Uhlík je ... Atom uhlíku. Hmotnost uhlíku

Jeden z nejúžasnějších prvků, které mohou tvořit obrovský počet různých sloučenin organické a anorganické povahy, je uhlík. Je to tak neobvyklý prvek, který Mendelejev předpovídal pro něj velkou budoucnost, mluvit o vlastnostech, které ještě nebyly odhaleny.

Později to bylo prakticky potvrzeno. Je známo, že je hlavním biogenním prvkem naší planety, která je součástí absolutně všech živých bytostí. Kromě toho mohou existovat ve formách, které radikálně liší ve všech ohledech, ale sestávající pouze z atomů uhlíku.

Obecně platí, že vlastnosti této struktury jsou mnohé, je s nimi a budeme se snažit pochopit průběh článku.

Uhlík: vzorec a poloha v systému prvků

Periodické soustavy prvků uhlíku nacházející se v oblasti IV (podle nového vzorku 14) skupiny, hlavních podskupin. Jeho pořadové číslo je 6 a jeho atomová hmotnost je 12,011. Označení prvku se znakem C označuje jeho jméno v latině - karbonu. Existuje několik různých forem, ve kterých existuje uhlík. Jeho vzorec se proto liší a závisí na konkrétní úpravě.

Nicméně, pro psaní reakčních rovnic je označení specifické, samozřejmě existuje. Obecně platí, že když mluvíme o hmotě ve své čisté formě, je molekulární vzorec uhlíku C přijímán bez indexování.

Historie zjišťování položky

Samotný prvek je znám již od starověku. Koneckonců, jedním z nejdůležitějších minerálů v přírodě je uhlí. Proto pro starověké Řekové, Římany a jiné národnosti nebyl tajemstvím.

Kromě této odrůdy byly také použity diamanty a grafit. S posledně uvedeným byl po dlouhou dobu mnoho zmatených situací, neboť často bez analýzy kompozice pro grafit, takové sloučeniny jako:

• stříbrná olovo;
• karbid železa;
• sulfid molybdenu.

Všechny byly namalovány černě a proto byly považovány za grafity. Později bylo toto nedorozumění vysvětleno a tato forma uhlíku se stala sama.

Vzhledem k tomu, 1725 velká obchodní hodnota získávání diamantů, a v roce 1970, zvládl technologii pro jejich výrobu uměle. Od roku 1779, díky dílu Karla Schelela, se zkoumají chemické vlastnosti uhlíkových displejů. To byl začátek řady důležitých objevů v oblasti tohoto prvku a stal se základem pro objasnění všech jeho jedinečných vlastností.

Isotopy uhlíku a šíření v přírodě

Navzdory tomu, že dotyčného prvku - esenciální živiny, jeho celkový obsah je 0,15% hmotnostních z kůry. To je způsobeno skutečností, že prochází konstantním oběhem, přírodním cyklem v přírodě.

Obecně existuje několik sloučenin minerální povahy, které zahrnují uhlík. Jedná se o takové přírodní plemena, jako jsou:

• dolomity a vápence;
• antracit;
• olejové břidlice;
• zemní plyn;
• černé uhlí;
• olej;
• hnědého uhlí;
• rašelina;
• bitumeny.

Kromě toho bychom neměli zapomínat na živé věci, které jsou pouze skladištěm sloučenin uhlíku. Nakonec se tvoří bílkoviny, tuky, sacharidy, nukleové kyseliny, což znamená nejdůležitější strukturní molekuly. Obecně je nutný čistý prvek pro přepočet suché tělesné hmotnosti ze 70 kg 15. A tak každý člověk, nemluvě o zvířatech, rostlinách a jiných tvarech.

Zvažujeme složení vzduchu a vodu, tj. hydrosféru obecně a atmosféru, pak je směs uhlíku a kyslíku, vyjádřená vzorem CO₂. Dioxid nebo oxid uhličitý jsou jedním z hlavních plynů, které vytvářejí vzduch. V této formě je hmotnostní podíl uhlíku 0,046%. Ještě více rozpuštěného oxidu uhličitého ve vodách Světového oceánu.

