الكربون ذرة كربون. كتلة الكربون

2024 مؤلف: Angel Austin | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 05:16

أحد أكثر العناصر المدهشة التي يمكن أن تشكل مجموعة كبيرة ومتنوعة من المركبات ذات الطبيعة العضوية وغير العضوية هو الكربون. هذا العنصر غير معتاد في خصائصه لدرجة أن مندليف توقع مستقبلًا عظيمًا له ، حيث تحدث عن الميزات التي لم يتم الكشف عنها بعد.

في وقت لاحق تم تأكيده عمليا. أصبح معروفًا أنه العنصر الحيوي الرئيسي لكوكبنا ، والذي يعد جزءًا من جميع الكائنات الحية. بالإضافة إلى ذلك ، قادرة على الوجود في أشكال مختلفة جذريًا من جميع النواحي ، ولكن في نفس الوقت تتكون فقط من ذرات الكربون.

بشكل عام فهذه البنية لها مميزات عديدة وسنحاول التعامل معها في سياق المقال.

الكربون: الصيغة والموقع في نظام العناصر

في النظام الدوري ، يوجد عنصر الكربون في المجموعة الرابعة (وفقًا للنموذج الجديد في 14) المجموعة الفرعية الرئيسية. رقمه التسلسلي هو 6 ، ووزنه الذري هو 12.011. تشير تسمية عنصر بعلامة C إلى اسمه باللاتينية - carboneum. هناك العديد من الأشكال المختلفة التي يوجد فيها الكربون. لذلك فإن صيغتها مختلفة وتعتمد على التعديل المحدد.

ومع ذلك ، لكتابة معادلات التفاعل ، الترميز محدد ،بالطبع لديك. بشكل عام ، عند الحديث عن مادة في شكلها النقي ، يتم اعتماد الصيغة الجزيئية للكربون C بدون فهرسة.

تاريخ اكتشاف العنصر

هذا العنصر نفسه معروف منذ العصور القديمة. بعد كل شيء ، يعد الفحم أحد أهم المعادن في الطبيعة. لذلك ، بالنسبة لليونانيين القدماء والرومان والجنسيات الأخرى ، لم يكن سرا.

إلى جانب هذا التنوع ، تم أيضًا استخدام الماس والجرافيت. كانت هناك العديد من المواقف المربكة مع الأخير لفترة طويلة ، لأنه في كثير من الأحيان ، بدون تحليل التركيب ، تم أخذ هذه المركبات للجرافيت ، مثل:

• الرصاص الفضي ؛
• كربيد الحديد ؛
• كبريتيد الموليبدينوم.

كانت كلها مطلية باللون الأسود وبالتالي تعتبر جرافيت. في وقت لاحق ، تم إزالة سوء الفهم هذا ، وأصبح هذا النوع من الكربون هو نفسه.

منذ عام 1725 ، كان للماس أهمية تجارية كبيرة ، وفي عام 1970 ، تم إتقان تقنية الحصول عليه بشكل مصطنع. منذ عام 1779 ، وبفضل عمل Karl Scheele ، تمت دراسة الخصائص الكيميائية التي يعرضها الكربون. كانت هذه بداية لسلسلة من الاكتشافات المهمة في مجال هذا العنصر وأصبحت أساسًا لاكتشاف جميع ميزاته الفريدة.

نظائر الكربون وتوزيعها في الطبيعة

على الرغم من حقيقة أن العنصر المعني هو أحد أهم العناصر الحيوية ، إلا أن محتواه الكلي في كتلة قشرة الأرض يبلغ 0.15٪. وذلك لكونه يتعرض لدوران مستمر ، وهي دورة طبيعية في الطبيعة.

بشكل عام ، هناك عدةالمركبات المعدنية التي تحتوي على الكربون. هذه سلالات طبيعية مثل:

• الدولوميت والحجر الجيري ؛
• أنثراسايت ؛
• الصخر الزيتي ؛
• غاز طبيعي
• فحم ؛
• نفط ؛
• lignite ؛
• الخث ؛
• بيتومين.

إلى جانب هذا ، يجب ألا ننسى الكائنات الحية ، التي هي مجرد مستودع لمركبات الكربون. بعد كل شيء ، قاموا بتكوين البروتينات والدهون والكربوهيدرات والأحماض النووية ، مما يعني الجزيئات الهيكلية الأكثر حيوية. بشكل عام ، في تحويل وزن الجسم الجاف من 70 كجم ، 15 يسقط على عنصر نقي. وهكذا الحال مع كل إنسان ، ناهيك عن الحيوانات والنباتات وغيرها من الكائنات.

