کربن یک اتم کربن است. جرم کربن

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

یکی از شگفت انگیزترین عناصری که می تواند ترکیبات متنوعی از طبیعت آلی و معدنی را تشکیل دهد، کربن است. این عنصر از نظر خصوصیات آنقدر غیرمعمول است که حتی مندلیف آینده بزرگی را برای آن پیش بینی کرد و در مورد ویژگی هایی صحبت کرد که هنوز فاش نشده اند.

بعداً عملاً تأیید شد. مشخص شد که این عنصر اصلی بیوژنیک سیاره ما است که بخشی از مطلق همه موجودات زنده است. علاوه بر این، می تواند در اشکالی وجود داشته باشد که از همه جهات کاملاً متفاوت است، اما در عین حال فقط از اتم های کربن تشکیل شده است.

به طور کلی این ساختار ویژگی های زیادی دارد که در ادامه مقاله سعی می کنیم به آنها بپردازیم.

کربن: فرمول و موقعیت در سیستم عناصر

در سیستم تناوبی، عنصر کربن در گروه IV (طبق مدل جدید در 14)، زیرگروه اصلی قرار دارد. شماره سریال آن 6 و وزن اتمی آن 12.011 است. تعیین عنصر با علامت C نشان دهنده نام آن به لاتین - carboneum است. کربن به اشکال مختلفی وجود دارد. بنابراین فرمول آن متفاوت است و به اصلاح خاص بستگی دارد.

با این حال، برای نوشتن معادلات واکنش، نماد مشخص است،البته دارند به طور کلی، هنگامی که در مورد یک ماده به شکل خالص آن صحبت می شود، فرمول مولکولی کربن C بدون نمایه سازی اتخاذ می شود.

سابقه کشف عنصر

این عنصر خود از دوران باستان شناخته شده است. به هر حال یکی از مهمترین مواد معدنی موجود در طبیعت زغال سنگ است. بنابراین، برای یونانیان باستان، رومی ها و سایر ملیت ها، او یک راز نبود.

در کنار این تنوع، از الماس و گرافیت نیز استفاده می شد. برای مدت طولانی موقعیت های گیج کننده زیادی با دومی وجود داشت، زیرا اغلب، بدون تجزیه و تحلیل ترکیب، از چنین ترکیباتی برای گرافیت استفاده می شد، مانند:

• سرب نقره؛
• کاربید آهن؛
• سولفید مولیبدن.

همه آنها سیاه رنگ شده بودند و بنابراین گرافیت در نظر گرفته می شدند. بعداً این سوء تفاهم برطرف شد و این شکل از کربن خودش شد.

از سال 1725، الماس ها از اهمیت تجاری زیادی برخوردار بوده اند و در سال 1970، فناوری به دست آوردن مصنوعی آنها تسلط یافت. از سال 1779، به لطف کار کارل شیل، خواص شیمیایی که کربن از خود نشان می دهد مورد مطالعه قرار گرفته است. این آغاز یک سری اکتشافات مهم در زمینه این عنصر بود و مبنایی برای کشف تمام ویژگی های منحصر به فرد آن شد.

ایزوتوپ های کربن و توزیع در طبیعت

علیرغم اینکه عنصر مورد بحث یکی از مهمترین عناصر بیوژنیک است، محتوای کل آن در جرم پوسته زمین 0.15٪ است. این به دلیل این واقعیت است که در معرض گردش ثابت است، یک چرخه طبیعی در طبیعت.

به طور کلی، چندین مورد وجود داردترکیبات معدنی حاوی کربن اینها نژادهای طبیعی مانند:

هستند

• دولومیت و سنگ آهک؛
• آنتراسیت;
• شیل نفتی;
• گاز طبیعی؛
• ذغال سنگ;
• روغن;
• زغال سنگ؛
• peat;
• قیر.

علاوه بر این، ما نباید موجودات زنده را که فقط مخزنی از ترکیبات کربن هستند فراموش کنیم. پس از همه، آنها پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات ها، اسیدهای نوکلئیک را تشکیل دادند که به معنای حیاتی ترین مولکول های ساختاری است. به طور کلی، در تبدیل وزن خشک بدن از 70 کیلوگرم، 15 بر روی یک عنصر خالص می افتد. و در مورد هر فردی، بدون ذکر حیوانات، گیاهان و سایر موجودات، همینطور است.