Atomová hmotnost uhlíku jako prvku je 12,011. Je známo, že tato hodnota je vypočtena jako aritmetický průměr mezi atomových hmotností všech přirozeně se vyskytujících druhů izotopů, vzhledem k jejich výskytu (v procentech). To je případ zkoumané látky. Existují tři hlavní izotopy, ve formě uhlíku. Jedná se o:

• ^12.C - jeho hmotnostní podíl na převážné většině je 98,93%;
• ^{13. místo}C = 1,07%;
• ^{14. místo}C - radioaktivní, poločas rozpadu 5700 let, stabilní beta-emitor.

V praxi stanovení geochronologického věku vzorků je radioaktivní izotop ^{14. místo}C, což je indikátor kvůli jeho dlouhé době rozpadu.

Alotropické modifikace elementu

Uhlík je prvek, který existuje v několika formách ve formě jednoduché látky. To znamená, že je schopen vytvořit největší ze současně známého počtu alotropních modifikací.

1. Krystalové variace - existují ve formě silných struktur s pravidelnými latěmi atomového typu. Tato skupina zahrnuje takové odrůdy, jako jsou:

• diamanty;
• fullerenes;
• grafy;
• karabiny;
• lonsdeylites;
• uhlíkových vláken a trubek.

Všechny se liší strukturou krystalové mřížky, jejíž uzly - uhlíkový atom. Z tohoto důvodu jsou zcela jedinečné, ne podobné vlastnosti, fyzikální i chemické.

2. Amorfní formy - tvoří atom uhlíku, který je součástí některých přírodních sloučenin. To znamená, že nejsou čisté odrůdy, ale s nečistotami jiných prvků v malém množství. Tato skupina zahrnuje:

• aktivního uhlí;
• kámen a dřevo;
• saze;
• uhlíkový nanofilm;
• antracit;
• sklovitý uhlík;
• technický druh látky.

Jsou také kombinovány znaky struktury krystalové mříže, vysvětlující a projevující se vlastnosti.

3. Sloučeniny uhlíku ve formě klastrů. Taková struktura, ve které jsou atomy uzavřeny ve zvláštní dutině uvnitř konformace, naplněné vodou nebo jádry jiných prvků. Příklady:

• uhlíkové nanokony;
• astralenové;
• oxid uhličitý.

Fyzikální vlastnosti amorfního uhlíku

Vzhledem k širokému spektru alotropních modifikací je obtížné určit některé obecné fyzikální vlastnosti uhlíku. Je snadnější mluvit o konkrétní formě. Například amorfní uhlí má následující charakteristiky.

1. V srdci všech forem jsou jemně krystalické odrůdy grafitu.
2. Vysoká tepelná kapacita.
3. Dobré vodivé vlastnosti.
4. Hustota uhlíku je asi 2 g / cm³.
5. Při zahřátí nad 1600 ⁰C je přechod na grafitové formy.

Saze, uhlí a kamenné odrůdy jsou široce používány pro technické účely. Nejsou projevem modifikace uhlíku v čisté formě, ale obsahují ve velkém množství.

Krystalický uhlík

Existuje několik možností, kdy uhlík je látka, která vytváří pravidelné krystaly různých typů, kde jsou atomy zapojeny do série. Výsledkem jsou následující úpravy.

