Ο άνθρακας είναι Άτομο άνθρακα. Μάζα άνθρακα

2024 Συγγραφέας: Angel Austin | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 05:22

Ένα από τα πιο εκπληκτικά στοιχεία που μπορούν να σχηματίσουν μια τεράστια ποικιλία ενώσεων οργανικής και ανόργανης φύσης είναι ο άνθρακας. Αυτό το στοιχείο είναι τόσο ασυνήθιστο στις ιδιότητές του που ακόμη και ο Mendeleev προέβλεψε ένα μεγάλο μέλλον για αυτό, μιλώντας για χαρακτηριστικά που δεν έχουν ακόμη αποκαλυφθεί.

Αργότερα επιβεβαιώθηκε πρακτικά. Έγινε γνωστό ότι είναι το κύριο βιογενές στοιχείο του πλανήτη μας, το οποίο αποτελεί μέρος απολύτως όλων των ζωντανών όντων. Επιπλέον, μπορεί να υπάρχει σε μορφές που είναι ριζικά διαφορετικές από κάθε άποψη, αλλά ταυτόχρονα αποτελούνται μόνο από άτομα άνθρακα.

Γενικά, αυτή η δομή έχει πολλά χαρακτηριστικά και θα προσπαθήσουμε να τα αντιμετωπίσουμε κατά τη διάρκεια του άρθρου.

Άνθρακας: τύπος και θέση στο σύστημα στοιχείων

Στο περιοδικό σύστημα, το στοιχείο άνθρακας βρίσκεται στην ομάδα IV (σύμφωνα με το νέο μοντέλο στο 14), την κύρια υποομάδα. Ο αύξων αριθμός του είναι 6 και το ατομικό του βάρος είναι 12.011. Ο χαρακτηρισμός ενός στοιχείου με το σύμβολο C υποδηλώνει το όνομά του στα λατινικά - carboneum. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές μορφές στις οποίες υπάρχει άνθρακας. Ο τύπος του είναι επομένως διαφορετικός και εξαρτάται από τη συγκεκριμένη τροποποίηση.

Ωστόσο, για τη σύνταξη εξισώσεων αντίδρασης, ο συμβολισμός είναι συγκεκριμένος,φυσικά έχουν. Γενικά, όταν μιλάμε για μια ουσία στην καθαρή της μορφή, υιοθετείται ο μοριακός τύπος του άνθρακα C, χωρίς ευρετηρίαση.

Ιστορικό ανακάλυψης στοιχείων

Αυτό το ίδιο το στοιχείο ήταν γνωστό από την αρχαιότητα. Άλλωστε ένα από τα πιο σημαντικά ορυκτά στη φύση είναι ο άνθρακας. Επομένως, για τους αρχαίους Έλληνες, Ρωμαίους και άλλες εθνικότητες, δεν ήταν μυστικό.

Εκτός από αυτήν την ποικιλία, χρησιμοποιήθηκαν επίσης διαμάντια και γραφίτης. Υπήρχαν πολλές καταστάσεις σύγχυσης με το τελευταίο για μεγάλο χρονικό διάστημα, αφού συχνά, χωρίς ανάλυση της σύνθεσης, λαμβάνονταν τέτοιες ενώσεις για γραφίτη, όπως:

• ασημένιο προβάδισμα;
• καρβίδιο σιδήρου;
• θειούχο μολυβδαίνιο.

Ήταν όλα βαμμένα μαύρα και επομένως θεωρούνταν γραφίτης. Αργότερα, αυτή η παρεξήγηση ξεκαθαρίστηκε και αυτή η μορφή άνθρακα έγινε η ίδια.

Από το 1725, τα διαμάντια έχουν μεγάλη εμπορική σημασία και το 1970, η τεχνολογία τεχνητής απόκτησής τους έχει κατακτηθεί. Από το 1779, χάρη στο έργο του Karl Scheele, έχουν μελετηθεί οι χημικές ιδιότητες που παρουσιάζει ο άνθρακας. Αυτή ήταν η αρχή μιας σειράς σημαντικών ανακαλύψεων στον τομέα αυτού του στοιχείου και έγινε η βάση για να ανακαλύψουμε όλα τα πιο μοναδικά χαρακτηριστικά του.

