Karbon Bir karbon atomudur. karbon kütlesi

2024 Yazar: Angel Austin | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-17 05:44

Organik ve inorganik yapıda çok çeşitli bileşikler oluşturabilen en şaşırtıcı elementlerden biri karbondur. Bu elementin özellikleri o kadar sıra dışı ki Mendeleev bile onun için harika bir gelecek öngördü, henüz açıklanmayan özelliklerden bahsediyor.

Daha sonra pratik olarak doğrulandı. Kesinlikle tüm canlıların bir parçası olan gezegenimizin ana biyojenik unsuru olduğu biliniyordu. Ek olarak, her bakımdan kökten farklı formlarda var olabilir, ancak aynı zamanda sadece karbon atomlarından oluşur.

Genel olarak bu yapının bir çok özelliği var ve bunları yazının akışı içerisinde ele almaya çalışacağız.

Karbon: elementler sistemindeki formül ve konum

Periyodik sistemde, karbon elementi ana alt grup olan IV (14'teki yeni modele göre) grubunda yer alır. Seri numarası 6 ve atom ağırlığı 12.011'dir. C işaretli bir elementin tanımı, adını Latince - carboneum olarak gösterir. Karbonun bulunduğu birkaç farklı form vardır. Bu nedenle formülü farklıdır ve spesifik modifikasyona bağlıdır.

Ancak, reaksiyon denklemlerini yazmak için gösterim özeldir,elbette var. Genel olarak, saf haldeki bir maddeden bahsederken, indeksleme yapılmadan karbon C'nin moleküler formülü benimsenir.

Öğe keşif geçmişi

Bu elementin kendisi antik çağlardan beri bilinmektedir. Sonuçta, doğadaki en önemli minerallerden biri kömürdür. Bu nedenle eski Yunanlılar, Romalılar ve diğer milletler için o bir sır değildi.

Bu çeşidin yanı sıra elmas ve grafit de kullanılmıştır. İkincisi ile uzun süre kafa karıştırıcı durumlar vardı, çünkü çoğu zaman, bileşimin analizi yapılmadan, grafit için bu tür bileşikler alındı, örneğin:

gümüş kurşun;
demir karbür;
molibden sülfür.

Hepsi siyaha boyanmıştı ve bu nedenle grafit olarak kabul edildi. Daha sonra bu yanlış anlaşılma ortadan kalktı ve karbonun bu formu kendisi oldu.

1725'ten beri elmaslar büyük bir ticari öneme sahipti ve 1970'de onları yapay olarak elde etme teknolojisine hakim oldu. 1779'dan beri Karl Scheele'nin çalışmaları sayesinde karbonun sergilediği kimyasal özellikler incelenmiştir. Bu, bu element alanında bir dizi önemli keşfin başlangıcıydı ve elementin en eşsiz özelliklerini bulmanın temeli oldu.

Karbon izotopları ve doğadaki dağılımı

Söz konusu element en önemli biyojenik elementlerden biri olmasına rağmen, yerkabuğunun kütlesindeki toplam içeriği %0,15'tir. Bunun nedeni, doğada doğal bir döngü olan sürekli dolaşıma maruz kalmasıdır.

Genel olarak, birkaçkarbon içeren mineral bileşikler. Bunlar şu doğal ırklardır:

dolomitler ve kalkerler;
antrasit;
petrol şist;
doğal gaz;
kömür;
yağ;
linyit;
turba;
bitüm.

Bunun yanında sadece bir karbon bileşikleri deposu olan canlıları da unutmamalıyız. Sonuçta, en hayati yapısal moleküller anlamına gelen proteinleri, yağları, karbonhidratları, nükleik asitleri oluşturdular. Genel olarak, 70 kg'ın kuru vücut ağırlığının dönüştürülmesinde, saf bir elemente 15 düşer. Hayvanlar, bitkiler ve diğer canlılar bir yana, her insan için de böyledir.