1. Diamant. Struktura je kubická, ve které jsou spojeny čtyři tetraedry. V důsledku toho jsou všechny kovalentní chemické vazby každého atomu pokud možno nasycené a trvanlivé. To vysvětluje fyzikální vlastnosti: hustota uhlíku je 3300 kg / m³. Vysoká tvrdost, nízké specifické teplo, absence elektrické vodivosti - to vše je důsledkem struktury krystalové mřížky. Tam jsou technicky získané diamanty. Vzniká při přechodu grafitu na další modifikaci pod vlivem vysoké teploty a určitého tlaku. Obecně platí, že bod tavení diamantu je stejně vysoký jako síla - asi 3500 ⁰C.
2. Grafit. Atomy jsou uspořádány jako struktura z předchozích látek, ale nasycení dochází pouze tři vazby, a čtvrtý se stává delší a méně odolné, že spojuje „vrstev“ hexagonální mřížky kroužky. Výsledkem je, že grafit je měkká, mastná na dotek černou barvou. Má dobrou elektrickou vodivost a má vysokou teplotu tání - 3525 ⁰C. schopný sublimace - sublimace z pevného na plynný stav, obtok kapaliny (při 3700 ° C ⁰C). Hustota uhlíku je 2,26 g / cm^3, která je mnohem nižší než diamant. To vysvětluje jejich různé vlastnosti. Vzhledem k vrstvené struktuře krystalové mřížky je možné použít pro výrobu grafit úchyty jsou jednoduché tužky. Když provádíte na papíře, vločky odlupují a na papíře zanechávají stopu černé barvy.
3. Fullerenes. Byly objeveny až v 80. letech minulého století. Představují modifikaci, ve které jsou atomy uhlíku propojeny speciální uzavřené konvexní struktury, mající dutý střed. A tvar krystalu je polyhedron, správná organizace. Počet atomů je rovnoměrný. Nejznámější forma fullerenu C₆₀. Vzorky podobné látky byly zjištěny ve studiích:

• meteority;
• spodní sedimenty;
• folguritů;
• schungites;
• prostor, kde byly obsaženy ve formě plynů.

Všechny odrůdy krystalického uhlíku mají velký praktický význam, protože mají řadu užitečných vlastností ve strojírenských vlastnostech.

Chemická aktivita

Molekulární uhlík vykazuje nízkou chemickou aktivitu kvůli jeho stabilní konfiguraci. K tomu, aby se k reakci připojil, může být pouze informováním atomu o dodatečné energii a nučením elektronů vnějšího stupně. V tomto okamžiku se valence stává 4. Proto ve sloučeninách má oxidační stav +2, + 4, -4.

Prakticky všechny reakce s jednoduchými látkami, kovy i nekovy, se vyskytují pod vlivem vysokých teplot. Dotčený prvek může být jak oxidačním činidlem, tak redukčním činidlem. Nicméně tyto vlastnosti jsou v něm výrazně silně vyjádřeny, na tomto základě je založen jeho uplatnění v metalurgickém a jiném průmyslu.

Obecně platí, že schopnost vstoupit do chemické interakce závisí na třech faktorech:

• disperzita uhlíku;
• alotropická modifikace;
• reakční teplotu.

V řadě případů tedy dochází k interakci s následujícími látkami:

• nekovové (vodík, kyslík);
• kovy (hliník, železo, vápník a jiné);
• oxidy kovů a jejich soli.

S kyselinami a zásadami nereaguje s velmi vzácnými halogeny. Nejdůležitější vlastností uhlíku je schopnost vytvářet mezi sebou dlouhé řetězce. Mohou se zavřít v cyklu, vytvářet větve. Takže je tvoření organických sloučenin, které se dnes v milionech vyskytují. Základem těchto sloučenin jsou dva prvky - uhlík, vodík. Do kompozice mohou být také zahrnuty další atomy: kyslík, dusík, síra, halogeny, fosfor, kovy a další.

Základní spojení a jejich charakteristiky

Existuje mnoho různých sloučenin, které zahrnují uhlík. Vzorec nejslavnějších z nich je CO₂ - oxid uhličitý. Kromě tohoto oxidu se však nachází také CO - monoxid nebo oxid uhelnatý, stejně jako C₃O₂.

Mezi solemi obsahujícími tento prvek jsou nejběžnější uhličitany vápníku a hořčíku. Takže uhličitan vápenatý má v názvu několik synonym, protože v přírodě dochází ve formě:

• křída;
• mramor;
• vápenec;
• dolomit.