Ισότοπα άνθρακα και κατανομή στη φύση

Παρά το γεγονός ότι το εν λόγω στοιχείο είναι ένα από τα σημαντικότερα βιογενή, η συνολική περιεκτικότητά του στη μάζα του φλοιού της γης είναι 0,15%. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι υπόκειται σε συνεχή κυκλοφορία, έναν φυσικό κύκλο στη φύση.

Γενικά, υπάρχουν πολλάορυκτές ενώσεις που περιέχουν άνθρακα. Αυτές είναι φυσικές ράτσες όπως:

• δολομίτες και ασβεστόλιθοι;
• ανθρακίτης;
• πετρελαϊκός σχιστόλιθος;
• φυσικό αέριο;
• κάρβουνο;
• έλαιο;
• λιγνιτης;
• τύρφη;
• πίσσα.

Εκτός αυτού, δεν πρέπει να ξεχνάμε τα ζωντανά όντα, τα οποία είναι απλώς μια αποθήκη ενώσεων άνθρακα. Άλλωστε σχημάτισαν πρωτεΐνες, λίπη, υδατάνθρακες, νουκλεϊκά οξέα, που σημαίνει τα πιο ζωτικά δομικά μόρια. Γενικά, στη μετατροπή ξηρού σωματικού βάρους από 70 κιλά, τα 15 πέφτουν σε καθαρό στοιχείο. Και έτσι συμβαίνει με κάθε άνθρωπο, για να μην αναφέρουμε τα ζώα, τα φυτά και άλλα πλάσματα.

Αν λάβουμε υπόψη τη σύνθεση του αέρα και του νερού, δηλαδή την υδρόσφαιρα ως σύνολο και την ατμόσφαιρα, τότε υπάρχει ένα μείγμα άνθρακα-οξυγόνου, που εκφράζεται με τον τύπο CO_{2. Το διοξείδιο ή διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα από τα κύρια αέρια που συνθέτουν τον αέρα. Σε αυτή τη μορφή το κλάσμα μάζας του άνθρακα είναι 0,046%. Ακόμη περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα διαλύεται στα νερά των ωκεανών.}

Η ατομική μάζα του άνθρακα ως στοιχείου είναι 12,011. Είναι γνωστό ότι αυτή η τιμή υπολογίζεται ως ο αριθμητικός μέσος όρος μεταξύ των ατομικών βαρών όλων των ισοτοπικών ειδών που υπάρχουν στη φύση, λαμβάνοντας υπόψη τον επιπολασμό τους (ως ποσοστό). Αυτό ισχύει και για την εν λόγω ουσία. Υπάρχουν τρία κύρια ισότοπα στα οποία βρίσκεται ο άνθρακας. Αυτό είναι:

• ¹²С - το κλάσμα μάζας του στη συντριπτική πλειοψηφία είναι 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - ραδιενεργό, χρόνος ημιζωής 5700 χρόνια, σταθερός εκπομπός βήτα.

Στην πρακτική του προσδιορισμού της γεωχρονολογικής ηλικίας των δειγμάτων, χρησιμοποιείται ευρέως το ραδιενεργό ισότοπο ¹⁴С, το οποίο αποτελεί δείκτη λόγω της μεγάλης περιόδου διάσπασής του.

Αλλοτροπικές τροποποιήσεις ενός στοιχείου

Ο άνθρακας είναι ένα στοιχείο που υπάρχει ως απλή ουσία σε διάφορες μορφές. Δηλαδή, είναι ικανό να σχηματίσει τον μεγαλύτερο αριθμό αλλοτροπικών τροποποιήσεων που είναι γνωστές σήμερα.

1. Κρυσταλλικές παραλλαγές - υπάρχουν με τη μορφή ισχυρών δομών με κανονικά πλέγματα ατομικού τύπου. Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει ποικιλίες όπως:

• διαμάντια;
• fullerenes;
• γραφίτες;
• καραμπίνες;
• lonsdaleites;
• ίνες και σωλήνες άνθρακα.