Hava ve suyun, yani bir bütün olarak hidrosferin ve atmosferin bileşimini düşünürsek, o zaman CO_{2 formülüyle ifade edilen bir karbon-oksijen karışımı vardır.. Dioksit veya karbondioksit, havayı oluşturan ana gazlardan biridir. Bu formda, karbonun kütle oranı %0.046'dır. Okyanusların sularında daha da fazla karbondioksit çözülür.}

Bir element olarak karbonun atom kütlesi 12.011'dir. Bu değerin, doğada var olan tüm izotopik türlerin yaygınlıkları dikkate alınarak (yüzde olarak) atom ağırlıkları arasındaki aritmetik ortalama olarak hesaplandığı bilinmektedir.). Bu durum söz konusu madde için de geçerlidir. Karbonun bulunduğu üç ana izotop vardır. Bu:

¹²С - büyük çoğunluktaki kütle oranı %98,93'tür;
¹³C -%1,07;
¹⁴C - radyoaktif, yarı ömür 5700 yıl, kararlı beta yayıcı.

Numunelerin jeokronolojik yaşını belirleme pratiğinde, uzun bozulma süresi nedeniyle bir gösterge olan radyoaktif izotop ¹⁴С yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bir elementin allotropik modifikasyonları

Karbon, çeşitli şekillerde basit bir madde olarak var olan bir elementtir. Yani, bugün bilinen en fazla sayıda allotropik modifikasyonu oluşturma yeteneğine sahiptir.

1. Kristal varyasyonlar - düzenli atomik tip kafeslere sahip güçlü yapılar şeklinde bulunur. Bu grup aşağıdaki gibi çeşitleri içerir:

elmas;
fullerenler;
grafitler;
karabinalar;
lonsdaleites;
karbon fiberler ve tüpler.

Hepsi, düğümlerinde bir karbon atomu bulunan kristal kafesin yapısında farklılık gösterir. Dolayısıyla hem fiziksel hem de kimyasal tamamen benzersiz, farklı özellikler.

2. Amorf formlar - bazı doğal bileşiklerin bir parçası olan bir karbon atomu tarafından oluşturulurlar. Yani, bunlar saf çeşitler değil, diğer elementlerin safsızlıkları ile küçük miktarlarda. Bu grup şunları içerir:

aktif karbon;
taş ve ahşap;
kurum;
karbon nanoköpük;
antrasit;
camsı karbon;
teknik bir tür madde.

Ayrıca özelliklerle birleştirilirlerkristal kafesin yapıları, açıklayan ve gösteren özellikler.

3. Kümeler şeklinde karbon bileşikleri. Atomların içeriden içi boş, su veya diğer elementlerin çekirdeği ile dolu özel bir konformasyonda kapatıldığı böyle bir yapı. Örnekler:

karbon nanokoniler;
astralenler;
dikarbon.

Amorf karbonun fiziksel özellikleri

Çok çeşitli allotropik modifikasyonlar nedeniyle, karbon için herhangi bir ortak fiziksel özellik belirlemek zordur. Belirli bir form hakkında konuşmak daha kolaydır. Örneğin, amorf karbon aşağıdaki özelliklere sahiptir.

Tüm formların merkezinde ince kristalli grafit çeşitleri bulunur.
Yüksek ısı kapasitesi.
İyi iletken özellikler.
Karbon yoğunluğu yaklaşık 2 g/cm³.
1600'ün üzerinde ısıtıldığında ⁰C, grafit formlarına geçiş gerçekleşir.

Kur, kömür ve taş çeşitleri endüstriyel amaçlar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Saf haliyle karbon modifikasyonunun bir tezahürü değildirler, ancak onu çok büyük miktarlarda içerirler.

Kristal karbon

Karbon'un, atomların seri olarak bağlı olduğu, çeşitli tiplerde düzenli kristaller oluşturan bir madde olduğu birkaç seçenek vardır. Sonuç olarak, aşağıdaki değişiklikler oluşur.

