirodi je ugalj. Stoga za stare Grke, Rimljane i druge nacionalnosti on nije bio tajna.

Pored ove sorte, korišteni su i dijamanti i grafit. S potonjim je dugo bilo mnogo zbunjujućih situacija, jer su se često, bez analize sastava, takvi spojevi uzimali za grafit, kao što su:

• srebrno olovo;
• gvožđe karbid;
• molibden sulfid.

Svi su obojeni u crno i stoga se smatraju grafitnim. Kasnije je ovaj nesporazum razjašnjen i ovaj oblik ugljika je postao sam.

Od 1725. godine dijamanti su postali od velike komercijalne važnosti, a 1970. godine savladana je tehnologija njihovog vještačkog dobijanja. Od 1779. godine, zahvaljujući radu Karla Scheelea, proučavaju se hemijska svojstva ugljika. To je bio početak niza važnih otkrića na polju ovog elementa i postalo je osnova za razjašnjavanje svih njegovih najjedinstvenijih karakteristika.

Izotopi ugljika i distribucija u prirodi

Uprkos činjenici da je element koji se razmatra jedan od najvažnijih biogenih, njegov ukupan sadržaj u masi zemljine kore iznosi 0,15%. To je zbog činjenice da je podvrgnut stalnoj cirkulaciji, prirodnom ciklusu u prirodi.

Općenito, postoji nekoliko mineralnih spojeva koji sadrže ugljik. To su takve prirodne pasmine kao što su:

• dolomiti i krečnjaci;
• antracit;
• uljni škriljac;
• prirodni gas;
• ugalj;
• ulje;
• mrki ugalj;
• treset;
• bitumen.

Osim toga, ne treba zaboraviti na živa bića, koja su samo skladište ugljikovih spojeva. Na kraju krajeva, formirali su proteine, masti, ugljikohidrate, nukleinske kiseline, što znači najvitalnije strukturne molekule. Općenito, u konverziji suhe tjelesne težine od 70 kg, 15 otpada na čisti element. I tako je sa svakom osobom, a da ne spominjemo životinje, biljke i druga stvorenja.

Ako uzmemo u obzir i vodu, odnosno hidrosferu u cjelini i atmosferu, onda postoji mješavina ugljika i kisika izražena formulom CO 2 . Dioksid ili ugljični dioksid jedan je od glavnih plinova koji čine zrak. Upravo u ovom obliku maseni udio ugljika iznosi 0,046%. Još više ugljičnog dioksida je otopljeno u vodama okeana.

Atomska masa ugljenika kao elementa je 12,011. Poznato je da se ova vrijednost izračunava kao aritmetička sredina između atomskih težina svih izotopskih vrsta koje postoje u prirodi, uzimajući u obzir njihovu zastupljenost (u procentima). To važi i za predmetnu supstancu. Postoje tri glavna izotopa u kojima se nalazi ugljik. To:

• 12 C - njegov maseni udio u velikoj većini je 98,93%;
• 13 C - 1,07%;
• 14 C - radioaktivan, poluživot 5700 godina, stabilan beta emiter.

U praksi određivanja geohronološke starosti uzoraka široko se koristi radioaktivni izotop 14 C, što je pokazatelj zbog dugog perioda raspadanja.

Alotropske modifikacije elementa

Ugljik je element koji postoji kao jednostavna tvar u nekoliko oblika. To jest, sposoban je da formira najveći broj alotropskih modifikacija poznatih danas.

1. Kristalne varijacije - postoje u obliku jakih struktura sa pravilnim rešetkama atomskog tipa. Ova grupa uključuje sorte kao što su:

• dijamanti;
• fulereni;
• grafiti;
• karabini;
• lonsdaleites;
• i cijevi.

Svi se razlikuju po rešetkama, u čijim se čvorovima nalazi atom ugljika. Otuda potpuno jedinstvena, ne slična svojstva, kako fizička tako i hemijska.

2. Amorfni oblici - formirani su od atoma ugljika, koji je dio nekih prirodnih spojeva. Odnosno, to nisu čiste sorte, već sa nečistoćama drugih elemenata u malim količinama. AT ovu grupu uključuje:

• Aktivni ugljen;
• kamen i drvo;
• čađ;
• ugljična nanopjena;
• antracit;
• stakleni ugljik;
• tehnička vrsta supstance.

Objedinjuju ih i strukturne karakteristike kristalne rešetke koje objašnjavaju i manifestuju svojstva.

3. Jedinjenja ugljika u obliku klastera. Takva struktura, u kojoj su atomi zatvoreni u posebnu konformacijsku šupljinu iznutra, ispunjenu vodom ili jezgrima drugih elemenata. primjeri:

• ugljični nanokonusi;
• astralenes;
• dikarbon.

Fizička svojstva amorfnog ugljika

Zbog širokog spektra alotropskih modifikacija, istaknite neke uobičajene fizička svojstva teško za ugljenik. Lakše je govoriti o određenom obliku. Na primjer, amorfni ugljik ima sljedeće karakteristike.

1. U srcu svih oblika su sitnozrnate vrste grafita.
2. Visok toplotni kapacitet.
3. Dobra provodljiva svojstva.
4. Gustina ugljenika je oko 2 g/cm 3 .
5. Pri zagrijavanju iznad 1600 0 C dolazi do prijelaza u grafitne oblike.

Sorte čađi i kamena se široko koriste tehničke svrhe. Oni nisu manifestacija modifikacije ugljika u svom čistom obliku, već ga sadrže u vrlo velikim količinama.

Kristalni ugljik

Postoji nekoliko opcija u kojima je ugljik tvar koja formira pravilne kristale različitih vrsta, gdje su atomi povezani u seriju. Kao rezultat, formiraju se sljedeće modifikacije.

1. - kubna, u kojoj su spojena četiri tetraedra. Kao rezultat, sve kovalentne hemijske veze svakog atoma su maksimalno zasićene i jake. Ovo objašnjava fizička svojstva: gustina ugljenika je 3300 kg/m 3 . Visoka tvrdoća, nizak toplinski kapacitet, nedostatak električne provodljivosti - sve je to rezultat strukture kristalne rešetke. Postoje tehnički dobijeni dijamanti. Nastaju prilikom prelaska grafita u sledeću modifikaciju pod uticajem visoke temperature i određenog pritiska. Općenito, visoka je kao i snaga - oko 3500 0 S.
2. Grafit. Atomi su raspoređeni slično strukturi prethodne supstance, međutim, samo tri veze su zasićene, a četvrta postaje duža i manje jaka, povezuje "slojeve" heksagonalnih prstenova rešetke. Kao rezultat toga, ispada da je grafit mekana, masna crna tvar na dodir. Ima dobru električnu provodljivost i visoku tačku topljenja - 3525 0 C. Sposoban je za sublimaciju - sublimaciju iz čvrstog u gasovito stanje, zaobilazeći tečno stanje (na temperaturi od 3700 0 C). Gustina ugljika je 2,26 g/cm3, što je mnogo manje od dijamanta. Ovo objašnjava njihova različita svojstva. Zbog slojevite strukture kristalne rešetke moguće je koristiti grafit za izradu elektroda jednostavne olovke. Prilikom prenošenja preko papira, ljuskice se ljušte i ostavljaju crni trag na papiru.
3. Fullereni. Otvoreni su tek 80-ih godina prošlog veka. To su modifikacije u kojima su ugljici međusobno povezani u posebnu konveksnu zatvorenu strukturu s prazninom u sredini. I oblik kristala - poliedar, ispravna organizacija. Broj atoma je paran. Najpoznatiji oblik fulerena C 60. Tokom istraživanja pronađeni su uzorci slične supstance:

• meteoriti;
• donji sedimenti;
• folguriti;
• šungiti;
• svemira, gdje su bili sadržani u obliku plinova.