Όλα διαφέρουν ως προς τη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος, στους κόμβους του οποίου υπάρχει ένα άτομο άνθρακα. Εξ ου και οι εντελώς μοναδικές, ανόμοιες ιδιότητες, τόσο φυσικές όσο και χημικές.

2. Άμορφες μορφές - σχηματίζονται από ένα άτομο άνθρακα, το οποίο είναι μέρος ορισμένων φυσικών ενώσεων. Δηλαδή δεν πρόκειται για καθαρές ποικιλίες, αλλά με προσμίξεις άλλων στοιχείων σε μικρές ποσότητες. Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει:

• ενεργός άνθρακας;
• πέτρα και ξύλο;
• αιθάλη;
• νανοαφρός άνθρακα;
• ανθρακίτης;
• γυάλινο άνθρακα;
• ένα τεχνικό είδος ουσίας.

Τα ενώνουν επίσης χαρακτηριστικάδομές του κρυσταλλικού πλέγματος, που εξηγούν και εκδηλώνουν ιδιότητες.

3. Ενώσεις άνθρακα σε μορφή συστάδων. Μια τέτοια δομή στην οποία τα άτομα είναι κλειστά σε μια ειδική κοιλότητα διαμόρφωσης από το εσωτερικό, γεμάτη με νερό ή τους πυρήνες άλλων στοιχείων. Παραδείγματα:

• νανοκώνοι άνθρακα;
• astralens;
• dicarbon.

Φυσικές ιδιότητες του άμορφου άνθρακα

Λόγω της μεγάλης ποικιλίας αλλοτροπικών τροποποιήσεων, είναι δύσκολο να εντοπιστούν κοινές φυσικές ιδιότητες για τον άνθρακα. Είναι πιο εύκολο να μιλήσεις για μια συγκεκριμένη φόρμα. Για παράδειγμα, ο άμορφος άνθρακας έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά.

1. Στην καρδιά όλων των μορφών βρίσκονται οι λεπτές κρυσταλλικές ποικιλίες γραφίτη.
2. Υψηλή θερμοχωρητικότητα.
3. Καλές αγώγιμες ιδιότητες.
4. Η πυκνότητα άνθρακα είναι περίπου 2 g/cm³.
5. Όταν θερμαίνεται πάνω από τους 1600 ⁰C, συμβαίνει μια μετάβαση σε μορφές γραφίτη.

Οι ποικιλίες αιθάλης, ξυλάνθρακα και πέτρας χρησιμοποιούνται ευρέως για βιομηχανικούς σκοπούς. Δεν αποτελούν εκδήλωση τροποποίησης του άνθρακα στην καθαρή του μορφή, αλλά τον περιέχουν σε πολύ μεγάλες ποσότητες.

Κρυσταλλικός άνθρακας

Υπάρχουν πολλές επιλογές στις οποίες ο άνθρακας είναι μια ουσία που σχηματίζει κανονικούς κρυστάλλους διαφόρων τύπων, όπου τα άτομα συνδέονται σε σειρά. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται οι ακόλουθες τροποποιήσεις.