Elmas. Yapı, dört tetrahedranın bağlı olduğu kübiktir. Sonuç olarak, her atomun tüm kovalent kimyasal bağlarımaksimum doymuş ve dayanıklı. Bu, fiziksel özellikleri açıklar: karbonun yoğunluğu 3300 kg/m³'dir. Yüksek sertlik, düşük ısı kapasitesi, elektriksel iletkenlik eksikliği - tüm bunlar kristal kafes yapısının sonucudur. Teknik olarak elde edilmiş elmaslar var. Yüksek sıcaklık ve belirli bir basıncın etkisi altında grafitin bir sonraki modifikasyona geçişi sırasında oluşurlar. Genel olarak, elmasın erime noktası gücü kadar yüksektir - yaklaşık 3500 ⁰C.
Grafit. Atomlar önceki maddenin yapısına benzer şekilde düzenlenir, ancak sadece üç bağ doyurulur ve dördüncüsü daha uzun ve daha az güçlü hale gelir, kafesin altıgen halkalarının "katmanlarını" birbirine bağlar. Sonuç olarak, grafitin dokunuşa yumuşak, yağlı siyah bir madde olduğu ortaya çıktı. İyi bir elektrik iletkenliğine sahiptir ve yüksek bir erime noktasına sahiptir - 3525 ⁰C. Süblimleşme kabiliyeti - sıvı hali atlayarak katı halden gaz haline süblimleşme (3700 ⁰С sıcaklıkta). Karbonun yoğunluğu 2.26 g/cm^3, olup elmasın yoğunluğundan çok daha düşüktür. Bu onların farklı özelliklerini açıklar. Kristal kafesin katmanlı yapısı nedeniyle kurşun kalem imalatında grafit kullanmak mümkündür. Kağıt üzerinde kaydırıldığında pullar soyulur ve kağıt üzerinde siyah bir iz bırakır.
Fulerenler. Sadece geçen yüzyılın 80'lerinde açıldılar. Merkezde bulunan özel bir dışbükey kapalı yapı içinde karbonların birbirine bağlandığı modifikasyonlardır.boşluk Ve bir kristalin şekli - bir polihedron, doğru organizasyon. Atom sayısı eşittir. Fulleren'in en ünlü şekli С₆₀'dır. Araştırma sırasında benzer bir maddenin örnekleri bulundu:

meteoritler;
alt çökeltiler;
folgurit;
shungite;
dış uzay, burada gazlar halinde bulunur.

Kristal karbonun tüm çeşitleri, mühendislikte faydalı bir takım özelliklere sahip oldukları için büyük pratik öneme sahiptir.

Reaktivite

Moleküler karbon, kararlı konfigürasyonu nedeniyle düşük reaktivite sergiler. Sadece atoma ek enerji vererek ve dış seviyedeki elektronları buharlaşmaya zorlayarak reaksiyonlara girmeye zorlanabilir. Bu noktada değerlik 4 olur. Bu nedenle bileşiklerde + 2, + 4, - 4 oksidasyon durumuna sahiptir.

Hem metal hem de metal olmayan basit maddelerle hemen hemen tüm reaksiyonlar, yüksek sıcaklıkların etkisi altında gerçekleşir. Söz konusu element hem oksitleyici bir ajan hem de bir indirgeyici ajan olabilir. Bununla birlikte, ikinci özellikler içinde özellikle belirgindir ve bu, metalurji ve diğer endüstrilerde kullanımının temelidir.

Genel olarak, kimyasal etkileşime girme yeteneği üç faktöre bağlıdır:

karbon dağılımı;
allotropik modifikasyon;
reaksiyon sıcaklığı.

Böylece, bazı durumlarda aşağıdakilerle bir etkileşim vardır:maddeler:

metal olmayanlar (hidrojen, oksijen);
metaller (alüminyum, demir, kalsiyum ve diğerleri);
metal oksitler ve tuzları.

Asit ve alkalilerle reaksiyona girmez, halojenlerle çok nadiren reaksiyona girer. Karbonun özelliklerinden en önemlisi birbirleri ile uzun zincirler oluşturabilme özelliğidir. Bir döngü içinde kapanabilir, dallar oluşturabilirler. Bugün sayıları milyonları bulan organik bileşiklerin oluşumu bu şekildedir. Bu bileşiklerin temeli iki elementtir - karbon, hidrojen. Diğer atomlar da dahil edilebilir: oksijen, nitrojen, kükürt, halojenler, fosfor, metaller ve diğerleri.

Ana bileşikler ve özellikleri

Karbon içeren birçok farklı bileşik vardır. Bunların en ünlülerinin formülü CO₂ - karbondioksittir. Bununla birlikte, bu okside ek olarak, CO - monoksit veya karbon monoksit ve ayrıca C₃O₂.

suboksit de vardır.