Sve vrste kristalnog ugljika su od velike praktične važnosti, jer imaju niz tehnički korisnih svojstava.

Hemijska aktivnost

Molekularni ugljik pokazuje nisku reaktivnost zbog svoje stabilne konfiguracije. Može se natjerati da uđe u reakcije samo dodavanjem dodatne energije atomu i prisiljavanjem elektrona vanjskog nivoa da ispare. U ovom trenutku, valencija postaje 4. Prema tome, u jedinjenjima ima oksidaciono stanje od + 2, + 4, - 4.

Gotovo sve reakcije s jednostavnim tvarima, i metalima i nemetalima, odvijaju se pod utjecajem visokih temperatura. Dotični element može biti i oksidacijski i redukcijski agens. Međutim, ova potonja svojstva su kod njega posebno izražena i na tome se zasniva njegova upotreba u metalurškoj i drugim industrijama.

Općenito, sposobnost ulaska u hemijsku interakciju zavisi od tri faktora:

• disperzija ugljika;
• alotropska modifikacija;
• temperaturu reakcije.

Dakle, u nekim slučajevima dolazi do interakcije sa sljedećim supstancama:

• nemetali (vodik, kiseonik);
• metali (aluminij, željezo, kalcijum i drugi);
• metalni oksidi i njihove soli.

Ne reaguje sa kiselinama i alkalijama, veoma retko sa halogenima. Najvažnije od svojstava ugljika je sposobnost međusobnog formiranja dugih lanaca. Mogu se zatvoriti u ciklus, formirati grane. Tako se formiraju organska jedinjenja, kojih se danas broji u milionima. Osnova ovih spojeva su dva elementa - ugljik, vodonik. U sastav mogu biti uključeni i drugi atomi: kiseonik, azot, sumpor, halogeni, fosfor, metali i drugi.

Osnovni spojevi i njihove karakteristike

Postoji mnogo različitih spojeva koji sadrže ugljik. Formula najpoznatijeg od njih je CO 2 - ugljični dioksid. Međutim, osim ovog oksida, postoji i CO - monoksid ili ugljični monoksid, kao i suboksid C 3 O 2.

Među solima koje sadrže ovaj element, najčešći su kalcijum i magnezijum karbonati. Dakle, kalcijev karbonat ima nekoliko sinonima u nazivu, jer se u prirodi javlja u obliku:

• kreda;
• mramor;
• krečnjak;
• dolomit.

Značaj karbonata zemnoalkalnih metala očituje se u tome što su aktivni učesnici u procesima stvaranja stalaktita i stalagmita, kao i podzemnih voda.

Ugljena kiselina je još jedan spoj koji formira ugljik. Njegova formula je H 2 CO 3. Međutim, u svom uobičajenom obliku, izuzetno je nestabilan i odmah se raspada na ugljični dioksid i vodu u otopini. Stoga su poznate samo njegove soli, a ne ona sama, kao rastvor.

Ugljični halogenidi - dobivaju se uglavnom indirektno, budući da se direktna sinteza događa samo pri vrlo visoke temperature i nizak prinos proizvoda. Jedan od najčešćih - CCL 4 - ugljični tetraklorid. Toksičan spoj koji može izazvati trovanje ako se udiše. Dobija se radikalnim fotohemijskim supstitucijskim reakcijama u metanu.

Metalni karbidi su jedinjenja ugljenika u kojima pokazuje oksidaciono stanje 4. Moguća su i povezanost sa borom i silicijumom. Glavno svojstvo karbida nekih metala (aluminij, volfram, titan, niobij, tantal, hafnij) je visoka čvrstoća i odlična električna provodljivost. Bor karbid B 4 C je jedna od najtvrđih supstanci nakon dijamanta (9,5 prema Mohsu). Ova jedinjenja se koriste u mašinstvu, kao i u hemijskoj industriji, kao izvori za proizvodnju ugljovodonika (kalcijum karbid sa vodom dovodi do stvaranja acetilena i kalcijum hidroksida).

Mnoge metalne legure izrađuju se korištenjem ugljika, čime se značajno povećava njihov kvalitet i specifikacije(čelik je legura gvožđa i ugljenika).

Posebnu pažnju zaslužuju brojni organski spojevi ugljika, u kojima je ugljik temeljni element sposoban da se kombinira s istim atomima u duge lance različitih struktura. To uključuje:

• alkani;
• alkeni;
• arene;
• proteini;
• ugljikohidrati;
• nukleinske kiseline;
• alkoholi;
• karboksilne kiseline i mnoge druge klase supstanci.

Primjena ugljika

Važnost jedinjenja ugljenika i njegovih alotropnih modifikacija u ljudskom životu je veoma velika. Možete navesti neke od najglobalnijih industrija kako biste jasno pokazali da je to istina.

1. Ovaj element formira sve vrste organskog goriva iz kojeg osoba prima energiju.
2. Metalurška industrija koristi ugljenik kao najjače redukciono sredstvo za dobijanje metala iz njihovih jedinjenja. Karbonati se također široko koriste ovdje.
3. Građevinarstvo i hemijska industrija troše ogromnu količinu ugljičnih spojeva za sintezu novih tvari i dobivanje potrebnih proizvoda.

Takođe možete navesti takve sektore privrede kao:

• nuklearna industrija;
• posao nakita;
• tehnička oprema (maziva, lonci otporni na toplotu, olovke, itd.);
• određivanje geološke starosti stijena - radioaktivni tragač 14 C;
• ugljik je izvrstan adsorbens, što ga čini mogućim za proizvodnju filtera.

Ciklus u prirodi

Masa ugljika koja se nalazi u prirodi uključena je u konstantan ciklus koji svake sekunde kruži oko svijeta. Dakle, atmosferski izvor ugljika - CO 2 - apsorbiraju biljke i oslobađaju ga sva živa bića u procesu disanja. Kada uđe u atmosferu, ponovo se apsorbuje, tako da se ciklus ne zaustavlja. U isto vrijeme, odumiranje organskih ostataka dovodi do oslobađanja ugljika i njegovog nakupljanja u zemlji, odakle ga ponovo apsorbiraju živi organizmi i ispuštaju u atmosferu u obliku plina.

C (karboneum), nemetalni hemijski element grupe IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) Periodnog sistema elemenata. U prirodi se javlja u obliku kristala dijamanata (Sl. 1), grafita ili fulerena i drugih oblika i dio je organskih (ugalj, nafta, životinjski i biljni organizmi itd.) i neorganskih tvari (vapnenac, soda bikarbona i sl.). Ugljik je široko rasprostranjen, ali njegov sadržaj u zemljinoj kori iznosi samo 0,19% ( vidi takođe DIJAMANT; FULLERENES).

Ugljik se široko koristi u obliku jednostavnih supstanci. Pored dragocjenih dijamanata, koji su predmet nakita, veliki značaj imaju industrijske dijamante za proizvodnju alata za brušenje i rezanje. Drveni ugalj i drugi amorfni oblici ugljenika koriste se za dekolorizaciju, prečišćavanje, adsorpciju gasova, u oblastima tehnike gde su potrebni adsorbenti sa razvijenom površinom. Karbidi, spojevi ugljika sa metalima, kao i sa borom i silicijumom (na primjer, Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) odlikuju se velikom tvrdoćom i koriste se za izradu abrazivnih i reznih alata. Ugljik je prisutan u čelicima i legurama u elementarnom stanju iu obliku karbida. Zasićenje površine čeličnih odlivaka ugljenikom pri visokoj temperaturi (cementiranje) značajno povećava površinsku tvrdoću i otpornost na habanje. vidi takođe LEGURE.

