Što je ugljik? Opis, svojstva i formula ugljika

Ukratko govorimo o tome što je ugljik nemoguće. Uostalom, on je temelj života. Taj je element prisutan u svim organskim spojevima i samo on može oblikovati molekule DNA iz milijuna atoma. Njegova su svojstva brojna, pa je o tome potrebno detaljnije govoriti.

Formula, notacija, značajke

Ovaj element, koji se nalazi u tablici ispod broja šest, označen je simbolom "C". Elektronska strukturna formula ugljika je sljedeća: 1s ² 2s ² 2p ² . Masa je 12,0107 amu. Ova tvar ima:

• Dva nesparena elektrona u osnovnom stanju. Pokazuje valenciju II.
• Četiri neuparena elektrona u pobuđenom stanju. Pokazuje valenciju IV.

Treba napomenuti da se u zemljinoj kori nalazi određena masa ugljika. 0.023%, točnije. Uglavnom se akumulira u gornjem dijelu, u biosferi. Najveći dio mase ugljika u litosferi akumulira se u dolomitima i vapnencima, u obliku karbonata.

Fizičke značajke

Što je ugljik? To je supstanca koja postoji u velikom broju alotropnih modifikacija, a njihova fizička svojstva mogu se navesti dugo vremena. Različite tvari nastaju zbog sposobnosti ugljika da formira kemijske veze različitih tipova.

Što je sa svojstvima ugljika kao jednostavne tvari? Mogu se sažeti kako slijedi:

• U normalnim uvjetima gustoća iznosi 2,25 g / cm3.
• Vrelište je 3506,85 ° C.
• Molarni toplinski kapacitet je 8,54 J / (K • mol).
• Temperatura kritičnog faznog prijelaza (kada se plin ne kondenzira pri bilo kojem pritisku) je 4130 K, 12 MPa.
• Molarni volumen 5,3 cm3 / mol.

Također je vrijedno navesti izmjene ugljika.

Od kristalnih supstanci najpoznatije su: dijamant, karbin, grafit, nano-dijamant, fullerite, lonsdaleit, fuleren, kao i karbonska vlakna.

Amorfne formacije uključuju drvo, fosil i aktivni ugljen, antracit, koks, stakleni ugljik, čađu, čađu i nanopen.

Ali ništa od gore navedenog nije čisti alotropni oblik tvari o kojoj se raspravlja. To su samo kemijski spojevi u kojima je ugljik sadržan u visokoj koncentraciji.

struktura

Zanimljivo je da elektronske orbitale ugljikovog atoma nisu iste. Oni imaju različitu geometriju. Sve ovisi o stupnju hibridizacije. Tri su najčešće geometrije:

• Tetraedarska . Nastaje kada nastane smjesa od tri p- i jednog s-elektrona. Ta geometrija ugljikovog atoma opažena je u lonsdaleitu i dijamantu. Metan i drugi ugljikovodici imaju sličnu strukturu.
• Trigonal . Ta geometrija tvori mješavinu dvije p- i s-elektronske orbitale. Drugi p-element ne sudjeluje u hibridizaciji, ali je uključen u formiranje π-veze s drugim atomima. Ova struktura je karakteristična za fenol, grafit i druge modifikacije.
• Digonal . Ova struktura nastaje miješanjem s- i p-elektrona (jedan po jedan). Zanimljivo je što elektronski oblaci izgledaju kao asimetrične bučice. Oni su se protezali duž njegovog smjera. Još dva p-elektrona formiraju notorne π-veze. Ta je geometrija karakteristična za karbine.

Ne tako davno, 2010. godine, znanstvenici sa sveučilišta, koji se nalazi u Nottinghamu, otkrili su spoj u kojem su četiri atoma odjednom bila u istoj ravnini. Ime mu je Monomeric Dilitio Methanium.

molekule

O njima treba reći odvojeno. Atomi tvari o kojima se raspravlja mogu se pridružiti, što rezultira stvaranjem složenih molekula ugljika. Od zasićenih Na, S ₂ i N ₂ , između kojih je privlačnost preslaba, odlikuju se tendencijom kondenzacije u čvrsto stanje. Molekule ugljika mogu ostati u plinovitom stanju samo ako održavate visoku temperaturu. Inače se tvar odmah stvrdne.

Prije nekog vremena sintetiziran je novi oblik čvrstog ugljika u SAD-u, u Nacionalnom laboratoriju Berkleev. Ovo je C36. I njegova molekula tvori 36 atoma ugljika. Tvar se formira zajedno s fulerenima C60. To se događa između dva grafitne elektrode, u uvjetima plamena struje luka. Znanstvenici sugeriraju da molekule nove tvari imaju zanimljiva kemijsko-električna svojstva koja još nisu proučavana.

grafit

Sada možete detaljnije opisati najpoznatije modifikacije tvari kao što je ugljik.

