Ugljik je atom ugljika. Masa ugljika

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 05:28

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

Kasnije je to praktički potvrđeno. Postalo je poznato da je to glavni biogeni element našeg planeta, koji je dio apsolutno svih živih bića. Osim toga, sposoban postojati u oblicima koji su radikalno različiti u svim aspektima, ali se u isto vrijeme sastoje samo od atoma ugljika.

Općenito, ova struktura ima mnogo značajki, a mi ćemo se s njima pokušati pozabaviti tijekom članka.

Ugljik: formula i položaj u sustavu elemenata

U periodnom sustavu, element ugljik nalazi se u IV (prema novom modelu u 14) skupini, glavnoj podskupini. Njegov serijski 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 ugljik. Stoga je njegova formula drugačija i ovisi o specifičnoj izmjeni.

Međutim, za pisanje jednadžbi reakcija, notacija je specifična,naravno imati. Općenito, kada se govori o tvari u njenom čistom obliku, usvaja se molekularna formula ugljika C, bez indeksiranja.

Povijest otkrivanja elemenata

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

Osim 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:

• srebrni olovo;
• željezni karbid;
• molibden sulfid.

Sve su bile obojene u crno i stoga su se smatrale grafitnim. Kasnije je ovaj nesporazum razjašnjen i ovaj oblik ugljika postao je sam.

Od 1725. godine dijamanti su od velike komercijalne važnosti, a 1970. godine savladana je tehnologija umjetnog dobivanja. Od 1779. godine, zahvaljujući radu Karla Scheelea, proučavaju se kemijska svojstva koja ugljik pokazuje. To je bio početak niza važnih otkrića u području ovog elementa i postao je temelj za otkrivanje svih njegovih najjedinstvenijih značajki.

Izotopi ugljika i distribucija u prirodi

Unatoč činjenici da je predmetni element jedan od najvažnijih biogenih, njegov ukupni sadržaj u masi zemljine kore iznosi 0,15%. To je zbog činjenice da je podvrgnut stalnoj cirkulaciji, prirodnom ciklusu u prirodi.

Općenito, postoji nekolikomineralnih spojeva koji sadrže ugljik. To su prirodne pasmine kao što su:

• dolomiti i vapnenci;
• antracit;
• uljni škriljevac;
• prirodni plin;
• ugljen;
• ulje;
• lignit;
• treset;
• bitumen.

Osim ovoga, ne treba zaboraviti ni živa bića, koja su samo skladište ugljikovih spojeva. Uostalom, oni su formirali proteine, masti, ugljikohidrate, nukleinske kiseline, što znači najvitalnije strukturne molekule. Općenito, u pretvorbi 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 sastav zraka i vode, odnosno hidrosferu u cjelini i atmosferu, tada postoji mješavina ugljik-kisik, izražena formulom CO_{2. Dioksid ili ugljični dioksid jedan je od glavnih plinova koji čine zrak. Upravo u tom obliku maseni udio ugljika iznosi 0,046%. Još više ugljičnog dioksida otopljeno je u vodama oceana.}

Atomska masa ugljika kao elementa je 12,011. Poznato je da se ta vrijednost izračunava kao aritmetički prosjek između atomskih težina svih izotopskih vrsta koje postoje u prirodi, uzimajući u obzir njihovu rasprostranjenost (u postotku). To vrijedi i za predmetnu tvar. Postoje tri glavna izotopa u kojima se nalazi ugljik. Ovo je:

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

U praksi određivanja geokronološke starosti uzoraka široko se koristi radioaktivni izotop ¹⁴S, što je pokazatelj zbog dugog razdoblja raspadanja.

Alotropske modifikacije elementa

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

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

• dijamanti;
• fullereni;
• grafiti;
• karabini;
• lonsdaleites;
• ugljična vlakna i cijevi.

Sve se razlikuju po strukturi kristalne rešetke, u čijim se čvorovima nalazi atom ugljika. Otuda potpuno jedinstvena, različita svojstva, fizička i kemijska.

2. Amorfni oblici - formirani su od atoma ugljika, koji je dio nekih prirodnih spojeva. To jest, to nisu čiste sorte, već s nečistoćama drugih elemenata u malim količinama. Ova grupa uključuje:

• aktivni ugljen;
• kamen i drvo;
• čađa;
• ugljična nanopjena;
• antracit;
• stakleni ugljik;
• tehnička vrsta tvari.