U prirodi postoji mnogo različitih oblika grafita; neke su dobijene umjetno; dostupni su amorfni oblici (npr. koks i drveni ugalj). Čađ, koštani ugljen, crna lampa, acetilenska crna nastaju kada se ugljovodonici sagorevaju u nedostatku kiseonika. Takozvani bijeli ugljik dobijeni sublimacijom pirolitičkog grafita pod sniženim pritiskom, to su najmanji prozirni kristali listova grafita sa šiljastim rubovima.

Sunyaev Z.I. Naftni ugljenik. M., 1980
Hemija hiperkoordiniranog ugljika. M., 1990

Pronađite "CARBON" na

MOU "Nikiforovskaya srednja škola br. 1"

Ugljik i njegova glavna anorganska jedinjenja

apstraktno

Izvršio: učenik 9B odeljenja

Sidorov Alexander

Učitelj: Saharova L.N.

Dmitrievka 2009

Uvod

Poglavlje I. Sve o ugljiku

1.1. ugljenik u prirodi

1.2. Alotropske modifikacije ugljika

1.3. Hemijska svojstva ugljika

1.4. Primjena ugljika

Poglavlje II. Neorganska jedinjenja ugljenika

Zaključak

Književnost

Uvod

Ugljenik (lat. Carboneum) C je hemijski element IV grupe periodnog sistema Mendeljejeva: atomski broj 6, atomska masa 12.011(1). Razmotrite strukturu atoma ugljika. Na vanjskom energetskom nivou atoma ugljika nalaze se četiri elektrona. Hajde da ga nacrtamo grafikonom:

Ugljik je poznat od davnina, a ime otkrića ovog elementa nije poznato.

AT krajem XVII in. Firentinski naučnici Averani i Targioni pokušali su da spoje nekoliko malih dijamanata u jedan veliki i zagrijali ih uz pomoć gorućeg stakla sunčevim zracima. Dijamanti su nestali nakon što su izgorjeli u zraku. Francuski hemičar A. Lavoisier je 1772. godine pokazao da CO 2 nastaje tokom sagorevanja dijamanta. Tek 1797. godine engleski naučnik S. Tennant dokazao je identitet prirode grafita i uglja. Nakon sagorevanja jednakih količina uglja i dijamanta, ispostavilo se da su zapremine ugljen monoksida (IV) iste.

Raznolikost ugljikovih spojeva, koja se objašnjava sposobnošću njegovih atoma da se međusobno kombinuju i sa atomima drugih elemenata na različite načine, određuje poseban položaj ugljika među ostalim elementima.

PoglavljeI. Sve o ugljiku

1.1. ugljenik u prirodi

Ugljik se u prirodi nalazi iu slobodnom stanju i u obliku spojeva.

Slobodni ugljik se javlja u obliku dijamanta, grafita i karabina.

Dijamanti su veoma rijetki. Najveći poznati dijamant - "Cullinan" pronađen je 1905. godine u Južnoj Africi, težio je 621,2 g i imao je dimenzije 10 × 6,5 × 5 cm. Dijamantski fond u Moskvi sadrži jedan od najvećih i najljepših dijamanata na svijetu - "Orlov" (37,92). g).

Dijamant je dobio ime po grčkom. "adamas" - nepobjediv, neuništiv. Najznačajnija nalazišta dijamanata nalaze se u Južnoj Africi, Brazilu i Jakutiji.

Velika nalazišta grafita nalaze se u Njemačkoj, na Šri Lanki, u Sibiru, na Altaju.

Glavni minerali koji sadrže ugljenik su: magnezit MgCO 3, kalcit (krečnjak, krečnjak, mermer, kreda) CaCO 3, dolomit CaMg (CO 3) 2 itd.

Sva fosilna goriva - nafta, gas, treset, kameni i mrki ugalj, škriljac - izgrađena su na bazi ugljenika. Po sastavu bliski ugljeniku su neki fosilni ugljevi koji sadrže do 99% C.

Ugljenik čini 0,1% zemljine kore.

U obliku ugljičnog monoksida (IV) CO 2 ugljik je dio atmosfere. Rastvoren u hidrosferi veliki broj CO2.

1.2. Alotropske modifikacije ugljika

Elementarni ugljik formira tri alotropske modifikacije: dijamant, grafit, karabin.

1. Dijamant je bezbojna, prozirna kristalna supstanca koja izuzetno snažno lomi svjetlosne zrake. Atomi ugljika u dijamantu su u stanju sp 3 hibridizacije. U pobuđenom stanju, valentni elektroni u atomima ugljika su upareni i formiraju se četiri nesparena elektrona. Kada se formiraju hemijske veze, elektronski oblaci dobijaju isti izduženi oblik i raspoređuju se u prostoru tako da su njihove ose usmerene ka vrhovima tetraedra. Kada se vrhovi ovih oblaka preklapaju s oblacima drugih atoma ugljika, pojavljuju se kovalentne veze pod uglom od 109°28", i formira se atomska kristalna rešetka, karakteristična za dijamant.

Svaki atom ugljika u dijamantu okružen je sa četiri druga koja se nalaze od njega u smjerovima od centra tetraedra do vrhova. Udaljenost između atoma u tetraedrima je 0,154 nm. Jačina svih veza je ista. Dakle, atomi u dijamantu su "upakovani" vrlo čvrsto. Na 20°C, gustina dijamanta je 3,515 g/cm 3 . To objašnjava njegovu izuzetnu tvrdoću. Dijamant je loš provodnik struje.

Sovjetski Savez je počeo 1961 industrijska proizvodnja sintetički dijamanti od grafita.

U industrijskoj sintezi dijamanata koriste se pritisci od hiljada MPa i temperature od 1500 do 3000°C. Proces se izvodi u prisustvu katalizatora, koji mogu biti neki metali, kao što je Ni. Najveći dio formiranih dijamanata su mali kristali i dijamantska prašina.

Dijamant, kada se zagrije bez pristupa zraku iznad 1000 ° C, pretvara se u grafit. Na 1750°C transformacija dijamanta u grafit se odvija brzo.

Struktura dijamanta

2. Grafit je sivo-crna kristalna supstanca metalnog sjaja, masna na dodir, lošija tvrdoće čak i od papira.

Atomi ugljika u kristalima grafita su u stanju sp 2 hibridizacije: svaki od njih formira tri kovalentne σ veze sa susjednim atomima. Uglovi između pravaca veza su 120°. Rezultat je mreža sastavljena od pravilnih šesterokuta. Udaljenost između susjednih jezgara ugljikovih atoma unutar sloja je 0,142 nm. Četvrti elektron vanjskog sloja svakog atoma ugljika u grafitu zauzima p-orbitalu, koja nije uključena u hibridizaciju.

Nehibridni elektronski oblaci atoma ugljenika orijentisani su okomito na ravan sloja i preklapajući se jedan sa drugim, formiraju delokalizovane σ-veze. Susedni slojevi u kristalu grafita nalaze se na udaljenosti od 0,335 nm jedan od drugog i slabo su međusobno povezani, uglavnom van der Waalsovim silama. Zbog toga grafit ima nisku mehaničku čvrstoću i lako se cijepa u ljuspice, koje su same po sebi vrlo jake. Veza između slojeva atoma ugljika u grafitu je djelomično metalna. Ovo objašnjava činjenicu da grafit dobro provodi električnu energiju, ali ipak ne tako dobro kao metali.

grafitna struktura

Fizička svojstva grafita se uvelike razlikuju u smjerovima - okomito i paralelno na slojeve atoma ugljika.