إذا أخذنا في الاعتبار تكوين الهواء والماء ، أي الغلاف المائي ككل والغلاف الجوي ، فهناك مزيج من الكربون والأكسجين ، معبرًا عنه بالصيغة CO_{2. يعد ثاني أكسيد أو ثاني أكسيد الكربون أحد الغازات الرئيسية التي يتكون منها الهواء. في هذا الشكل يكون الجزء الكتلي للكربون 0.046٪. يتم إذابة المزيد من ثاني أكسيد الكربون في مياه المحيطات.}

الكتلة الذرية للكربون كعنصر هي 12.011 ومن المعروف أن هذه القيمة تحسب على أنها المتوسط الحسابي بين الأوزان الذرية لجميع الأنواع النظيرية الموجودة في الطبيعة ، مع مراعاة انتشارها (كنسبة مئوية)). هذا هو الحال أيضا بالنسبة للمادة المعنية. هناك ثلاثة نظائر رئيسية يوجد فيها الكربون. هذا هو:

• ¹²С - الكسر الكتلي في الغالبية العظمى هو 98.93٪ ؛
• ¹³ج -1.07٪ ؛
• ¹⁴C - نشاط إشعاعي ، نصف عمر 5700 سنة ، باعث بيتا ثابت.

في ممارسة تحديد العمر الجغرافي الزمني للعينات ، يتم استخدام النظير المشع¹⁴С على نطاق واسع ، وهو مؤشر بسبب فترة اضمحلاله الطويلة.

التعديلات المتآصلة لعنصر

الكربون عنصر موجود كمادة بسيطة في عدة أشكال. أي أنها قادرة على تشكيل أكبر عدد من التعديلات المتآصلة المعروفة اليوم.

1. الاختلافات البلورية - توجد في شكل هياكل قوية ذات شبكات منتظمة من النوع الذري. تشمل هذه المجموعة أصنافًا مثل:

• الماس ؛
• الفوليرين ؛
• جرافيت ؛
• القربينات ؛
• lonsdaleites ؛
• ألياف الكربون وأنابيب.

تختلف جميعها في بنية الشبكة البلورية ، في العقد التي توجد بها ذرة كربون. ومن هنا تأتي الخصائص الفريدة والمختلفة تمامًا ، الفيزيائية والكيميائية.

2. أشكال غير متبلورة - تتشكل بواسطة ذرة كربون ، وهي جزء من بعض المركبات الطبيعية. أي ، هذه ليست أصناف نقية ، ولكن بها شوائب من عناصر أخرى بكميات صغيرة. هذه المجموعة تشمل:

• الكربون المنشط
• الحجر والخشب ؛
• السخام ؛
• كربون نانوفوم ؛
• أنثراسايت ؛
• زجاجي الكربون ؛
• نوع تقني من المادة.

هم أيضًا متحدون من خلال الميزاتتراكيب الشبكة البلورية توضح الخصائص وتوضحها.

3. مركبات الكربون على شكل عناقيد. مثل هذا الهيكل الذي يتم فيه إغلاق الذرات في تشكيل خاص مجوف من الداخل ، مملوء بالماء أو نوى عناصر أخرى. أمثلة:

• الكربون النانو ؛
• نجمي ؛
• ديكربون.

الخصائص الفيزيائية للكربون غير المتبلور

نظرًا للتنوع الكبير في التعديلات المتآصلة ، من الصعب تحديد أي خصائص فيزيائية مشتركة للكربون. من الأسهل التحدث عن شكل معين. على سبيل المثال ، يحتوي الكربون غير المتبلور على الخصائص التالية.

1. في قلب جميع الأشكال توجد أنواع بلورية دقيقة من الجرافيت.
2. سعة حرارية عالية.
3. خصائص موصلة جيدة.
4. كثافة الكربون حوالي 2 جم / سم³.
5. عند التسخين فوق 1600⁰C ، يحدث الانتقال إلى أشكال الجرافيت.

تستخدم أصناف السخام والفحم والحجر على نطاق واسع للأغراض الصناعية. إنها ليست مظهرا من مظاهر تعديل الكربون في شكله النقي ، لكنها تحتوي عليه بكميات كبيرة جدا.

بلوري الكربون

هناك عدة خيارات يكون فيها الكربون مادة تشكل بلورات منتظمة من أنواع مختلفة ، حيث ترتبط الذرات في سلسلة. نتيجة لذلك ، يتم تشكيل التعديلات التالية.