اگر ترکیب هوا و آب، یعنی هیدروسفر به عنوان یک کل و اتمسفر را در نظر بگیریم، مخلوطی از کربن-اکسیژن وجود دارد که با فرمول CO_{2 بیان می شود.. دی اکسید یا دی اکسید کربن یکی از گازهای اصلی تشکیل دهنده هوا است. در این شکل است که کسر جرمی کربن 0.046٪ است. حتی دی اکسید کربن بیشتری در آب اقیانوس ها حل می شود.}

جرم اتمی کربن به عنوان یک عنصر 12.011 است.معلوم است که این مقدار به عنوان میانگین حسابی بین وزن اتمی همه گونه های ایزوتوپی موجود در طبیعت با در نظر گرفتن شیوع آنها (به صورت درصد) محاسبه می شود.). این موضوع در مورد ماده مورد بحث نیز صادق است. سه ایزوتوپ اصلی وجود دارد که کربن در آنها یافت می شود. این است:

• ¹²С - کسر جرمی آن در اکثریت قریب به اتفاق 98.93٪ است؛
• ¹³C -1.07%;
• ¹⁴C - رادیواکتیو، نیمه عمر 5700 سال، ساطع کننده بتا پایدار.

در عمل تعیین سن زمین شناسی نمونه ها، ایزوتوپ رادیواکتیو ¹⁴C به طور گسترده ای استفاده می شود که به دلیل دوره واپاشی طولانی آن یک شاخص است.

اصلاحات آلوتروپیک یک عنصر

کربن عنصری است که به صورت یک ماده ساده به اشکال مختلف وجود دارد. به این معنی که قادر به ایجاد بیشترین تعداد تغییرات آلوتروپیک شناخته شده امروزی است.

1. تغییرات کریستالی - به شکل ساختارهای قوی با شبکه های معمولی از نوع اتمی وجود دارد. این گروه شامل انواعی مانند:

• الماس;
• فولرن;
• گرافیت؛
• کارابین;
• lonsdaleites;
• الیاف و لوله های کربن.

همه آنها در ساختار شبکه کریستالی که در گره های آن یک اتم کربن وجود دارد با هم تفاوت دارند. از این رو خواص کاملاً منحصر به فرد و متفاوت، هم فیزیکی و هم شیمیایی.

2. اشکال آمورف - آنها توسط یک اتم کربن تشکیل می شوند که بخشی از برخی از ترکیبات طبیعی است. یعنی اینها انواع خالص نیستند، بلکه با ناخالصی عناصر دیگر در مقادیر کم هستند. این گروه شامل:

• کربن فعال؛
• سنگ و چوب;
• دوده;
• نانو فوم کربن؛
• آنتراسیت;
• کربن شیشه ای؛
• یک نوع ماده فنی.

آنها همچنین با ویژگی ها متحد شده اندساختارهای شبکه کریستالی، توضیح و آشکارسازی خواص.

3. ترکیبات کربن به شکل خوشه. چنین ساختاری که در آن اتم ها از داخل در یک توخالی ترکیبی خاص بسته شده و با آب یا هسته های عناصر دیگر پر شده اند. مثال:

• نانومخروط کربنی؛
• astralens;
• دی کربن.

خواص فیزیکی کربن آمورف

با توجه به تنوع گسترده تغییرات آلوتروپیک، شناسایی هر گونه ویژگی فیزیکی رایج برای کربن دشوار است. صحبت در مورد یک فرم خاص آسان تر است. به عنوان مثال، کربن آمورف دارای ویژگی های زیر است.

1. در قلب همه اشکال، انواع ریز کریستالی گرافیت وجود دارد.
2. ظرفیت حرارتی بالا.
3. خواص رسانایی خوب.
4. چگالی کربن حدود 2 گرم در سانتی متر است³.
5. وقتی بالای 1600 ⁰C گرم شود، انتقال به اشکال گرافیت رخ می دهد.

دوده، زغال سنگ و انواع سنگ به طور گسترده ای برای اهداف صنعتی استفاده می شود. آنها مظهر اصلاح کربن در شکل خالص آن نیستند، اما آن را در مقادیر بسیار زیاد دارند.

کربن کریستالی

گزینه های مختلفی وجود دارد که در آنها کربن ماده ای است که بلورهای منظمی از انواع مختلف را تشکیل می دهد، جایی که اتم ها به صورت سری به هم متصل می شوند. در نتیجه، تغییرات زیر ایجاد می شود.