Důležitou roli karbonátů kovů alkalických zemin se projevuje ve skutečnosti, že jsou aktivními účastníky procesů tvorby stalaktitů a stalagmitů a podzemních vod.

Kyselina uhličitá je další sloučenina, která tvoří uhlík. Jeho vzorec je H₂CO₃. V běžné formě je však extrémně nestabilní a okamžitě v roztoku se rozkládá na oxid uhličitý a vodu. Proto jsou známa pouze jeho soli, a nikoliv sama, jako řešení.

Halogenidy uhlíku se vyrábějí nepřímo, protože přímé syntézy se vyskytují pouze při velmi vysokých teplotách a při nízkém výtěžku produktu. Jeden z nejběžnějších - CCL₄ - chlorid uhličitý. Jedovatá sloučenina, která při vdechnutí může způsobit otravu. Získané radikálovými fotochemickými substitučními reakcemi atomy vodíku v methanu.

Karbidy kovu jsou sloučeniny uhlíku, ve kterých vykazuje oxidační stav 4. Je také možné, že existují asociace s bórem a křemíkem. Hlavní vlastností některých karbidů kovů (hliník, wolfram, titan, niob, tantal, hafnium), - vysoká pevnost a vynikající elektrickou vodivostí. Karbid boritý B₄C je jednou z nejtvrdších látek po diamantu (9,5 Mohs). Tyto sloučeniny se používají ve strojírenství i v chemickém průmyslu jako zdroje výroby uhlovodíků (karbid vápníku s vodou vede k tvorbě acetylenu a hydroxid vápenatý).

Mnoho slitin kovů se vyrábí za použití uhlíku, což výrazně zvyšuje jejich kvalitu a technické vlastnosti (ocel - slitina železa s uhlíkem).

Individuální pozornost četné organické sloučeniny uhlíku, ve kterém se - základní prvek, který může být spojen s ze stejných atomů v dlouhých řetězců různé struktury. Patří sem:

• alkanů;
• alkeny;
• arény;
• proteiny;
• sacharidy;
• nukleové kyseliny;
• alkoholy;
• karboxylových kyselin a mnoha dalších třídách látek.

Použití uhlíku

Význam sloučenin uhlíku a jeho alotropních modifikací v lidském životě je velmi vysoký. Můžete pojmenovat několik nejvíce globálních průmyslových odvětví, aby bylo jasné, že tomu tak skutečně je.

1. Tento prvek tvoří všechny druhy organického paliva, ze kterého člověk přijímá energii.
2. Metalurgický průmysl používá uhlík jako nejsilnější redukční činidlo k výrobě kovů z jejich sloučenin. Zde se široce používají uhličitany.
3. Konstrukce a chemický průmysl spotřebovávají obrovské množství sloučenin uhlíku, aby syntetizovali nové látky a získali potřebné produkty.

Můžete také pojmenovat takové odvětví ekonomiky jako:

• jaderný průmysl;
• klenotnictví;
• technické vybavení (mazadla, žáruvzdorné kelímky, tužky atd.);
• stanovení geologického věku hornin - radioaktivní indikátor ^{14. místo}C;
• uhlík je vynikající adsorbent, který umožňuje jeho použití při výrobě filtrů.

Cyklus v přírodě

Hmotnost uhlíku v přírodě je zahrnuta do konstantního cyklu, který se cyklicky koná každou sekundu po celém světě. Zdroj atmosférického uhlíku je tedy CO₂, To je absorbováno rostlinami a je uvolňováno všemi živými bytostmi v procesu dýchání. Přijíždíme do atmosféry, je opět absorbován, a tak se cyklus nezastaví. Tak extinkce organické zbytky vede k uvolňování uhlíku a jejich akumulaci v zemi, kde se pak znovu absorbována živých organismů a vypouštěného do atmosféry jako plyn.