1. الماس. الهيكل مكعب ، حيث ترتبط أربعة رباعي السطوح. نتيجة لذلك ، كل الروابط الكيميائية التساهمية لكل ذرةأقصى قدر من التشبع ودائم. هذا يفسر الخصائص الفيزيائية: كثافة الكربون 3300 كجم / م³. صلابة عالية ، سعة حرارية منخفضة ، نقص في التوصيل الكهربائي - كل هذا ناتج عن هيكل الشبكة البلورية. هناك ماس تم الحصول عليه تقنيًا. تتشكل أثناء انتقال الجرافيت إلى التعديل التالي تحت تأثير ارتفاع درجة الحرارة وضغط معين. بشكل عام ، تكون درجة انصهار الماس عالية مثل القوة - حوالي 3500⁰C.
2. جرافيت. يتم ترتيب الذرات بشكل مشابه لبنية المادة السابقة ، ومع ذلك ، فإن ثلاث روابط فقط مشبعة ، والرابع يصبح أطول وأقل قوة ، ويربط "طبقات" الحلقات السداسية للشبكة. نتيجة لذلك ، اتضح أن الجرافيت مادة سوداء دهنية ناعمة الملمس. لديها موصلية كهربائية جيدة ولها نقطة انصهار عالية - 3525⁰C. قادر على التسامي - التسامي من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية ، متجاوزًا الحالة السائلة (عند درجة حرارة 3700⁰С). كثافة الكربون 2.26 جم / سم^{3 ،}وهي أقل بكثير من كثافة الماس. هذا يفسر خصائصهم المختلفة. نظرًا للهيكل متعدد الطبقات للشبكة البلورية ، فمن الممكن استخدام الجرافيت لتصنيع خيوط الرصاص. عند التمرير عبر الورقة ، تقشر الرقائق وتترك علامة سوداء على الورقة.
3. الفوليرين. تم افتتاحها فقط في الثمانينيات من القرن الماضي. إنها تعديلات يتم فيها ربط الكربون في هيكل مغلق محدب خاص ، يوجد في المركزالفراغ. وشكل البلورة - متعدد الوجوه ، التنظيم الصحيح. عدد الذرات زوجي. أشهر أشكال الفوليرين هو С₆₀. تم العثور على عينات من مادة مماثلة أثناء البحث:

• نيازك ؛
• الرواسب السفلية
• فولجوريت ؛
• شونجيت ؛
• الفضاء الخارجي ، حيث يحتوي على شكل غازات.

جميع أنواع الكربون البلوري لها أهمية عملية كبيرة ، حيث أن لها عددًا من الخصائص المفيدة في الهندسة.

تفاعل

يُظهر الكربون الجزيئي تفاعلًا منخفضًا بسبب تكوينه المستقر. يمكن إجبارها على الدخول في تفاعلات فقط عن طريق نقل طاقة إضافية إلى الذرة وإجبار إلكترونات المستوى الخارجي على التبخر. عند هذه النقطة ، يصبح التكافؤ 4. لذلك ، في المركبات ، يكون له حالة أكسدة تبلغ + 2 ، + 4 ، - 4.

عمليًا ، تتم جميع التفاعلات مع المواد البسيطة ، سواء المعدنية أو غير المعدنية ، تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة. يمكن أن يكون العنصر المعني عامل مؤكسد وعامل اختزال. ومع ذلك ، فإن الخصائص الأخيرة واضحة بشكل خاص فيه ، وهذا هو أساس استخدامه في الصناعات المعدنية وغيرها.

بشكل عام ، تعتمد القدرة على الدخول في تفاعل كيميائي على ثلاثة عوامل:

• تشتت الكربون
• تعديل مؤثر ؛
• درجة حرارة التفاعل

وهكذا في بعض الحالات يكون هناك تفاعل مع ما يليالمواد:

• اللافلزات (الهيدروجين والأكسجين) ؛
• معادن (الألمنيوم والحديد والكالسيوم وغيرها) ؛
• أكاسيد الفلزات وأملاحها

لا يتفاعل مع الأحماض والقلويات ونادرًا ما يتفاعل مع الهالوجينات. من أهم خصائص الكربون قدرته على تكوين سلاسل طويلة مع بعضها البعض. يمكنهم أن يغلقوا في دورة ، وتشكيل الفروع. هذه هي الطريقة التي يتم بها تكوين المركبات العضوية ، والتي يبلغ عددها اليوم بالملايين. أساس هذه المركبات عنصرين - الكربون والهيدروجين. يمكن أيضًا تضمين ذرات أخرى: الأكسجين والنيتروجين والكبريت والهالوجينات والفوسفور والمعادن وغيرها.

المركبات الرئيسية وخصائصها

هناك العديد من المركبات المختلفة التي تحتوي على الكربون. الصيغة الأكثر شهرة منهم هي CO₂- ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك ، بالإضافة إلى هذا الأكسيد ، يوجد أيضًا أول أكسيد الكربون أو أول أكسيد الكربون ، بالإضافة إلى الأكسيد الفرعي C₃O₂.

من بين الأملاح التي تحتوي على هذا العنصر ، الأكثر شيوعًا هي كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم. إذن ، كربونات الكالسيوم لها عدة مرادفات في الاسم ، لأنها تحدث في الطبيعة على شكل:

• طباشير ؛
• رخام ؛
• الحجر الجيري ؛
• دولوميت.