Kada se zagreva bez pristupa vazduhu, grafit se ne menja do 3700°C. Na ovoj temperaturi sublimira bez topljenja.

Umjetni grafit se dobiva iz najboljih vrsta kamenog uglja na 3000°C u električnim pećima bez pristupa zraka.

Grafit je termodinamički stabilan u širokom rasponu temperatura i pritisaka, pa je prihvaćen kao standardno stanje ugljika. Gustina grafita je 2,265 g/cm 3 .

3. Karbin - sitnozrnati crni prah. U svojoj kristalnoj strukturi, atomi ugljika su povezani naizmjeničnim jednostrukim i trostrukim vezama u linearne lance:

−S≡S−S≡S−S≡S−

Ovu supstancu prvi je dobio V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatočkin, Yu.P. Kudryavtsev ranih 1960-ih.

Kasnije se pokazalo da karabin može postojati u različitim oblicima i da sadrži i poliacetilenske i polikumulenske lance u kojima su atomi ugljika povezani dvostrukim vezama:

C=C=C=C=C=C=

Kasnije je karabin pronađen u prirodi - u meteoritskoj materiji.

Carbyne ima poluvodička svojstva; pod djelovanjem svjetlosti njegova provodljivost se značajno povećava. Zbog postojanja različite vrste komunikacije i Različiti putevi slaganjem lanaca atoma ugljika u kristalnoj rešetki, fizička svojstva karabina mogu varirati u širokom rasponu. Kada se zagrije bez pristupa zraku iznad 2000°C, karabin je stabilan; na temperaturama od oko 2300°C uočava se njegov prijelaz u grafit.

Prirodni ugljenik se sastoji od dva izotopa

(98,892%) i (1,108%). Osim toga, u atmosferi su pronađene manje nečistoće radioaktivnog izotopa, koje se dobivaju umjetnim putem.

Ranije se vjerovalo da su drveni ugljen, čađ i koks po sastavu slični čistom ugljiku i da se razlikuju po svojstvima od dijamanta i grafita, da predstavljaju nezavisnu alotropsku modifikaciju ugljika („amorfni ugljik“). Međutim, otkriveno je da se te tvari sastoje od najmanjih kristalnih čestica u kojima su atomi ugljika povezani na isti način kao u grafitu.

4. Ugalj - fino usitnjeni grafit. Nastaje tokom termičke razgradnje spojeva koji sadrže ugljik bez pristupa zraka. Ugljevi se značajno razlikuju po svojstvima ovisno o tvari od koje se dobiva i načinu proizvodnje. Uvek sadrže nečistoće koje utiču na njihova svojstva. Najvažnije vrste uglja su koks, drveni ugalj i čađ.

Koks se dobija zagrevanjem uglja u nedostatku vazduha.

Drveni ugalj nastaje kada se drvo zagreva u nedostatku vazduha.

Čađ je vrlo fini grafitni kristalni prah. Nastaje pri sagorevanju ugljovodonika (prirodni gas, acetilen, terpentin, itd.) sa ograničenim pristupom vazduhu.

Aktivni uglji su porozni industrijski adsorbenti koji se uglavnom sastoje od ugljika. Adsorpcija je apsorpcija s površine čvrstih tijela plinova i otopljenih tvari. Aktivni uglji se dobijaju iz čvrstih goriva (treset, mrki i kameni ugalj, antracit), drveta i njegovih proizvoda (drveni ugalj, piljevina, otpad od proizvodnje papira), otpada iz kožne industrije, životinjskih materijala, kao što su kosti. Ugljevi, koji se odlikuju visokom mehaničkom čvrstoćom, proizvode se od ljuske kokosa i drugih orašastih plodova, od sjemenki voća. Strukturu uglja predstavljaju pore svih veličina, međutim, adsorpcioni kapacitet i brzina adsorpcije određuju se sadržajem mikropora po jedinici mase ili zapremine granula. U proizvodnji aktivnog ugljena, sirovina se prvo podvrgava termičku obradu bez pristupa zraka, zbog čega se iz njega uklanja vlaga i djelomično smole. U tom slučaju nastaje struktura uglja s velikim porama. Da bi se dobila mikroporozna struktura, aktivacija se provodi ili oksidacijom plinom ili parom, ili obradom kemijskim reagensima.

Karbon(lat. Carboneum), C, hemijski element IV grupe Mendeljejevskog periodnog sistema, atomski broj 6, atomska masa 12.011. Poznata su dva stabilna izotopa: 12 C (98,892%) i 13 C (1,108%). Od radioaktivnih izotopa najvažniji je 14 C s vremenom poluraspada (T ½ \u003d 5,6 10 3 godine). Male količine 14 C (oko 2 10 -10% po masi) konstantno nastaju u gornjoj atmosferi pod dejstvom neutrona kosmičkog zračenja na izotop azota 14 N. Njihova starost je određena specifičnom aktivnošću izotopa 14 C u ostaci biogenog porekla. 14 C se široko koristi kao tragač izotopa.

Istorijat. Ugljik je poznat od davnina. Drveni ugalj je služio za dobijanje metala iz ruda, dijamant - kao dragulj. Mnogo kasnije, grafit je korišten za izradu lonaca i olovaka.

Godine 1778. K. Scheele je, zagrijavajući grafit salitrom, otkrio da se u ovom slučaju, kao i pri zagrijavanju uglja salitrom, oslobađa ugljični dioksid. Hemijski sastav dijamanta ustanovljen je kao rezultat eksperimenata A. Lavoisier-a (1772) o sagorevanju dijamanta u vazduhu i studija S. Tennanta (1797), koji je dokazao da iste količine dijamanta i uglja daju jednake količine ugljičnog dioksida tokom oksidacije. Lavoisier je 1789. godine priznao ugljenik kao hemijski element. Latinski naziv carboneum carbon dobio je od carbo - uglja.

Rasprostranjenost ugljika u prirodi. Prosečan sadržaj ugljenika u zemljinoj kori je 2,3 10 -2% mase (1 10 -2 u ultrabazičnim, 1 10 -2 - u bazičnim, 2 10 -2 - u srednjim, 3 10 -2 - u kiselim stenama) . Ugljik se akumulira u gornjem dijelu zemljine kore (biosfera): u živoj tvari 18% ugljika, drvu 50%, uglju 80%, nafti 85%, antracitu 96%. Značajan dio ugljika u litosferi koncentrisan je u krečnjacima i dolomitima.

Broj vlastitih minerala Ugljik - 112; izuzetno veliki broj organskih spojeva ugljika - ugljovodonika i njihovih derivata.

Sa akumulacijom ugljika u zemljinoj kori povezano je nakupljanje mnogih drugih elemenata sorbiranih organskom tvari i taloženih u obliku nerastvorljivih karbonata itd. CO 2 i ugljična kiselina igraju važnu geohemijsku ulogu u zemljinoj kori. Ogromna količina CO 2 se oslobađa tokom vulkanizma - u istoriji Zemlje bio je glavni izvor ugljika za biosferu.

U poređenju sa prosječnim sadržajem u zemljinoj kori, čovječanstvo vadi ugljik iz dubina (ugalj, nafta, prirodni plin) u izuzetno velikim količinama, budući da su ovi fosili glavni izvor energije.

Ciklus ugljenika je od velike geohemijske važnosti.

Ugljik je također široko rasprostranjen u svemiru; na Suncu zauzima 4. mesto posle vodonika, helijuma i kiseonika.