1. Διαμάντι. Η δομή είναι κυβική, στην οποία συνδέονται τέσσερα τετράεδρα. Ως αποτέλεσμα, όλοι οι ομοιοπολικοί χημικοί δεσμοί κάθε ατόμουμέγιστα κορεσμένα και ανθεκτικά. Αυτό εξηγεί τις φυσικές ιδιότητες: η πυκνότητα του άνθρακα είναι 3300 kg/m³. Υψηλή σκληρότητα, χαμηλή θερμοχωρητικότητα, έλλειψη ηλεκτρικής αγωγιμότητας - όλα αυτά είναι το αποτέλεσμα της δομής του κρυσταλλικού πλέγματος. Υπάρχουν τεχνικά αποκτημένα διαμάντια. Σχηματίζονται κατά τη μετάβαση του γραφίτη στην επόμενη τροποποίηση υπό την επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας και μιας ορισμένης πίεσης. Γενικά, το σημείο τήξης του διαμαντιού είναι τόσο υψηλό όσο η αντοχή - περίπου 3500 ⁰C.
2. Γραφίτης. Τα άτομα είναι διατεταγμένα παρόμοια με τη δομή της προηγούμενης ουσίας, ωστόσο, μόνο τρεις δεσμοί είναι κορεσμένοι και ο τέταρτος γίνεται μακρύτερος και λιγότερο ισχυρός, συνδέει τα "στρώματα" των εξαγωνικών δακτυλίων του πλέγματος. Ως αποτέλεσμα, αποδεικνύεται ότι ο γραφίτης είναι μια μαλακή, λιπαρή μαύρη ουσία στην αφή. Έχει καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και έχει υψηλό σημείο τήξης - 3525 ⁰C. Δυνατότητα εξάχνωσης - εξάχνωση από στερεά σε αέρια κατάσταση, παρακάμπτοντας την υγρή κατάσταση (σε θερμοκρασία 3700 ⁰С). Η πυκνότητα του άνθρακα είναι 2,26 g/cm^3, που είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή του διαμαντιού. Αυτό εξηγεί τις διαφορετικές ιδιότητές τους. Λόγω της πολυεπίπεδης δομής του κρυσταλλικού πλέγματος, είναι δυνατή η χρήση γραφίτη για την κατασκευή καλωδίων μολυβιού. Όταν περάσουν πάνω από το χαρτί, οι νιφάδες ξεφλουδίζουν και αφήνουν ένα μαύρο σημάδι στο χαρτί.
3. Φουλερένια. Άνοιξαν μόλις τη δεκαετία του '80 του περασμένου αιώνα. Είναι τροποποιήσεις στις οποίες οι άνθρακες συνδέονται μεταξύ τους σε μια ειδική κυρτή κλειστή δομή, η οποία έχει στο κέντροκενότητα. Και η μορφή ενός κρυστάλλου - ενός πολύεδρου, η σωστή οργάνωση. Ο αριθμός των ατόμων είναι ζυγός. Η πιο διάσημη μορφή φουλερενίου είναι το С₆₀. Δείγματα παρόμοιας ουσίας βρέθηκαν κατά τη διάρκεια της έρευνας:

• μετεωρίτες;
• κάτω ιζήματα;
• folgurite;
• shungite;
• εξώτερο διάστημα, όπου περιέχεται με τη μορφή αερίων.

Όλες οι ποικιλίες κρυσταλλικού άνθρακα έχουν μεγάλη πρακτική σημασία, καθώς έχουν μια σειρά από ιδιότητες χρήσιμες στη μηχανική.

Αντιδραστικότητα

Ο μοριακός άνθρακας παρουσιάζει χαμηλή αντιδραστικότητα λόγω της σταθερής διαμόρφωσής του. Μπορεί να αναγκαστεί να εισέλθει σε αντιδράσεις μόνο μεταδίδοντας πρόσθετη ενέργεια στο άτομο και αναγκάζοντας τα ηλεκτρόνια του εξωτερικού επιπέδου να εξατμιστούν. Σε αυτό το σημείο, το σθένος γίνεται 4. Επομένως, στις ενώσεις, έχει κατάσταση οξείδωσης + 2, + 4, - 4.

Πρακτικά όλες οι αντιδράσεις με απλές ουσίες, τόσο μέταλλα όσο και μη μέταλλα, πραγματοποιούνται υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών. Το εν λόγω στοιχείο μπορεί να είναι και ένας οξειδωτικός και ένας αναγωγικός παράγοντας. Ωστόσο, οι τελευταίες ιδιότητες είναι ιδιαίτερα έντονες σε αυτό, και αυτή είναι η βάση για τη χρήση του στη μεταλλουργική και άλλες βιομηχανίες.