Grafit je prirodni mineral s slojevitom strukturom. Ovdje su njegove značajke:

• On je veliki dirigent.
• To je relativno meka tvar zbog svoje niske tvrdoće.
• Kada se zagrijava u odsutnosti zraka, otporna je.
• Ne topi se.
• Na dodir mastan, klizav.
• U prirodnom grafitu sadrži 10-12% nečistoća. To su u pravilu oksidi željeza i gline.

Ako govorimo o kemijskim svojstvima, vrijedi napomenuti da s soli i alkalijskih metala ova tvar tvori takozvane inkluzijske spojeve. Čak i grafit pri visokim temperaturama reagira s kisikom, gori do ugljični dioksid. Ali kontakt s neoksidirajućim kiselinama ne donosi nikakav rezultat - ta se tvar jednostavno ne otopi u njima.

Nanesite grafit u najrazličitijim sferama. Koristi se u proizvodnji obloga ploča i talionica, u proizvodnji grijaćih elemenata i elektroda. Bez sudjelovanja grafita nemoguće je dobiti sintetičke dijamante. Također igra ulogu moderatora neutrona u nuklearnim reaktorima. I, naravno, šipke za olovke su napravljene od njega, ometajući kaolin. A to je samo dio područja gdje se koristi.

dijamant

To je metastabilni mineral koji može postojati neograničeno vrijeme, što je donekle zbog snage i gustoće ugljika. Dijamant je najtvrđa supstanca na Mohsovoj skali, lako seče staklo.

Ima visoku toplinsku vodljivost, disperziju, indeks loma. To je izdržljivo, a da bi se otopilo, potrebna vam je temperatura od 4000 ° C i pritisak od oko 11 GPa. Njegova značajka je luminescencija, sposobnost sjaja u različitim bojama.

Ovo je rijetka, iako uobičajena tvar. Starost minerala, prema nekim istraživanjima, može biti u rasponu od 100 milijuna do 2,5 milijardi godina. Pronađeni su dijamanti izvanzemaljskog podrijetla, možda čak i prije sunca.

Ovaj mineral je našao svoju uporabu u nakitu. Rezani dijamant, nazvan dijamant, skup je, ali je njegov status kao dragulja i ljepote učinio ga još popularnijim. Inače, ova se tvar koristi iu izradi sjekutića, bušilica, noževa itd. Zbog svoje iznimne tvrdoće, mineral se koristi u mnogim industrijama.

karabin

Nastavljajući temu o tome što je ugljik, moramo reći nekoliko riječi o njegovoj modifikaciji, kao što je karbin. Izgleda kao crni kristalni prah, ima svojstva poluvodiča. Dobivena umjetno početkom 60-ih godina od strane sovjetskih znanstvenika.

Osobitost ove tvari je povećanje vodljivosti pod svjetlosnim efektom. Zato se počela koristiti u fotonaponskim ćelijama.

grafen

Ovo je prvi svjetski dvodimenzionalni kristal. Ova modifikacija ima veću mehaničku krutost od grafita i rekordnu toplinsku provodljivost, koja iznosi ~ 5 • 10 ³ W • m ⁻¹ • K -. Nosači grafena imaju visoku pokretljivost, zbog čega tvar ima izglede za njezinu primjenu u različitim primjenama. Vjeruje se da ona može postati buduća osnova nanoelektronike i čak zamijeniti silicij u integriranim krugovima.

Grafen se dobiva umjetno u znanstvenim laboratorijima. Za to je potrebno pribjeći mehaničkom odvajanju grafitnih slojeva od visoko orijentirane tvari. Tako uzmite uzorke visoke kvalitete s potrebnom pokretljivošću prijevoznika.

Njegova svojstva nisu u potpunosti proučena, ali znanstvenici su već zabilježili nešto zanimljivo. Primjerice, u grafenu nema kristalizacije Wingera. A u dvostrukom sloju materije, ponašanje elektrona sliči onom svojstvu tekućih kristala. Ako promatramo parametre cijepanja na kristalu, uspjeti ćemo dobiti nanostrukturu nalik na grafensku kutiju.

toksičnost

Ova je tema vrijedna spomena u zaključku priče o tome što je ugljik. Činjenica je da se ta tvar ispušta u atmosferu zajedno s ispušnim plinovima automobila. A također i kod sagorijevanja ugljena, podzemnog uplinjavanja iu mnogim drugim procesima.

Povećani sadržaj ove tvari u zraku dovodi do povećanja broja bolesti. To se osobito odnosi na pluća i gornje dišne ​​putove. No, toksični učinak je zbog interakcije prirode zračenja s β-čestice, što dovodi do činjenice da je kemijski sastav molekule mijenja i svojstva tvari - previše.