Fizička svojstva ugljika. Poznato je nekoliko kristalnih modifikacija ugljika: grafit, dijamant, karabin, lonsdaleit i druge. Grafit - sivo-crna, neprozirna, masna na dodir, ljuskava, vrlo mekana masa metalnog sjaja. Izgrađen od kristala heksagonalne strukture: a = 2,462Å, c = 6,701Å. Na sobnoj temperaturi i normalnom pritisku (0,1 MN/m2, ili 1 kgf/cm2), grafit je termodinamički stabilan. Dijamant je vrlo tvrda, kristalna supstanca. Kristali imaju kubičnu rešetku usmjerenu na lice: a = 3.560Å. Na sobnoj temperaturi i normalnom pritisku, dijamant je metastabilan. Primetna transformacija dijamanta u grafit se primećuje na temperaturama iznad 1400 °C u vakuumu ili u inertnoj atmosferi. Pri atmosferskom pritisku i temperaturi od oko 3700°C grafit sublimira. Tečni ugljik se može dobiti pri pritiscima iznad 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) i temperaturama iznad 3700°C. Čvrsti ugljik (koks, čađ, drveni ugljen) također karakterizira stanje s neuređenom strukturom - takozvani "amorfni" ugljik, koji nije nezavisna modifikacija; njegova struktura je zasnovana na strukturi sitnozrnog grafita. Zagrijavanje nekih vrsta "amorfnog" ugljika iznad 1500-1600°C bez pristupa zraka uzrokuje njihovu transformaciju u grafit. Fizička svojstva "amorfnog" ugljika jako zavise od finoće čestica i prisutnosti nečistoća. Gustina, toplinski kapacitet, toplinska provodljivost i električna provodljivost "amorfnog" ugljika uvijek su veći od onih kod grafita. Karbin dobijen umjetno. To je fino kristalni crni prah (gustine 1,9-2 g/cm3). Sastoji se od dugih lanaca atoma C koji su naslagani paralelno jedan s drugim. Lonsdaleit se nalazi u meteoritima i dobiva se umjetno.

Hemijska svojstva ugljika. Eksterna konfiguracija elektronska školjka atom ugljika 2s 2 2p 2 . Ugljenik je karakteriziran formiranjem četiri kovalentne veze uslijed pobuđivanja vanjske elektronske ljuske u 2sp 3 stanje. Stoga je ugljik podjednako sposoban i za privlačenje i za doniranje elektrona. Hemijska veza se može izvesti zahvaljujući sp 3 -, sp 2 - i sp-hibridnim orbitalama, koje odgovaraju koordinacijskim brojevima 4, 3 i 2. Broj valentnih elektrona Ugljika i broj valentnih orbitala su isti ; ovo je jedan od razloga stabilnosti veze između atoma ugljika.

Jedinstvena sposobnost atoma ugljika da se međusobno kombinuju kako bi formirali jake i dugačke lance i cikluse dovela je do pojave ogromnog broja različitih jedinjenja ugljenika koje proučava organska hemija.

U jedinjenjima, ugljenik pokazuje oksidaciona stanja -4; +2; +4. Atomski radijus 0,77Å, kovalentni radijusi 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å u jednostrukim, dvostrukim i trostrukim vezama; jonski radijus C 4- 2.60Å, C 4+ 0.20Å. U normalnim uslovima, ugljenik je hemijski inertan; na visokim temperaturama se kombinuje sa mnogim elementima, pokazujući snažna redukciona svojstva. Hemijska aktivnost opada u nizu: "amorfni" ugljenik, grafit, dijamant; interakcija sa atmosferskim kiseonikom (sagorevanje) se javlja na temperaturama iznad 300-500°C, 600-700°C i 850-1000°C sa stvaranjem ugljen monoksida (IV) CO 2 i ugljen monoksida (II) CO.

CO2 se otapa u vodi i formira ugljičnu kiselinu. 1906. O. Diels je dobio ugljični suboksid C 3 O 2 . Svi oblici ugljika su otporni na alkalije i kiseline i polako se oksidiraju samo vrlo jakim oksidantima (smjesa hroma, smjesa koncentriranog HNO 3 i KClO 3 i dr.). "Amorfni" ugljenik reaguje sa fluorom na sobnoj temperaturi, grafitom i dijamantom - kada se zagreje. Direktna veza ugljika sa hlorom javlja se u električnom luku; sa bromom i jodom Ugljik ne reaguje, pa se indirektno sintetiziraju brojni halogenidi ugljika. Od oksihalida opće formule COX 2 (gdje je X halogen), najpoznatiji je COCl hlorid (fozgen). Vodik ne stupa u interakciju sa dijamantom; reaguje sa grafitom i "amorfnim" ugljenikom na visokim temperaturama u prisustvu katalizatora (Ni, Pt): na 600-1000 °C nastaje uglavnom metan CH 4, na 1500-2000 °C - acetilen C 2 H 2 ; drugi ugljovodonici mogu takođe biti prisutni u proizvodima, na primer C 2 H 6 etan, C 6 H 6 benzen. Interakcija sumpora sa "amorfnim" ugljenikom i grafitom počinje na 700-800°C, sa dijamantom na 900-1000°C; u svim slučajevima nastaje ugljen-disulfid CS 2. Ostala jedinjenja ugljenika koja sadrže sumpor (CS tioksid, C 3 S 2 tion oksid, COS sulfid i CSCl 2 tiofosgen) dobijaju se indirektno. Kada CS 2 stupi u interakciju sa metalnim sulfidima, nastaju tiokarbonati - soli slabe tiokarbonske kiseline. Interakcija ugljika s dušikom za proizvodnju cijanogena (CN) 2 događa se kada se električno pražnjenje prođe između ugljičnih elektroda u atmosferi dušika. Među spojevima ugljika koji sadrže dušik, od velike su praktične važnosti cijanovodonik HCN (pruska kiselina) i njeni brojni derivati: cijanidi, halocijanidi, nitrili i dr. Na temperaturama iznad 1000°C ugljik stupa u interakciju sa mnogim metalima, dajući karbide . Svi oblici ugljika, kada se zagrijavaju, reduciraju okside metala sa stvaranjem slobodnih metala (Zn, Cd, Cu, Pb i drugi) ili karbida (CaC 2 , Mo 2 C, WC, TaC i drugi). Ugljik reagira na temperaturama iznad 600-800 °C sa vodenom parom i ugljičnim dioksidom (Gasifikacija goriva). Prepoznatljiva karakteristika grafit je sposobnost interakcije s alkalnim metalima i halogenidima uz umjereno zagrijavanje do 300-400 °C za stvaranje inkluzijskih spojeva tipa C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (gdje je X halogen, Me je metal) . Poznata su jedinjenja za inkluziju grafita sa HNO 3 , H 2 SO 4 , FeCl 3 i drugim (na primjer, grafit bisulfat C 24 SO 4 H 2 ). Svi oblici ugljika su nerastvorljivi u uobičajenim neorganskim i organskim rastvaračima, ali su rastvorljivi u nekim rastopljenim metalima (npr. Fe, Ni, Co).

Ekonomski značaj ugljika određen je činjenicom da preko 90% svih primarnih izvora energije koji se troše u svijetu su fosilna goriva, čija će dominantna uloga ostati i narednih decenija, uprkos intenzivnom razvoju nuklearne energije. Samo oko 10% ekstrahovanog goriva koristi se kao sirovina za osnovnu organsku sintezu i petrohemijsku sintezu, za proizvodnju plastike i dr.

ugljenik u telu. Ugljik je najvažniji biogeni element koji čini osnovu života na Zemlji, strukturna jedinica ogromnog broja organskih spojeva uključenih u izgradnju organizama i osiguravanje njihove vitalne aktivnosti (biopolimeri, kao i brojni niskomolekularni biološki aktivne supstance- vitamini, hormoni, medijatori, itd.). Značajan dio energije potrebne organizmima nastaje u stanicama zbog oksidacije ugljika. Pojava života na Zemlji se u modernoj nauci smatra složenim procesom evolucije jedinjenja ugljenika.