Γενικά, η ικανότητα εισόδου σε χημική αλληλεπίδραση εξαρτάται από τρεις παράγοντες:

• διασπορά άνθρακα;
• αλλοτροπική τροποποίηση;
• θερμοκρασία αντίδρασης.

Έτσι, σε ορισμένες περιπτώσεις υπάρχει αλληλεπίδραση με τα ακόλουθαουσίες:

• μη μέταλλα (υδρογόνο, οξυγόνο);
• μέταλλα (αλουμίνιο, σίδηρος, ασβέστιο και άλλα);
• οξείδια μετάλλων και τα άλατά τους.

Δεν αντιδρά με οξέα και αλκάλια, πολύ σπάνια με αλογόνα. Η πιο σημαντική από τις ιδιότητες του άνθρακα είναι η ικανότητα να σχηματίζει μακριές αλυσίδες μεταξύ τους. Μπορούν να κλείσουν σε έναν κύκλο, να σχηματίσουν κλαδιά. Έτσι σχηματίζεται οργανικές ενώσεις, που σήμερα ανέρχονται σε εκατομμύρια. Η βάση αυτών των ενώσεων είναι δύο στοιχεία - άνθρακας, υδρογόνο. Μπορούν επίσης να περιλαμβάνονται και άλλα άτομα: οξυγόνο, άζωτο, θείο, αλογόνα, φώσφορος, μέταλλα και άλλα.

Κύριες ενώσεις και τα χαρακτηριστικά τους

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές ενώσεις που περιέχουν άνθρακα. Η φόρμουλα των πιο διάσημων από αυτά είναι CO₂ - διοξείδιο του άνθρακα. Ωστόσο, εκτός από αυτό το οξείδιο, υπάρχει επίσης το μονοξείδιο του CO ή το μονοξείδιο του άνθρακα, καθώς και το υποοξείδιο C₃O₂.

Μεταξύ των αλάτων που περιέχουν αυτό το στοιχείο, τα πιο κοινά είναι το ανθρακικό ασβέστιο και το μαγνήσιο. Έτσι, το ανθρακικό ασβέστιο έχει πολλά συνώνυμα στο όνομα, καθώς εμφανίζεται στη φύση με τη μορφή:

• κιμωλία;
• μάρμαρο;
• ασβεστόλιθος;
• δολομίτης.

Η σημασία των ανθρακικών μετάλλων αλκαλικών γαιών εκδηλώνεται στο γεγονός ότι συμμετέχουν ενεργά στον σχηματισμό σταλακτιτών και σταλαγμιτών, καθώς και των υπόγειων υδάτων.

Το ανθρακικό οξύ είναι μια άλλη ένωση που σχηματίζει άνθρακα. Η φόρμουλα του είναιH₂CO₃. Ωστόσο, στη συνηθισμένη του μορφή, είναι εξαιρετικά ασταθής και αμέσως αποσυντίθεται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό σε διάλυμα. Ως εκ τούτου, μόνο τα άλατά του είναι γνωστά, και όχι η ίδια, ως διάλυμα.

Αλογονίδια άνθρακα - λαμβάνονται κυρίως έμμεσα, αφού η άμεση σύνθεση πραγματοποιείται μόνο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και με χαμηλή απόδοση του προϊόντος. Ένα από τα πιο κοινά - CCL₄ - τετραχλωράνθρακας. Μια τοξική ένωση που μπορεί να προκαλέσει δηλητηρίαση εάν εισπνευστεί. Λήφθηκε από αντιδράσεις ριζικής φωτοχημικής υποκατάστασης ατόμων υδρογόνου σε μεθάνιο.

