ВЪГЛЕРОД: СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧАВАНЕ, УПОТРЕБИ - ХИМИЯ - 2025

На въглерод е не - метален химичен елемент, чиято химична символ е С името въглища, растителни или минерални, където неговите атоми определят различни структури. Много автори го определят като Краля на елементите, тъй като образува широк спектър от органични и неорганични съединения, а също така се среща в значителен брой алотропи.

И ако това не е достатъчно, за да го посочите като специален елемент, то се намира във всички живи същества; всичките му биомолекули дължат съществуването си на стабилността и здравината на СК връзките и високата им склонност към свързване. Въглеродът е елементът на живота и с неговите атоми са изградени телата им.

Дървесината на дърветата е съставена главно от въглехидрати, едно от многото съединения, богати на въглерод. Източник: Pexels

Органичните съединения, с които се изграждат биоматериали, на практика се състоят от въглеродни скелети и хетероатоми. Те могат да се видят с просто око в гората на дърветата; а също и когато мълния ги удря и пече. Останалото инертно черно твърдо вещество също има въглерод; но е въглен.

По този начин има "мъртви" прояви на този елемент: дървени въглища, продукт на горене в бедни на кислород среди; и минерални въглища, продукт на геоложки процеси. И двете твърди частици си приличат, черни са и те изгарят, за да генерират топлина и енергия; макар и с различни добиви.

От този момент нататък въглеродът е 15-ият най-изобилен елемент в земната кора. Нищо чудно, когато се произвеждат милиони тонове въглища годишно. Тези минерали се различават по свойствата си в зависимост от степента на примеси, поставяйки антрацит като най-висококачествените минерални въглища.

Земната кора не е богата само на минерални въглища, но и на карбонати, особено варовик и доломити. А по отношение на Вселената, тя е четвъртият най-изобилен елемент; Искам да кажа, че има повече въглерод на други планети.

Въглеродна история

ретроспекция

Въглеродът може да е толкова стар, колкото самата земна кора. От незапомнени времена древните цивилизации са се сблъсквали с този елемент в многобройните си естествени представяния: сажди, дървени въглища, дървени въглища или дървени въглища, диаманти, графит, въглищен катран, антрацит и др.

Всички тези твърди вещества, въпреки че те споделяха тъмните тонове (с изключение на диаманта), останалата част от физическите им свойства, както и техният състав, се различаваха забележително. Тогава беше невъзможно да се твърди, че те по същество се състоят от въглеродни атоми.

Така в историята въглищата са били класифицирани според качеството си в момента на изгаряне и осигуряване на топлина. А с газовете, образувани при неговото изгаряне, водните маси се нагряват, което от своя страна произвежда пари, които движат турбини, които генерират електрически ток.

Въглеродът по неподозиран начин присъства в дървени въглища, произведени от изгаряне на дървета в затворени или херметични пространства; в графита, с който са направени моливите; в диаманти, използвани като скъпоценни камъни; той отговаряше за твърдостта на стоманата.

Историята му върви ръка за ръка с дърва, барут, газове за градско осветление, влакове и кораби, бира, смазочни материали и други основни предмети за напредъка на човечеството.

признаване

В кой момент учените са успели да свържат алотропите и минералите на въглерода със същия елемент? Въглищата се разглеждаха като минерал и не се смяташе за химичен елемент, достоен за периодичната таблица. Първата стъпка трябваше да бъде да се покаже, че всички тези твърди вещества се трансформират в един и същ газ: въглероден диоксид, CO ₂.

Антоан Лавоазие през 1772 г., използвайки дървена рамка с големи лещи, фокусира слънчевите лъчи върху проби от дървени въглища и диамант. Той откри, че нито един от двамата не образува водни пари, а CO ₂. Той направи същото със саждите и получи същите резултати.

Карл Вилхелм Шеле през 1779 г. откри химическата връзка между въглен и графит; т. е. и двете твърди частици са съставени от едни и същи атоми.

Смитсън Тенант и Уилям Хайд Уоластън през 1797 г. методологически провериха (чрез реакции), че диамантът всъщност е съставен от въглерод чрез получаване на CO ₂ при неговото изгаряне.

С тези резултати светлината скоро се хвърля върху графит и диамант, твърди частици, образувани от въглерод и следователно с висока чистота; за разлика от нечистите твърди частици от въглища и други въглеродни минерали.

Имоти

Физичните или химичните свойства, открити в твърди вещества, минерали или въглеродни материали, са обект на много променливи. Сред тях са: съставът или степента на примеси, хибридизациите на въглеродните атоми, многообразието на структурите и морфологията или размера на порите.

Когато описват свойствата на въглерода, повечето текстове или библиографски източници се основават на графит и диамант.

Защо? Тъй като те са най-известните алотропи за този елемент и представляват твърди частици или материали с висока чистота; тоест, те на практика са направени от нищо повече от въглеродни атоми (макар и с различни структури, както ще бъде обяснено в следващия раздел).

