Fizikalna i kemijska svojstva ugljika

Organski život na Zemlji predstavljaju ugljikovi spojevi. Element je dio glavnih komponenti staničnih struktura: proteina, ugljikohidrata i masti, a također čini osnovu supstancije nasljednosti - deoksiribonukleinske kiseline. U anorganskoj prirodi ugljik je jedan od najčešćih elemenata koji tvore koru i atmosferu planeta. Organska kemija kao dio kemijske znanosti u potpunosti je posvećena svojstvima kemijskog elementa ugljika i njegovih spojeva. U članku ćemo razmotriti fizikalno-kemijska svojstva ugljika i značajke njegovih svojstava.

Mjesto elementa u periodnom sustavu

Podgrupa ugljika je glavna podskupina skupine IV, koja osim ugljika uključuje i silicij, germanij, kositar i olovo. Svi navedeni elementi imaju istu strukturu vanjske razine energije, na kojoj se nalaze četiri elektrona. To uzrokuje sličnost njihovih kemijskih svojstava. U uobičajenom stanju, elementi podskupine su bivalentni, a kada njihovi atomi postanu uzbuđeni, pokazuju valenciju jednaku 4. Fizikalna i kemijska svojstva ugljika ovise o stanju elektroničkih ljuski njegovog atoma. Tako, u reakciji s kisikom, element čije su čestice u neizraženom stanju tvori indiferentni oksid CO. Atomi ugljika u pobuđenom stanju oksidiraju se u ugljični dioksid, koji pokazuje kiselinska svojstva.

Oblici ugljika u prirodi

Dijamant, grafit i karbin su tri alotropne modifikacije ugljika kao jednostavne tvari. Prozirni kristali s visokim stupnjem loma svjetlosnih zraka, koji su najteži spojevi u prirodi, su dijamanti. Oni slabo provode toplinu i predstavljaju dielektrike. Kristalna rešetka je atomska, vrlo izdržljiva. U njemu je svaki atom elementa okružen s četiri druge čestice, formirajući pravilan tetraedar.

Potpuno različita fizikalno-kemijska svojstva ugljika koji tvore grafit. To je masna, tamnosiva kristalna tvar. Ima slojevitu strukturu, udaljenosti između slojeva atoma su prilično velike, a njihove privlačne sile su slabe. Stoga, kada se pritisne na grafitnu šipku, tvar se razdvaja na tanke ljuske. Na papiru ostavljaju tamnu oznaku. Grafit je vodljiv i malo slabiji od metala u električnoj vodljivosti.

Sposobnost provođenja električne struje objašnjava se strukturom kristalne tvari. U njemu se čestice ugljika vežu za ostale tri pomoću jakih kovalentnih kemijskih veza. Četvrti valentni elektron svakog atoma ostaje slobodan i može se kretati u debljini tvari. Usmjereno kretanje negativno nabijenih čestica uzrokuje pojavu električne struje. Primjena grafita je različita. Dakle, koristi se za proizvodnju elektroda u elektrotehnici i za provođenje procesa elektrolize, pomoću kojih dobivaju, na primjer, alkalne metale u čistom obliku. Grafit je našao primjenu u nuklearni reaktori kontrolirati brzinu lančanih reakcija koje se odvijaju u njima kao moderator neutrona. Poznato je da se tvar upotrebljava kao šipka ili lubrikant u dijelovima koji se trljaju.

Što je karbin?

Crni kristalni prah sa staklastim sjajem je karbin. Sintetiziran je sredinom 20. stoljeća u Rusiji. Tvar je superiorna u odnosu na tvrdoću grafita, kemijski pasivna, ima svojstva poluvodiča i najstabilnija je modifikacija ugljika. Spoj je izdržljiviji od grafita. Postoje i oblici ugljika čija se kemijska svojstva međusobno razlikuju. To su čađa, ugljen i koks.

Različite karakteristike alotropnih modifikacija ugljika objašnjavaju se strukturom njihovih kristalnih rešetki. To je vatrostalna tvar bez boje ili mirisa. Ne topiva u organskim otapalima, ali je sposobna formirati čvrste otopine - legure, na primjer, sa željezom.