Bu elementi içeren tuzlar arasında en yaygın olanları kalsiyum ve magnezyum karbonatlardır. Bu nedenle, kalsiyum karbonat, doğada şu şekilde bulunduğundan, adında birkaç eş anlamlıya sahiptir:

tebeşir;
mermer;
kireçtaşı;
dolomit.

Alkali toprak metal karbonatların önemi, sarkıt ve dikitlerin yanı sıra yer altı sularının oluşumunda aktif katılımcılar olmaları gerçeğinde kendini gösterir.

Karbonik asit, karbonu oluşturan başka bir bileşiktir. formülüH₂CO₃. Bununla birlikte, olağan biçiminde, son derece kararsızdır ve çözelti içinde hemen karbondioksit ve suya ayrışır. Bu nedenle, çözelti olarak kendisi değil, yalnızca tuzları bilinir.

Karbon halojenürler - doğrudan sentez yalnızca çok yüksek sıcaklıklarda ve düşük ürün verimi ile gerçekleştiğinden, esas olarak dolaylı olarak elde edilir. En yaygın olanlardan biri - CCL₄ - karbon tetraklorür. Solunması halinde zehirlenmeye neden olabilen zehirli bir bileşik. Hidrojen atomlarının metan içindeki radikal fotokimyasal ikame reaksiyonları ile elde edilir.

Metal karbürler, 4 oksidasyon durumu sergileyen karbon bileşikleridir. Bor ve silisyum ile ilişkilerin varlığı da mümkündür. Bazı metallerin (alüminyum, tungsten, titanyum, niyobyum, tantal, hafniyum) karbürlerinin ana özelliği, yüksek mukavemet ve mükemmel elektrik iletkenliğidir. Bor karbür В₄С elmastan sonra en sert maddelerden biridir (Mohs'a göre 9.5). Bu bileşikler mühendislikte ve kimya endüstrisinde hidrokarbonların üretimi için kaynaklar olarak kullanılır (su ile kalsiyum karbür, asetilen ve kalsiyum hidroksit oluşumuna yol açar).

Birçok metal alaşımı karbon kullanılarak yapılır, böylece kaliteleri ve teknik özellikleri önemli ölçüde artar (çelik bir demir ve karbon alaşımıdır).

Özel dikkat, aynı atomlarla çeşitli yapılarda uzun zincirler halinde birleşebilen temel bir element olduğu çok sayıda organik karbon bileşiğini hak ediyor. Bunlar şunları içerir:

alkanlar;
alkenler;
arenalar;
proteinler;
karbonhidrat;
nükleik asitler;
alkoller;
karboksilik asitler ve diğer birçok madde sınıfı.

Karbon kullanımı

Karbon bileşiklerinin ve allotropik modifikasyonlarının insan yaşamındaki önemi çok yüksektir. Bunun doğru olduğunu netleştirmek için en küresel sektörlerden birkaçını adlandırabilirsiniz.

Bu element, bir kişinin enerji aldığı her tür fosil yakıtı oluşturur.
Metalurji endüstrisi, bileşiklerinden metal elde etmek için en güçlü indirgeyici ajan olarak karbonu kullanır. Karbonatlar burada da yaygın olarak kullanılmaktadır.
İnşaat ve kimya endüstrisi, yeni maddeleri sentezlemek ve gerekli ürünleri elde etmek için çok miktarda karbon bileşiği tüketir.

Ekonominin bu tür sektörlerini şu şekilde de adlandırabilirsiniz:

nükleer sanayi;
mücevherat;
teknik ekipman (yağlayıcılar, ısıya dayanıklı potalar, kalemler vb.);
Kayaların jeolojik yaşının belirlenmesi - radyoaktif izleyici ¹⁴С;
karbon mükemmel bir adsorbandır, bu da onu filtre yapmaya uygun hale getirir.

Doğada dolaşım

Doğada bulunan karbon kütlesi, dünya çapında her saniye dönen sabit bir döngüye dahildir. Böylece, atmosferik karbon kaynağı - CO₂, emilirbitkiler ve solunum sürecinde tüm canlılar tarafından salınır. Atmosfere girdikten sonra tekrar emilir ve böylece döngü durmaz. Aynı zamanda, organik kalıntıların ölümü, karbonun serbest kalmasına ve yeryüzünde birikmesine yol açar, buradan tekrar canlı organizmalar tarafından emilir ve atmosfere gaz şeklinde salınır.