Свойствата на въглен и минерални въглища се различават съответно по произход или състав. Например, лигнитът (нисковъглеродният) като гориво пълзи в сравнение с антрацит (високо въглероден). А какво ще кажете за другите алотропи: нанотръби, фулерени, графени, графини и т.н.

Химически обаче имат една обща точка: те се окисляват с излишък на кислород в CO ₂:

C + O ₂ => CO ₂

Сега скоростта или температурата, от които се нуждаят, за да се окисляват, са специфични за всеки от тези алотропи.

Графит срещу диамант

Тук ще бъде направен и кратък коментар по отношение на много различни свойства за тези два алотропа:

Таблица, в която се сравняват някои свойства на двата кристални алотропа на въглерода. Източник: Габриел Боливар.

Структура и електронна конфигурация

Хибридизации

Връзка между хибридни орбитали и възможни структури за въглерод. Източник: Габриел Боливар.

Електронната конфигурация за въглеродния атом е 1s ² 2s ² 2p ², също изписана като 2s ² 2p ² (горно изображение). Това представяне съответства на неговото основно състояние: въглеродният атом се изолира и суспендира в такъв вакуум, че не може да взаимодейства с другите.

Вижда се, че на една от 2p орбиталите му липсват електрони, което приема електрон от орбитала с по-ниска енергия 2s чрез електронно промотиране; и по този начин атомът придобива способността да образува до четири ковалентни връзки чрез четирите си хибридни орбитали sp ³.

Обърнете внимание, че и четирите sp ³ орбитали са енергийно изродени (подравнени на едно и също ниво). Чистите p орбитали са по-енергични, поради което се поставят над другите хибридни орбитали (вдясно от изображението).

Ако има три хибридни орбитали, това е така, защото остава една нехибридизирана p орбитала; следователно, те са три sp ² орбитали. И когато има две от тези хибридни орбитали, на разположение са две р орбитали, за да образуват двойни или тройни връзки, като хибридизацията на въглерода sp.

Такива електронни аспекти са от съществено значение за разбирането защо въглеродът може да бъде намерен в безкрайността на алотропи.

Окислителни числа

Преди да продължите със структурите, заслужава да се отбележи, че като се има предвид електронната конфигурация на валентност 2s ² 2p ², въглеродът може да има следните окислителни числа: +4, +2, 0, -2 и -4.

Защо? Тези числа съответстват на предположението, че има йонна връзка, така че да образувате йони със съответните заряди; това е, C ⁴⁺, С ²⁺, С ⁰ (нула), С ^2- и С ^4-.

За да може въглеродът да има положително окислително число, той трябва да загуби електрони; И за да го направите, задължително трябва да бъде свързан към много електронегативни атоми (като кислород).

Междувременно, за да има отрицателен окислителен брой въглерод, той трябва да придобие електрони, като се свърже към метални атоми или по-малко електроотрицателен от него (като водород).

Първото окислително число, +4, означава, че въглеродът е загубил всички валентни електрони; орбиталите 2s и 2p остават празни. Ако орбиталата 2p загуби двата си електрона, въглеродът ще има окислително число +2; ако спечелите два електрона, ще имате -2; и ако спечелите още два електрона, като попълните валентния си октет, -4.

Примери

Например, за CO ₂ окислителният брой на въглерода е +4 (тъй като кислородът е по-електроотрицателен); докато за СН ₄ той е -4 (защото водородът е по-малко електроотрицателен).

За CH ₃ OH, степента на окисление на въглероден е -2 (1 за Н и -2 О); докато за HCOOH е +2 (проверете дали сумата дава 0).

Други окислителни състояния, като -3 и +3, също са вероятни, особено когато става дума за органични молекули; например, в метилови групи, -СН ₃.

Молекулярни геометрии

Горното изображение показва не само хибридизацията на орбиталите за въглеродния атом, но и получените молекулни геометрии, когато няколко атома (черни сфери) са свързани с централна. Този централен атом, за да има специфична геометрична среда в космоса, трябва да има съответната химическа хибридизация, която го позволява.

Например, за тетраедъра централната въглерод има SP ³ хибридизация; защото такава е най-стабилната подредба за четирите хибридни орбитали sp ³. В случай на sp ² въглерод, те могат да образуват двойни връзки и имат тригонална равнинна среда; и така тези триъгълници определят перфектен шестоъгълник. И за sp хибридизация, въглеродните въвеждат линейна геометрия.

Така геометриите, наблюдавани в структурите на всички алотропи, се управляват просто от тетраедри (sp ³), шестоъгълници или петоъгълници (sp ²) и линии (sp).