1. الماس. ساختار مکعبی است که در آن چهار چهار وجهی به هم متصل شده اند. در نتیجه تمام پیوندهای شیمیایی کووالانسی هر اتمحداکثر اشباع و بادوام این ویژگی‌های فیزیکی را توضیح می‌دهد: چگالی کربن 3300 کیلوگرم در متر مربع است. سختی بالا، ظرفیت حرارتی کم، عدم هدایت الکتریکی - همه اینها نتیجه ساختار شبکه کریستالی است. الماس های فنی به دست آمده وجود دارد. آنها در طول انتقال گرافیت به اصلاح بعدی تحت تأثیر دمای بالا و فشار معین تشکیل می شوند. به طور کلی، نقطه ذوب الماس به اندازه قدرت است - حدود 3500 ⁰C.
2. گرافیت. اتم ها به طور مشابه ساختار ماده قبلی مرتب شده اند، با این حال، تنها سه پیوند اشباع شده است، و چهارمی طولانی تر و ضعیف تر می شود، "لایه های" حلقه های شش ضلعی شبکه را به هم متصل می کند. در نتیجه، معلوم می شود که گرافیت یک ماده سیاه نرم و چرب در لمس است. رسانایی الکتریکی خوبی دارد و نقطه ذوب بالایی دارد - 3525 ⁰C. قابلیت تصعید - تصعید از حالت جامد به حالت گازی با دور زدن حالت مایع (در دمای 3700 ⁰С). چگالی کربن 2.26 گرم در سانتی متر^3، است که بسیار کمتر از چگالی الماس است. این ویژگی های مختلف آنها را توضیح می دهد. با توجه به ساختار لایه ای شبکه کریستالی، امکان استفاده از گرافیت برای ساخت سرب های مدادی وجود دارد. وقتی روی کاغذ بکشید، پوسته ها جدا می شوند و یک علامت سیاه روی کاغذ باقی می مانند.
3. فولرین. آنها فقط در دهه 80 قرن گذشته افتتاح شدند. آنها اصلاحاتی هستند که در آنها کربن ها در یک ساختار بسته محدب خاص که در مرکز آن وجود دارد به هم متصل می شوند.پوچی و شکل یک کریستال - یک چند وجهی، سازمان صحیح. تعداد اتم ها زوج است. معروف ترین شکل فولرن ₆₀ است. نمونه هایی از یک ماده مشابه در طول تحقیق پیدا شد:

• شهاب‌سنگ؛
• رسوبات پایین؛
• folgurite;
• shungite;
• فضای بیرونی که به شکل گازها موجود است.

همه انواع کربن کریستالی از اهمیت عملی زیادی برخوردارند، زیرا دارای تعدادی خواص مفید در مهندسی هستند.

واکنشی

کربن مولکولی به دلیل پیکربندی پایدار خود واکنش پذیری پایینی از خود نشان می دهد. تنها با دادن انرژی اضافی به اتم و وادار کردن الکترون‌های سطح بیرونی به تبخیر، می‌توان آن را مجبور کرد وارد واکنش‌ها شود. در این مرحله، ظرفیت 4 می شود. بنابراین، در ترکیبات، حالت اکسیداسیون + 2، + 4، - 4 دارد.

عملاً همه واکنش‌ها با مواد ساده، اعم از فلزات و غیرفلزات، تحت تأثیر دمای بالا انجام می‌شوند. عنصر مورد نظر می تواند هم یک عامل اکسید کننده و هم یک عامل کاهنده باشد. با این حال، خواص اخیر به ویژه در آن برجسته است، و این اساس استفاده از آن در صنایع متالورژی و سایر صنایع است.

به طور کلی، توانایی وارد شدن به فعل و انفعالات شیمیایی به سه عامل بستگی دارد:

• پراکندگی کربن؛
• اصلاح آلوتروپیک؛
• دمای واکنش.

بنابراین، در برخی موارد با موارد زیر تعامل وجود داردمواد:

• غیر فلزات (هیدروژن، اکسیژن)؛
• فلزات (آلومینیوم، آهن، کلسیم و غیره)؛
• اکسیدهای فلزات و نمکهای آنها.

با اسیدها و قلیاها واکنش نمی دهد، به ندرت با هالوژن ها. مهمترین ویژگی کربن توانایی تشکیل زنجیرهای بلند با یکدیگر است. آنها می توانند در یک چرخه بسته شوند، شاخه ها را تشکیل دهند. این نحوه تشکیل ترکیبات آلی است که امروزه به میلیون ها نفر می رسد. اساس این ترکیبات دو عنصر است - کربن، هیدروژن. سایر اتم ها نیز ممکن است شامل شوند: اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن، فسفر، فلزات و غیره.

ترکیبات اصلی و خصوصیات آنها

ترکیبات مختلفی که حاوی کربن هستند وجود دارد. فرمول معروف ترین آنها CO₂ - دی اکسید کربن است. با این حال، علاوه بر این اکسید، CO - مونوکسید یا مونوکسید کربن و همچنین سابوکسید C₃O₂ نیز وجود دارد.

در میان نمک های حاوی این عنصر، رایج ترین کربنات کلسیم و منیزیم است. بنابراین، کربنات کلسیم چندین مترادف در نام دارد، زیرا در طبیعت به شکل زیر وجود دارد:

• گچ;
• مرمر;
• سنگ آهک؛
• دولومیت.