Jedinstvena uloga ugljika u živoj prirodi je zbog njegovih svojstava, koja u zbiru ne posjeduje nijedan drugi element periodnog sistema. Između atoma ugljika, kao i između ugljika i drugih elemenata, nastaju jake kemijske veze, koje se, međutim, mogu prekinuti u relativno blagim fiziološkim uvjetima (ove veze mogu biti jednostruke, dvostruke i trostruke). Sposobnost ugljika da formira 4 ekvivalentne valentne veze s drugim atomima ugljika omogućava izgradnju ugljičnih skeleta različitih tipova - linearnih, razgranatih, cikličkih. Značajno je da samo tri elementa - C, O i H - čine 98% ukupne mase živih organizama. Time se postiže određena ekonomičnost u živoj prirodi: uz gotovo neograničenu strukturnu raznolikost ugljikovih spojeva, mali broj vrsta kemijskih veza omogućava značajno smanjenje broja enzima potrebnih za razgradnju i sintezu organskih tvari. U osnovi su strukturne karakteristike atoma ugljika razne vrste izomerizam organskih spojeva (ispostavilo se da je sposobnost optičkog izomerizma presudna u biohemijskoj evoluciji aminokiselina, ugljikohidrata i nekih alkaloida).

Prema općeprihvaćenoj hipotezi AI Oparina, prva organska jedinjenja na Zemlji bila su abiogenog porijekla. Metan (CH 4 ) i vodonik cijanid (HCN) sadržani u zemljinoj primarnoj atmosferi služili su kao izvori ugljika. Pojavom života, jedini izvor anorganskog ugljika, zbog kojeg nastaje sva organska materija biosfere, je ugljen monoksid (IV) (CO 2), koji se nalazi u atmosferi, a takođe je rastvoren u prirodnim vodama u u obliku HCO 3 . Najmoćniji mehanizam asimilacije (asimilacije) ugljika (u obliku CO 2 ) - fotosintezu - svuda provode zelene biljke (godišnje se asimiluje oko 100 milijardi tona CO 2 ). Na Zemlji postoji i evolucijski stariji način asimilacije CO 2 kemosintezom; u ovom slučaju kemosintetski mikroorganizmi ne koriste energiju zračenja sunca, već energiju oksidacije neorganskih spojeva. Većina životinja konzumira ugljik hranom u obliku gotovih organskih spojeva. Ovisno o načinu asimilacije organskih spojeva, uobičajeno je razlikovati autotrofne organizme i heterotrofne organizme. Upotreba mikroorganizama za biosintezu proteina i drugih nutrijenata, koristeći ugljovodonike nafte kao jedini izvor ugljika, jedan je od važnih savremenih naučnih i tehničkih problema.

Sadržaj ugljika u živim organizmima na bazi suhe tvari iznosi: 34,5-40% za vodene biljke i životinje, 45,4-46,5% za kopnene biljke i životinje i 54% za bakterije. U procesu vitalne aktivnosti organizama, uglavnom zahvaljujući tkivnom disanju, dolazi do oksidativne razgradnje organskih jedinjenja sa oslobađanjem CO 2 u spoljašnju sredinu. Ugljik se također oslobađa kao dio složenijih krajnjih proizvoda metabolizma. Nakon uginuća životinja i biljaka, dio ugljika se ponovo pretvara u CO 2 kao rezultat procesa raspadanja koje provode mikroorganizmi. Ovako kruži ugljenik u prirodi. Značajan dio ugljika je mineraliziran i formira naslage fosilnog ugljika: ugalj, naftu, krečnjak i dr. Pored svoje glavne funkcije – izvora ugljika – CO 2 otopljen u prirodnim vodama i biološkim tekućinama je uključen u održavanje kiselosti okoliša koja je optimalna za životne procese. Kao dio CaCO 3, ugljik čini vanjski skelet mnogih beskičmenjaka (na primjer, školjke mekušaca), a nalazi se i u koraljima, ljusci ptičjih jajeta i dr. Jedinjenja ugljika kao što su HCN, CO, CCl 4, koja su preovladavala u Primarno su se dalje, u procesu biološke evolucije, pretvorili u jake antimetabolite metabolizma.

Pored stabilnih izotopa ugljika, u prirodi je rasprostranjen radioaktivni 14 C (sadrži oko 0,1 mikrokurija u ljudskom tijelu). Mnogi veliki pomaci u proučavanju metabolizma i ciklusa ugljika u prirodi povezani su s upotrebom izotopa ugljika u biološkim i medicinskim istraživanjima. Tako je uz pomoć radiokarbonske oznake dokazana mogućnost fiksiranja H 14 CO 3 - biljnim i životinjskim tkivima, utvrđen redoslijed reakcija fotosinteze, proučavana izmjena aminokiselina, putevi biosinteze mnogih biološki aktivnih jedinjenja, itd. Upotreba 14 C je doprinijela uspjehu molekularne biologije u proučavanju mehanizama biosinteze proteina i prijenosa nasljednih informacija. Određivanje specifične aktivnosti 14 C u organskim ostacima koji sadrže ugljik omogućava procjenu njihove starosti, što se koristi u paleontologiji i arheologiji.

U stanju veze ugljenik dio je takozvanih organskih tvari, odnosno mnogih tvari koje se nalaze u tijelu svake biljke i životinje. Nalazi se u obliku ugljičnog dioksida u vodi i zraku, te u obliku soli ugljičnog dioksida i organskih ostataka u tlu i masi zemljine kore. Raznolikost tvari koje čine tijelo životinja i biljaka svima je poznata. Vosak i ulje, terpentin i smola, pamučni papir i proteini, tkivo biljne ćelije i životinjsko mišićno tkivo, vinska kiselina i škrob - sve ove i mnoge druge tvari uključene u tkiva i sokove biljaka i životinja su spojevi ugljika. Područje ugljikovih spojeva je toliko veliko da čini posebnu granu hemije, odnosno hemiju ugljika ili, bolje, ugljikovodičnih spojeva.

Ove riječi iz Osnova hemije D. I. Mendeljejeva služe kao detaljan epigraf naše priče o vitalnom elementu - ugljeniku. Međutim, ovdje postoji jedna teza koja se, sa stanovišta moderne nauke o materiji, može argumentirati, ali o tome u nastavku.

Vjerovatno će prsti na rukama biti dovoljni da se prebroje hemijski elementi kojima nije posvećena barem jedna naučna knjiga. Ali nezavisna naučnopopularna knjiga – ne neka vrsta brošure na 20 nepotpunih stranica sa omotom od papira za umotavanje, već sasvim solidan volumen od skoro 500 stranica – ima samo jedan element u prednosti – ugljenik.

Općenito, literatura o ugljiku je najbogatija. To su, prvo, sve knjige i članci organskih hemičara bez izuzetka; drugo, gotovo sve što se odnosi na polimere; treće, bezbroj publikacija u vezi sa fosilnim gorivima; četvrto, značajan dio biomedicinske literature...

Stoga nećemo pokušavati da prigrlimo neizmjernost (nije slučajno da su je autori popularne knjige o elementu br. 6 nazvali „Neiscrpno“!), već ćemo se fokusirati samo na ono glavno iz glavne stvari - pokušaćemo da sagledamo ugljenik sa tri tačke gledišta.