Kemijska svojstva ugljika

Ovisno o tvari s kojom reagira ugljik, ona može pokazivati ​​dvojna svojstva: i redukcijsko sredstvo i oksidacijsko sredstvo. Na primjer, spajanje koksa s metalima, dobivanje njihovih spojeva - karbida. Ugljikovodici se formiraju u reakciji s vodikom. Jeste organski spojevi na primjer, metan, etilen, acetilen, u kojima, kao u slučaju metala, ima ugljik oksidacijsko stanje jednaka -4. Smanjene kemijske reakcije ugljika, čija svojstva proučavamo, manifestiraju se tijekom njegove interakcije s kisikom, halogenom, vodom i osnovne okside.

Ugljični oksidi

Spaljivanje ugljena u zraku s niskim kisikom proizvodi ugljični monoksid, bivalentni ugljični dioksid. Bezbojan je, bez mirisa i vrlo otrovan. U kombinaciji s hemoglobinom u krvi tijekom disanja, ugljični monoksid se širi po cijelom ljudskom tijelu, uzrokujući trovanje, a zatim i smrt od gušenja. U klasifikaciji, tvar zamjenjuje ravnodušne okside, ne reagira s vodom, niti joj baza niti kiselina odgovaraju. Kemijska svojstva ugljika s valencijom od 4 razlikuju se od prethodno razmatranih značajki.

Ugljični dioksid

Bezbojna plinovita tvar na temperaturi od 15 ° C i tlak jedne atmosfere pretvara se u čvrstu fazu. Zove se suhi led. Molekule CO ₂ su nepolarne, iako je kovalentna veza između atoma kisika i ugljika polarna. Veza se odnosi na kisele okside. U interakciji s vodom nastaje karbonatna kiselina. Postoje reakcije između ugljičnog dioksida i jednostavnih tvari: metala i nemetala, primjerice, s magnezijem, kalcijem ili koksom. U njima on igra ulogu oksidirajućeg agensa.

Kvalitativna reakcija na ugljični dioksid

Kako bi se osiguralo da je ispitni plin doista ugljični monoksid CO ₂ , sljedeći eksperiment se provodi u anorganskoj kemiji: tvar se propušta kroz bistru otopinu vapnene vode. Promatranje zamućenosti otopine zbog taloženja bijelog taloga kalcijevog karbonata potvrđuje prisutnost molekula ugljičnog dioksida u mješavini reagensa. Nakon daljnjeg prolaska plina kroz otopinu kalcijevog hidroksida, CaCO3 talog se otapa zbog njegove pretvorbe u kalcijev bikarbonat, sol topljivu u vodi.

Uloga ugljika u procesu domene

Kemijska svojstva ugljika koriste se u industrijskoj proizvodnji željeza iz ruda: magnetske, crvene ili smeđe željezne rude. Glavna među njima bit će redukcijska svojstva ugljika i oksida - ugljičnog monoksida i ugljični dioksid. Procesi koji se odvijaju u visokoj peći mogu se predstaviti kao sljedeći slijed reakcija:

• Prvo, koks gori u struji zraka zagrijanoj na 1.850 ° C da nastane ugljični dioksid: C + O2 = CO ₂ .
• Prolazeći kroz vrući ugljik, reducira se na ugljični monoksid: CO ₂ + C = 2CO.
• Ugljični monoksid reagira s željeznom rudom, što rezultira željeznim oksidom: 3Fe ₂ O ₃ + CO = 2Fe ₃ O ₄ + CO ₂ , Fe ₃ O ₄ + CO = 3 FeO + CO ₂ .
• Reakcija dobivanja željeza imat će sljedeći oblik: FeO + CO = Fe + C02

Rastopljeno željezo otopi u sebi mješavinu ugljika i ugljičnog monoksida, ispada da je tvar - cementit.

Željezo, topeno u visokoj peći, osim željeza, sadrži do 4,5% ugljika i drugih nečistoća: mangana, fosfora, sumpora. Čelik, koji se razlikuje od lijevanog željeza nizom svojstava, na primjer, svojom valjanom i kovanom, ima u svom sastavu samo 0,3 do 1,7% ugljika. Proizvodi od čelika široko se primjenjuju u gotovo svim industrijama: strojarstvu, metalurgiji, medicini.

U našem članku smo saznali koje se kemijske osobine ugljika i njegovih spojeva koriste u različitim sferama ljudske aktivnosti.