Tetrahedra определят 3D структура, докато шестоъгълници, петоъгълници и линии, 3D или 2D структури; Последните са равнините или листовете, подобни на стените на пчелните пити:

Стена с шестоъгълни конструкции на пчелна пита по аналогия с равнини, съставени от sp2 въглерод. Източник: Pixabay

И ако сгънем тази шестоъгълна стена (петоъгълна или смесена), ще получим тръба (нанотръби) или топка (фулерени) или друга фигура. Взаимодействията между тези фигури пораждат различни морфологии.

Аморфни или кристални твърди вещества

Оставяйки настрана геометриите, хибридизациите или морфологиите на възможните структури от въглерод, неговите твърди частици могат да бъдат класифицирани глобално в два вида: аморфни или кристални. И между тези две класификации се разпределят техните алотропи.

Аморфният въглерод е просто този, който представя произволна смес от тетраедри, шестоъгълници или линии, неспособни да установят структурен модел; такъв е случаят с въглища, дървени въглища или активен въглен, кокс, сажди и др.

Докато кристалният въглерод се състои от структурни модели, съставени от която и да е от предложените геометрии; например диамант (триизмерна мрежа от тетраедри) и графит (подредени шестоъгълни листове).

Получаване

Въглеродът може да бъде чист като графит или диамант. Те се намират в съответните им минералогични находища, разпръснати по цялото земно кълбо и в различни страни. Ето защо някои нации са повече износители на един от тези минерали, отколкото други. Накратко, "трябва да копаеш земята", за да получиш въглерода.

Същото се отнася и за минералните въглища и неговите видове. Това обаче не е така с дървени въглища, тъй като тяло, богато на въглерод, първо трябва да „загине“, било под огън, или чрез електрическа светкавица; разбира се, при липса на кислород, в противен случай се отделя CO ₂.

Цяла гора е източник на въглерод като дървени въглища; не само заради дърветата си, но и заради фауната си.

По принцип пробите, съдържащи въглерод, трябва да бъдат подложени на пиролиза (изгаряне при липса на кислород), за да се отделят някои от примесите като газове; и по този начин твърдото вещество, богато на въглерод (аморфен или кристален), остава като остатък.

Приложения

Отново, подобно на свойствата и структурата, употребите или приложенията са в съответствие с алотропите или минералогичните форми на въглерода. Съществуват обаче някои общи положения, които могат да бъдат споменати в допълнение към някои добре известни точки. Такива са:

-Въглеродът се използва от дълго време като минерален редуциращ агент при получаване на чисти метали; например желязо, силиций и фосфор, наред с други.

-Това е крайъгълният камък на живота, а органичната химия и биохимията са изследванията на това отражение.

-Това е било и изкопаемо гориво, което позволи на първите машини да стартират предавките си. По същия начин от него се получава въглероден газ за старите осветителни системи. Въглищата бяха синоним на светлина, топлина и енергия.

-Смесена като добавка с желязо в различни пропорции позволи изобретението и усъвършенстването на стоманите.

-Честият му цвят се е състоял в изкуството, особено графитът и всички писания, направени с неговите линии.

Рискове и предпазни мерки

Въглеродът и неговите твърди вещества не представляват риск за здравето. Кой се е грижил за торба с дървени въглища? Те се продават на колела в рамките на пътеките на някои пазари и докато наблизо няма пожар, черните им блокове няма да изгорят.

Коксът, от друга страна, може да представлява риск, ако съдържанието му на сяра е високо. Когато изгори, той ще отдели серни газове, които освен че са токсични, допринасят за киселинния дъжд. И въпреки че CO ₂ в малки количества не може да ни задуши, той оказва огромно влияние върху околната среда като парникови газове.

От тази гледна точка въглеродът е „дългосрочна“ опасност, тъй като изгарянето му променя климата на нашата планета.

И във по-физически смисъл твърдите или въглеродни материали, ако са прахообразно, лесно се транспортират с въздушни течения; и следователно те се въвеждат директно в белите дробове, което може да ги повреди непоправимо.

За останалото много често се консумира „въглен“, когато се готви някаква храна.

Препратки

1. Morrison, RT и Boyd, R, N. (1987). Органична химия. 5-то издание. Редакция Addison-Wesley Interamericana.
2. Кери Ф. (2008). Органична химия. (Шесто издание). Mc Graw Hill.
3. Греъм Соломон TW, Craig B. Fryhle. (2011 г.). Органична химия. Амини. (10-то издание.) Wiley Plus.
4. Андрю. (2019). Въглерод, неговите алотропи и структури. Възстановена от: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Въглища. Химия обяснено. Възстановена от: chemistryexplained.com
6. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (11 юли 2018 г.). 10 Въглеродни факти (атомно число 6 или С). Възстановено от: thinkco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Какво е въглерод? - Урок за факти и история за деца. Изследване. Възстановено от: study.com
8. Фол. (SF). История на въглерода. Възстановени от: tf.uni-kiel.de