Ujedinjuju ih i značajkestrukture kristalne rešetke, objašnjavanje i očitovanje svojstava.

3. Spojevi ugljika u obliku klastera. Takva struktura u kojoj su atomi zatvoreni u posebnu konformaciju šupljinu iznutra, ispunjenu vodom ili jezgrama drugih elemenata. Primjeri:

• ugljični nanokonusi;
• astralens;
• dikarbonat.

Fizička svojstva amorfnog ugljika

Zbog širokog spektra alotropskih modifikacija, teško je identificirati bilo koja uobičajena fizička svojstva za ugljik. Lakše je govoriti o određenom obliku. Na primjer, amorfni ugljik ima sljedeće karakteristike.

1. U srcu svih oblika su fino-kristalne vrste grafita.
2. Visoki toplinski kapacitet.
3. Dobra vodljiva svojstva.
4. Gustoća ugljika je oko 2 g/cm³.
5. Kada se zagrije iznad 1600 ⁰C, dolazi do prijelaza u grafitne oblike.

Sorte čađe, drvenog ugljena i kamena naširoko se koriste u industrijske 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 tvori pravilne kristale raznih vrsta, gdje su atomi povezani u seriju. Kao rezultat, formiraju se sljedeće modifikacije.

1. Dijamant. Struktura je kubična, u kojoj su spojena četiri tetraedra. Kao rezultat, sve kovalentne kemijske veze svakog atomamaksimalno zasićen i postojan. Ovo objašnjava fizička svojstva: gustoća ugljika je 3300 kg/m³. Visoka tvrdoća, mali toplinski kapacitet, nedostatak električne vodljivosti - sve je to rezultat strukture kristalne rešetke. Postoje tehnički dobiveni dijamanti. Nastaju tijekom prijelaza grafita u sljedeću modifikaciju pod utjecajem visoke temperature i određenog tlaka. Općenito, točka taljenja dijamanta je visoka kao i čvrstoća - oko 3500 ⁰C.
2. Grafit. Atomi su raspoređeni slično strukturi prethodne tvari, međutim, samo su tri veze zasićene, a četvrta postaje duža i manje jaka, povezuje "slojeve" šesterokutnih prstenova rešetke. Kao rezultat toga, ispada da je grafit mekana, masna crna tvar na dodir. Ima dobru električnu vodljivost i visoku točku taljenja - 3525 ⁰C. Sposoban za sublimaciju - sublimacija iz čvrstog u plinovito stanje, zaobilazeći tekuće stanje (na temperaturi od 3700 ⁰S). Gustoća ugljika je 2,26 g/cm^3, što je mnogo niže od gustoće dijamanta. To objašnjava njihova različita svojstva. Zbog slojevite strukture kristalne rešetke moguće je koristiti grafit za izradu olovke. Kada se prevuče preko papira, pahuljice se ljušte i ostavljaju crni trag na papiru.
3. Fulereni. Otvoreni su tek 80-ih godina prošlog stoljeća. To su modifikacije u kojima su ugljici međusobno povezani u posebnu konveksnu zatvorenu strukturu, koja ima u središtupraznina. I oblik kristala - poliedar, ispravna organizacija. Broj atoma je paran. Najpoznatiji oblik fulerena je S₆₀. Tijekom istraživanja pronađeni su uzorci slične tvari:

• meteoriti;
• donji sedimenti;
• folgurite;
• shungite;
• vanjski prostor, gdje se nalazi u obliku plinova.

Sve vrste kristalnog ugljika od velike su praktične važnosti, budući da imaju niz svojstava korisnih u inženjerstvu.

Reaktivnost

Molekularni ugljik pokazuje nisku reaktivnost zbog svoje stabilne konfiguracije. Može se natjerati da uđe u reakcije samo dodavanjem dodatne energije atomu i prisiljavanjem elektrona vanjske razine da ispare. U ovom trenutku, valencija postaje 4. Stoga u spojevima ima oksidacijsko stanje od + 2, + 4, - 4.

Praktično sve reakcije s jednostavnim tvarima, i metalima i nemetalima, odvijaju se pod utjecajem visokih temperatura. Dotični element može biti i oksidacijski i redukcijski agens. No, potonja svojstva u njemu su posebno izražena, a to je osnova za njegovu primjenu u metalurškoj i drugim industrijama.