اهمیت کربنات های فلزات قلیایی خاکی در این واقعیت آشکار می شود که آنها در تشکیل استالاکتیت ها و استالاگمیت ها و همچنین آب های زیرزمینی مشارکت فعال دارند.

کربنیک اسید ترکیب دیگری است که کربن را تشکیل می دهد. فرمول آن استH₂CO₃. با این حال، در شکل معمول خود، بسیار ناپایدار است و بلافاصله به دی اکسید کربن و آب در محلول تجزیه می شود. بنابراین، تنها املاح آن شناخته شده است و نه خودش به عنوان محلول.

کربن هالیدها - عمدتاً به طور غیرمستقیم به دست می آیند، زیرا سنتز مستقیم فقط در دماهای بسیار بالا و با بازده کم محصول انجام می شود. یکی از رایج ترین - CCL₄ - تتراکلرید کربن. یک ترکیب سمی که در صورت استنشاق می تواند باعث مسمومیت شود. با واکنش های جایگزینی فتوشیمیایی رادیکال اتم های هیدروژن در متان به دست می آید.

کاربیدهای فلزی ترکیبات کربنی هستند که در آنها حالت اکسیداسیون 4 را نشان می دهد. وجود ارتباط با بور و سیلیکون نیز امکان پذیر است. خاصیت اصلی کاربیدهای برخی از فلزات (آلومینیوم، تنگستن، تیتانیوم، نیوبیم، تانتالم، هافنیوم) استحکام بالا و هدایت الکتریکی عالی است. کاربید بور ₄С یکی از سخت ترین مواد بعد از الماس است (9.5 طبق گفته Mohs). این ترکیبات در مهندسی و همچنین در صنایع شیمیایی به عنوان منابعی برای تولید هیدروکربن ها استفاده می شوند (کاربید کلسیم با آب منجر به تشکیل استیلن و هیدروکسید کلسیم می شود).

بسیاری از آلیاژهای فلزی با استفاده از کربن ساخته می شوند و در نتیجه کیفیت و ویژگی های فنی آنها به طور قابل توجهی افزایش می یابد (فولاد آلیاژی از آهن و کربن است).

توجه ویژه مستحق ترکیبات آلی متعددی از کربن است که در آنها عنصری اساسی است که قادر است با همان اتم ها در زنجیره های بلند از ساختارهای مختلف ترکیب شود. این موارد عبارتند از:

• آلکان;
• آلکن;
• arenas;
• پروتئین؛
• کربوهیدرات;
• اسیدهای نوکلئیک؛
• الکل؛
• اسیدهای کربوکسیلیک و بسیاری از کلاس های دیگر از مواد.

استفاده از کربن

اهمیت ترکیبات کربن و تغییرات آلوتروپیک آن در زندگی انسان بسیار زیاد است. می توانید چند مورد از جهانی ترین صنایع را نام ببرید تا روشن شود که این درست است.

1. این عنصر همه انواع سوخت های فسیلی را تشکیل می دهد که انسان از آنها انرژی دریافت می کند.
2. صنعت متالورژی از کربن به عنوان قوی ترین عامل احیاء کننده برای به دست آوردن فلزات از ترکیبات آنها استفاده می کند. کربنات ها نیز در اینجا به طور گسترده استفاده می شوند.
3. ساختمان و صنایع شیمیایی مقادیر زیادی از ترکیبات کربن را برای سنتز مواد جدید و به دست آوردن محصولات لازم مصرف می کنند.

همچنین می توانید بخش هایی از اقتصاد را نام ببرید:

• صنعت هسته ای؛
• جواهرات;
• تجهیزات فنی (روان کننده ها، بوته های مقاوم در برابر حرارت، مدادها و غیره)؛
• تعیین سن زمین شناسی سنگ ها - ردیاب رادیواکتیو ¹⁴С;
• کربن یک جاذب عالی است که آن را برای ساخت فیلترها مناسب می کند.

گردش در طبیعت

جرم کربن موجود در طبیعت در یک چرخه ثابت قرار می گیرد که در هر ثانیه در سراسر جهان می چرخد. بنابراین، منبع اتمسفر کربن - CO₂ جذب می شود.گیاهان است و توسط همه موجودات زنده در فرآیند تنفس آزاد می شود. هنگامی که در جو قرار می گیرد، دوباره جذب می شود و بنابراین چرخه متوقف نمی شود. در عین حال، مرگ بقایای آلی منجر به آزاد شدن کربن و تجمع آن در زمین می شود و از آنجا دوباره توسط موجودات زنده جذب می شود و به شکل گاز در جو منتشر می شود.