Τα καρβίδια μετάλλων είναι ενώσεις άνθρακα στις οποίες εμφανίζει κατάσταση οξείδωσης 4. Είναι επίσης δυνατή η ύπαρξη συσχετισμών με το βόριο και το πυρίτιο. Η κύρια ιδιότητα των καρβιδίων ορισμένων μετάλλων (αλουμίνιο, βολφράμιο, τιτάνιο, νιόβιο, ταντάλιο, άφνιο) είναι η υψηλή αντοχή και η εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Το καρβίδιο του βορίου В₄С είναι μία από τις πιο σκληρές ουσίες μετά το διαμάντι (9,5 σύμφωνα με τον Mohs). Αυτές οι ενώσεις χρησιμοποιούνται στη μηχανική, καθώς και στη χημική βιομηχανία, ως πηγές για την παραγωγή υδρογονανθράκων (το καρβίδιο του ασβεστίου με νερό οδηγεί στον σχηματισμό ακετυλενίου και υδροξειδίου του ασβεστίου).

Πολλά κράματα μετάλλων κατασκευάζονται με χρήση άνθρακα, αυξάνοντας έτσι σημαντικά την ποιότητα και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους (ο χάλυβας είναι ένα κράμα σιδήρου και άνθρακα).

Αξίζει ιδιαίτερη προσοχή πολλές οργανικές ενώσεις άνθρακα, στις οποίες είναι ένα θεμελιώδες στοιχείο ικανό να συνδυάζεται με τα ίδια άτομα σε μακριές αλυσίδες διαφόρων δομών. Αυτά περιλαμβάνουν:

• αλκάνια;
• αλκένια;
• arenas;
• πρωτεΐνες;
• υδατάνθρακες;
• νουκλεϊκά οξέα;
• αλκοόλ;
• καρβοξυλικά οξέα και πολλές άλλες κατηγορίες ουσιών.

Χρήση άνθρακα

Η σημασία των ενώσεων άνθρακα και των αλλοτροπικών τροποποιήσεών τους στην ανθρώπινη ζωή είναι πολύ υψηλή. Μπορείτε να αναφέρετε μερικές από τις πιο παγκόσμιες βιομηχανίες για να καταστήσετε σαφές ότι αυτό είναι αλήθεια.

1. Αυτό το στοιχείο σχηματίζει όλους τους τύπους ορυκτών καυσίμων από τα οποία ένα άτομο λαμβάνει ενέργεια.
2. Η μεταλλουργική βιομηχανία χρησιμοποιεί άνθρακα ως τον ισχυρότερο αναγωγικό παράγοντα για τη λήψη μετάλλων από τις ενώσεις τους. Τα ανθρακικά χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως εδώ.
3. Οι κατασκευές και η χημική βιομηχανία καταναλώνουν τεράστιες ποσότητες ενώσεων άνθρακα για να συνθέσουν νέες ουσίες και να αποκτήσουν τα απαραίτητα προϊόντα.

Μπορείτε επίσης να ονομάσετε τομείς της οικονομίας όπως:

• πυρηνική βιομηχανία;
• κοσμήματα;
• τεχνικός εξοπλισμός (λιπαντικά, ανθεκτικά στη θερμότητα χωνευτήρια, μολύβια, κ.λπ.);
• προσδιορισμός της γεωλογικής ηλικίας των πετρωμάτων - ραδιενεργός ιχνηθέτης ¹⁴С;

Το

• carbon είναι ένα εξαιρετικό προσροφητικό, που το καθιστά κατάλληλο για την κατασκευή φίλτρων.

Κυκλοφορία στη φύση

Η μάζα του άνθρακα που βρίσκεται στη φύση περιλαμβάνεται σε έναν σταθερό κύκλο που περιστρέφεται κάθε δευτερόλεπτο σε όλο τον κόσμο. Έτσι, η ατμοσφαιρική πηγή άνθρακα - CO₂, απορροφάταιφυτών και απελευθερώνεται από όλα τα έμβια όντα στη διαδικασία της αναπνοής. Μόλις μπει στην ατμόσφαιρα, απορροφάται ξανά και έτσι ο κύκλος δεν σταματά. Ταυτόχρονα, ο θάνατος των οργανικών υπολειμμάτων οδηγεί στην απελευθέρωση άνθρακα και τη συσσώρευσή του στη γη, από όπου στη συνέχεια απορροφάται ξανά από ζωντανούς οργανισμούς και απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα με τη μορφή αερίου.