Općenito, sposobnost ulaska u kemijsku interakciju ovisi o tri čimbenika:

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

Dakle, u nekim slučajevima postoji interakcija sa sljedećimtvari:

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

Ne reagira s kiselinama i lužinama, vrlo rijetko s halogenima. Najvažnije od svojstava ugljika je sposobnost međusobnog stvaranja dugih lanaca. Mogu se zatvoriti u ciklusu, formirati grane. Tako nastaje stvaranje organskih spojeva, kojih se danas broji u milijunima. Osnova ovih spojeva su dva elementa - ugljik, vodik. Mogu se uključiti i drugi atomi: kisik, dušik, sumpor, halogeni, fosfor, metali i drugi.

Glavni spojevi i njihove karakteristike

Postoji mnogo različitih spojeva koji sadrže ugljik. Formula najpoznatijeg od njih je CO₂ - ugljični dioksid. No, osim ovog oksida, postoji i CO - monoksid ili ugljični monoksid, kao i suboksid C₃O₂.

Među solima koje sadrže ovaj element, najčešći su kalcijevi i magnezijevi karbonati. Dakle, kalcijev karbonat ima nekoliko sinonima u nazivu, budući da se u prirodi javlja u obliku:

• kreda;
• mramor;
• vapnenac;
• dolomit.

Važnost karbonata zemnoalkalijskih metala očituje se u činjenici da su oni aktivni sudionici u stvaranju stalaktita i stalagmita, kao i podzemnih voda.

Ugljična kiselina je još jedan spoj koji tvori ugljik. Njegova formula jeH₂CO₃. Međutim, u svom uobičajenom obliku, izrazito je nestabilan i odmah se razgrađuje na ugljični dioksid i vodu u otopini. Stoga su poznate samo njegove soli, a ne ona sama, kao otopina.

Ugljični halogenidi - dobivaju se uglavnom neizravno, budući da se izravna sinteza odvija samo na vrlo visokim temperaturama i s niskim prinosom proizvoda. Jedan od najčešćih - CCL₄ - ugljični tetraklorid. Toksičan spoj koji može uzrokovati trovanje ako se udiše. Dobiva se reakcijama radikalne fotokemijske supstitucije atoma vodika u metanu.

Metalni karbidi su spojevi ugljika u kojima pokazuje oksidacijsko stanje 4. Moguće je i postojanje povezanosti s borom i silicijem. Glavno svojstvo karbida nekih metala (aluminij, volfram, titan, niobij, tantal, hafnij) je visoka čvrstoća i izvrsna električna vodljivost. Borov karbid V₄S jedna je od najtvrđih tvari nakon dijamanta (9,5 prema Mohsu). Ovi spojevi se koriste u strojarstvu, kao i u kemijskoj industriji, kao izvori za proizvodnju ugljikovodika (kalcijev karbid s vodom dovodi do stvaranja acetilena i kalcijevog hidroksida).

Mnoge metalne legure izrađene su korištenjem ugljika, čime se značajno povećava njihova kvaliteta i tehničke karakteristike (čelik je legura željeza i ugljika).

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

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

Upotreba ugljika

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

1. Ovaj element tvori sve vrste fosilnih goriva iz kojih osoba dobiva energiju.
2. Metalurška industrija koristi ugljik kao najjače redukcijsko sredstvo za dobivanje metala iz njihovih spojeva. Karbonati se također naširoko koriste ovdje.
3. Građevinarstvo i kemijska industrija troše ogromne količine ugljičnih spojeva kako bi sintetizirale nove tvari i dobile potrebne proizvode.

Takve sektore gospodarstva možete imenovati kao:

• nuklearna industrija;
• nakit;
• tehnička oprema (maziva, lonci otporni na toplinu, olovke, itd.);
• određivanje geološke starosti stijena - radioaktivni tragač ¹⁴S;
• ugljik je izvrstan adsorbens, što ga čini pogodnim za izradu filtera.

Krug u prirodi

Masa ugljika pronađena u prirodi uključena je u stalni ciklus koji svake sekunde kruži oko svijeta. Tako se atmosferski izvor ugljika - CO₂, apsorbirabiljke i oslobađaju ga sva živa bića u procesu disanja. Jednom u atmosferi, ponovno se apsorbira i tako se ciklus ne zaustavlja. U isto vrijeme, smrt organskih ostataka dovodi do oslobađanja ugljika i njegovog nakupljanja u zemlji, odakle ga opet apsorbiraju živi organizmi i ispuštaju u atmosferu u obliku plina.