Ugljik je jedan od rijetkih elemenata"Bez porodice, bez plemena." Istorija ljudskog kontakta sa ovom supstancom seže u praistorijska vremena. Ne zna se ime otkrivača ugljika, a ne zna se i koji je od oblika elementarnog ugljika - dijamant ili grafit - otkriven ranije. I jedno i drugo se dogodilo predavno. Samo jedno se može sa sigurnošću reći: prije dijamanta i prije grafita, otkrivena je supstanca, koja se prije nekoliko decenija smatrala trećim, amorfnim oblikom elementarnog ugljika – ugljem. Ali u stvarnosti, drveni ugljen, čak ni ugalj, nije čisti ugljenik. Sadrži vodonik, kiseonik i tragove drugih elemenata. Istina, oni se mogu ukloniti, ali čak ni tada ugljenik neće postati samostalna modifikacija elementarnog ugljika. To je ustanovljeno tek u drugoj četvrtini našeg veka. Strukturna analiza je pokazala da je amorfni ugljenik u suštini isti grafit. To znači da nije amorfan, već kristalan; samo su njegovi kristali vrlo mali i u njima ima više nedostataka. Nakon toga su počeli vjerovati da ugljik na Zemlji postoji samo u dva elementarna oblika - u obliku grafita i dijamanta.

Da li ste ikada razmišljali o razlozima oštrog „razvodnice“ svojstava koja prolazi u drugom kratkom periodu periodnog sistema duž linije koja razdvaja ugljenik od azota koja ga prati? Azot, kiseonik, fluor su gasoviti u normalnim uslovima. Ugljik - u bilo kom obliku - je čvrsta materija. Tačka topljenja azota je minus 210,5°C, a ugljenika (u obliku grafita pod pritiskom preko 100 atm) je oko plus 4000°C...

Dmitrij Ivanovič Mendeljejev je prvi sugerisao da je ova razlika posledica polimerne strukture molekula ugljenika. Napisao je: "Kada bi ugljenik formirao molekul C2, poput O2, to bi bio gas." I dalje: „Sposobnost atoma uglja da se međusobno kombinuju i daju složene molekule manifestuje se u svim jedinjenjima ugljenika. Ni u jednom elementu nije toliko razvijena sposobnost za komplikacije kao u ugljeniku. Do sada ne postoji osnova za određivanje stepena polimerizacije molekula ugljenika, grafita, dijamanta, samo se može misliti da oni sadrže C p, gde je n velika vrednost.

Ugljik i njegovi polimeri

Ova pretpostavka je potvrđena u naše vrijeme. I grafit i dijamant su polimeri sastavljeni od istih atoma ugljika.

Prema prikladnoj primjedbi profesora Yu.V. Khodakov, "na osnovu prirode sila koje treba savladati, zanimanje rezača dijamanata moglo bi se pripisati hemijskim profesijama." Zaista, rezač mora savladati ne relativno slabe sile međumolekularne interakcije, već sile kemijske veze, koje spajaju atome ugljika u molekulu dijamanta. Svaki kristal dijamanta, čak i ogroman, šest stotina grama Kulinana, u suštini je jedan molekul, molekul veoma pravilnog, gotovo savršeno konstruisanog, trodimenzionalnog polimera.

Grafit je druga stvar. Ovdje se polimerno uređenje proteže samo u dva smjera - duž ravni, a ne u prostoru. U komadu grafita, ove ravnine čine prilično gust paket, čiji su slojevi međusobno povezani ne hemijskim silama, već slabijim silama međumolekularne interakcije. Zato se grafit tako lako - čak i od kontakta s papirom - eksfolira. U isto vrijeme, vrlo je teško razbiti grafitnu ploču u poprečnom smjeru - ovdje se kemijska veza suprotstavlja.

To su karakteristike molekularne strukture koje objašnjavaju ogromnu razliku u svojstvima grafita i dijamanta. Grafit je odličan provodnik toplote i struje, dok je dijamant izolator. Grafit uopće ne propušta svjetlost - dijamant je proziran. Bez obzira na to kako je dijamant oksidiran, samo CO 2 će biti proizvod oksidacije. A oksidacijom grafita može se po želji dobiti nekoliko međuproizvoda, posebno grafitna (promjenjivog sastava) i melitična C 6 (COOH) 6 kiselina. Kisik se, takoreći, ugurao između slojeva grafitnog omotača i oksidira samo neke atome ugljika. U dijamantskom kristalu slabosti ne, pa je stoga moguća ili potpuna oksidacija ili potpuna neoksidacija - nema trećeg načina...

Dakle, postoji "prostorni" polimer elementarnog ugljenika, postoji "planarni". U principu, postojanje "jednodimenzionalnog" linearnog polimera ugljika dugo se pretpostavljalo, ali nije pronađen u prirodi.

Za sada nije pronađena. Nekoliko godina nakon sinteze, linearni ugljični polimer pronađen je u meteoritskom krateru u Njemačkoj. I prvi sovjetski hemičari V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatočkin i Yu.P. Kudryavtsev. Linearni polimer ugljenika nazvan je karabin. Izvana izgleda kao crni finokristalinični prah, ima poluvodička svojstva, a pod djelovanjem svjetlosti električna provodljivost karabina uvelike se povećava. Karabin je također otkrio potpuno neočekivana svojstva. Ispostavilo se, na primjer, da kada krv dođe u dodir s njom, ne stvara ugruške - krvne ugruške, pa su se vlakna obložena karabinom počela koristiti u proizvodnji umjetnih krvnih žila koje tijelo ne odbacuje.

Prema otkrićima karabina, najteže im je bilo odrediti kakvim su vezama atomi ugljika povezani u lanac. Mogla bi imati naizmjenične jednostruke i trostruke veze (-C = C-C=C -C=), ili bi mogla imati samo dvostruke veze (=C=C=C=C=)... I mogla bi imati obje u isto vrijeme . Samo nekoliko godina kasnije Korshak i Sladkov su uspjeli dokazati da u karabinu nema dvostrukih veza. Međutim, budući da je teorija dozvoljavala postojanje linearnog ugljičnog polimera sa samo dvostrukim vezama, pokušano je da se dobije ova sorta - u suštini, četvrta modifikacija elementarnog ugljika.

Ugljik u mineralima

Ova supstanca je dobijena na Institutu za organoelementna jedinjenja Akademije nauka SSSR. Novi linearni ugljenični polimer nazvan je polikumulen. A sada je poznato najmanje osam linearnih polimera ugljika, koji se međusobno razlikuju po strukturi kristalne rešetke. U stranoj literaturi svi se nazivaju karabini.

Ovaj element je uvijek četverovalentan, ali pošto je tek u sredini perioda, njegovo oksidacijsko stanje u različitim okolnostima je ili +4 ili -4. U reakcijama sa nemetalima je elektropozitivan, sa metalima je obrnuto. . Čak i u slučajevima kada veza nije jonska, već kovalentna, ugljik ostaje vjeran samom sebi - njegova formalna valencija ostaje jednaka četiri.

Postoji vrlo malo jedinjenja u kojima ugljik barem formalno pokazuje valenciju različitu od četiri. Samo je jedno takvo jedinjenje općenito poznato, CO, ugljični monoksid, u kojem se čini da je ugljik dvovalentan. Upravo tako izgleda, jer u stvarnosti postoji složeniji tip veze. Atomi ugljika i kisika povezani su 3-kovalentnom polariziranom vezom, a strukturna formula ovog spoja je napisana na sljedeći način: O + \u003d C ".

Godine 1900. M. Gomberg je dobio organsko jedinjenje trifenilmetil (C 6 H 5) 3 C. Činilo se da je atom ugljika ovdje trovalentan. Ali kasnije se ispostavilo da je ovaj put neobična valentnost bila čisto formalna. Trifenilmetil i njegovi analozi su slobodni radikali, ali za razliku od većine radikala, prilično su stabilni.