تتجلى أهمية كربونات المعادن الأرضية القلوية في حقيقة أنهم مشاركين نشطين في تكوين الهوابط والصواعد ، وكذلك المياه الجوفية.

حمض الكربونيك هو مركب آخر يشكل الكربون. صيغتها هيH₂CO₃. ومع ذلك ، في شكله المعتاد ، فهو غير مستقر للغاية ويتحلل على الفور إلى ثاني أكسيد الكربون والماء في المحلول. لذلك فإن أملاحه هي وحدها التي تعرف كحل وليس نفسها.

هاليدات الكربون - يتم الحصول عليها بشكل غير مباشر ، حيث أن التركيب المباشر لا يحدث إلا في درجات حرارة عالية جدًا وبإنتاجية منخفضة للمنتج. أحد أكثرها شيوعًا - CCL₄- رابع كلوريد الكربون. مركب سام يمكن أن يسبب التسمم إذا تم استنشاقه. تم الحصول عليها من خلال تفاعلات الاستبدال الكيميائي الضوئي الجذري لذرات الهيدروجين في الميثان.

كربيدات المعادن عبارة عن مركبات كربونية تظهر فيها حالة أكسدة قدرها 4. ومن الممكن أيضًا وجود ارتباطات مع البورون والسيليكون. الخاصية الرئيسية للكربيدات لبعض المعادن (الألمنيوم ، التنجستن ، التيتانيوم ، النيوبيوم ، التنتالوم ، الهافنيوم) هي القوة العالية والتوصيل الكهربائي الممتاز. كربيد البورون В₄С هو واحد من أصعب المواد بعد الماس (9.5 وفقًا لـ Mohs). تستخدم هذه المركبات في الهندسة ، وكذلك في الصناعة الكيميائية ، كمصادر لإنتاج الهيدروكربونات (كربيد الكالسيوم بالماء يؤدي إلى تكوين الأسيتيلين وهيدروكسيد الكالسيوم).

يتم تصنيع العديد من السبائك المعدنية باستخدام الكربون ، مما يزيد بشكل كبير من جودتها وخصائصها التقنية (الفولاذ سبيكة من الحديد والكربون).

يستحق الاهتمام الخاص العديد من المركبات العضوية للكربون ، حيث يعد عنصرًا أساسيًا قادرًا على الاندماج مع نفس الذرات في سلاسل طويلة من الهياكل المختلفة. وتشمل هذه:

• الكانات ؛
• الألكينات ؛
• ساحات ؛
• بروتينات
• كربوهيدرات
• أحماض نووية ؛
• كحول ؛
• أحماض كربوكسيلية والعديد من فئات المواد الأخرى.

استخدام الكربون

أهمية مركبات الكربون وتعديلاتها المتآصلة في حياة الإنسان عالية جدا. يمكنك تسمية عدد قليل من أكثر الصناعات العالمية لتوضيح أن هذا صحيح.

1. يشكل هذا العنصر جميع أنواع الوقود الأحفوري الذي يتلقى الإنسان منه الطاقة.
2. تستخدم صناعة المعادن الكربون كأقوى عامل اختزال للحصول على المعادن من مركباتها. تستخدم الكربونات أيضًا على نطاق واسع هنا.
3. البناء والصناعات الكيماوية تستهلك كميات هائلة من مركبات الكربون لتخليق مواد جديدة والحصول على المنتجات اللازمة.

يمكنك أيضًا تسمية قطاعات الاقتصاد على النحو التالي:

• صناعة نووية
• مجوهرات ؛
• المعدات التقنية (مواد التشحيم ، والبوتقات المقاومة للحرارة ، وأقلام الرصاص ، وما إلى ذلك) ؛
• تحديد العمر الجيولوجي للصخور - التتبع الإشعاعي¹⁴С ؛
• الكربون مادة ماصة ممتازة مما يجعلها مناسبة لعمل الفلاتر

الدوران في الطبيعة

يتم تضمين كتلة الكربون الموجودة في الطبيعة في دورة ثابتة تدور كل ثانية حول العالم. وبالتالي ، يتم امتصاص المصدر الجوي للكربون - CO₂ النباتات ويتم إطلاقها من قبل جميع الكائنات الحية في عملية التنفس. مرة واحدة في الغلاف الجوي ، يتم امتصاصه مرة أخرى ، وبالتالي لا تتوقف الدورة. في الوقت نفسه ، يؤدي موت المخلفات العضوية إلى إطلاق الكربون وتراكمه في الأرض ، حيث يتم امتصاصه مرة أخرى بواسطة الكائنات الحية ويتم إطلاقه في الغلاف الجوي على شكل غاز.