Istorijski gledano, vrlo malo jedinjenja ugljenika ostalo je "pod krovom" neorganske hemije. To su ugljični oksidi, karbidi - njegovi spojevi s metalima, kao i bor i silicijum, karbonati - soli najslabije ugljične kiseline, ugljični disulfid CS 2, jedinjenja cijanida. Moramo se tješiti činjenicom da, kako to često biva (ili biva) u proizvodnji, „vratilo“ nadoknađuje nedostatke u nomenklaturi. Zaista, najveći dio ugljika zemljine kore nije sadržan u biljnim i životinjskim organizmima, ne u uglju, nafti i svim drugim organskim tvarima zajedno, već u samo dva anorganska spoja - krečnjaku CaCO 3 i dolomitu MgCa (CO 3 ) 2. Ugljik je dio još nekoliko desetina minerala, sjetite se samo CaCO 3 mramora (sa aditivima), Cu 2 (OH) 2 CO 3 malahita, cink smitsonita ZnCO 3 minerala... Ugljika ima i u magmatskim stijenama i u kristalnim škriljcima.

Minerali koji sadrže karbide su vrlo rijetki. U pravilu su to tvari posebno dubokog porijekla; stoga naučnici pretpostavljaju da postoji ugljenik u jezgru zemaljske kugle.

Za hemijsku industriju, ugljenik i njegova anorganska jedinjenja su od velikog interesa - češće kao sirovine, ređe kao strukturni materijali.

Mnogi uređaji u hemijskoj industriji, kao što su izmjenjivači topline, izrađeni su od grafita. I to je prirodno: grafit ima veliku termičku i hemijsku otpornost i istovremeno vrlo dobro provodi toplotu. Inače, zahvaljujući istim svojstvima, grafit je postao važan materijal za mlaznu tehnologiju. Kormila su napravljena od grafita, rade direktno u plamenu aparata za mlaznice. Praktično je nemoguće zapaliti grafit na zraku (čak i u čistom kisiku, to nije lako), a da bi se grafit ispario potrebna je temperatura mnogo viša od one koja se razvija čak i u raketnom motoru. Osim toga, pod normalnim pritiskom, grafit se, kao i granit, ne topi.

Teško je zamisliti modernu elektrohemijsku proizvodnju bez grafita. Grafitne elektrode koriste ne samo elektrometalurzi, već i hemičari. Dovoljno je podsjetiti da su u elektrolizerima koji se koriste za proizvodnju kaustične sode i klora, anode grafitne.

Upotreba ugljenika

Mnogo je knjiga napisano o upotrebi ugljičnih jedinjenja u hemijskoj industriji. Kalcijum karbonat, krečnjak, služi kao sirovina u proizvodnji kreča, cementa, kalcijum karbida. Drugi mineral - dolomit - je "praotac" velike grupe dolomitnih vatrostalnih materijala. Natrijum karbonat i bikarbonat - soda pepeo i soda za piće. Jedan od glavnih potrošača sode je bila i ostala industrija stakla, koja koristi oko trećinu svjetske proizvodnje Na 2 CO 3 .

I na kraju, malo o karbidima. Obično, kada se kaže karbid, misli se na kalcijev karbid - izvor acetilena, a samim tim i brojnih proizvoda organske sinteze. Ali kalcijum karbid, iako najpoznatiji, nikako nije jedina vrlo važna i neophodna supstanca ove grupe. Bor karbid B 4 C je važan materijal za atomsku energiju

tehnologije, silicijum karbid SiC ili karborund je najvažniji abrazivni materijal. Karbide mnogih metala karakteriše visoka hemijska otpornost i izuzetna tvrdoća; karborund je, na primjer, samo malo inferioran dijamantu. Njegova tvrdoća na Mooca skali je 9,5-9,75 (dijamant - 10). Ali karborund je jeftiniji od dijamanta. Dobija se u električnim pećima na temperaturi od oko 2000°C iz mješavine koksa i kvarcnog pijeska.

Prema poznatom sovjetskom naučniku akademiku I.L. Knunyants, organska hemija se može smatrati svojevrsnim mostom koji je nauka bacila od nežive prirode do njenog najvišeg oblika – života. A prije samo stoljeće i po, i sami najbolji hemičari tog vremena vjerovali su i učili svoje sljedbenike da je organska hemija nauka o supstancama koje nastaju uz učešće i pod vodstvom neke čudne „materije“ - životne sile. Ali ubrzo je ova moć poslana na smetlište prirodnih nauka. Sinteza nekoliko organskih supstanci - uree, octene kiseline, masti, supstanci sličnih šećeru - učinila je to jednostavno nepotrebnim.

Pojavila se klasična definicija K. Schorlemmer-a, koja nije izgubila značenje ni 100 godina kasnije: “Organska hemija je hemija ugljovodonika i njihovih derivata, odnosno proizvoda koji nastaju kada se vodonik zameni drugim atomima ili grupama atoma.”

Dakle, organska je hemija čak ni jednog elementa, već samo jedne klase jedinjenja ovog elementa. Ali koja klasa! Klasa podijeljena ne samo na grupe i podgrupe - na samostalne nauke. Oni su proizašli iz organske, biohemije, hemije sintetičkih polimera, hemije biološki aktivnih i lekovitih jedinjenja dobijenih iz organskih...

Sada su poznati milioni organskih jedinjenja (jedinjenja ugljenika!) i oko sto hiljada jedinjenja svih ostalih elemenata zajedno.

Dobro je poznato da je život izgrađen na bazi ugljenika. Ali zašto je upravo ugljik - jedanaesti najzastupljeniji element na Zemlji - preuzeo težak zadatak da bude osnova cijelog života?

Odgovor na ovo pitanje je dvosmislen. Prvo, "ni u jednom elementu nije toliko razvijena sposobnost za komplikacije kao u ugljiku." Drugo, ugljik se može kombinirati s većinom elemenata, i to na različite načine. Treće, veza između atoma ugljika, kao i sa atomima vodika, kisika, dušika, sumpora, fosfora i drugih elemenata koji čine organske tvari, može se uništiti pod utjecajem prirodnih faktora. Stoga ugljik neprestano kruži u prirodi: od atmosfere do biljaka, od biljaka do životinjskih organizama, od živih do mrtvih,

od mrtvih do živih...

Četiri valencije atoma ugljika su kao četiri ruke. A ako su dva takva atoma povezana, onda već postoji šest "rukova". Ili - četiri, ako se dva elektrona troše na formiranje para (dvostruka veza). Ili - samo dva, ako je veza, kao u acetilenu, trostruka. Ali ove veze (oni se nazivaju nezasićenim) su poput bombe u džepu ili duha u boci. Za sada su skriveni, ali se u pravom trenutku oslobađaju da uzmu svoj danak u olujnoj, kockarskoj igri hemijskih interakcija i transformacija. Kao rezultat ovih "igara" formiraju se razne strukture ako je ugljik uključen u njih. Urednici "Dječije enciklopedije" izračunali su da se od 20 atoma ugljika i 42 atoma vodika, 366.319 različitih ugljovodonika, može dobiti 366.319 supstanci sastava C 20 H42. A ako u „igri“ nema šest desetina učesnika, već nekoliko hiljada; ako su među njima predstavnici ne dva "ekipa", već, recimo, osam!

Gdje ima ugljika, postoji raznolikost. Gdje ima ugljika, postoje i poteškoće. I najrazličitiji dizajn u molekularnoj arhitekturi. Jednostavni lanci, kao u butanu CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 ili polietilenu -CH 2 -CH 2 -CH 2 - CH 2 -, i razgranate strukture, najjednostavniji od njih je izobutan.