Ugljik je atom ugljika. Masa ugljenika

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 05:19

Jedan od najnevjerovatnijih elemenata koji mogu formirati ogromnu raznolikost jedinjenja organske i neorganske prirode je ugljik. Ovaj element je toliko neobičan po svojim svojstvima da mu je čak i Mendeljejev predvidio veliku budućnost, govoreći o karakteristikama koje još nisu otkrivene.

Kasnije je to praktično potvrđeno. Postalo je poznato da je to glavni biogeni element naše planete, koji je dio apsolutno svih živih bića. Osim toga, sposoban da postoji u oblicima koji se radikalno razlikuju po svim aspektima, ali se u isto vrijeme sastoje samo od atoma ugljika.

Uopšteno govoreći, ova struktura ima mnogo karakteristika i pokušaćemo da se pozabavimo njima u toku članka.

Ugljik: formula i pozicija u sistemu elemenata

U periodičnom sistemu, element ugljenik se nalazi u IV (prema novom modelu u 14) grupi, glavnoj podgrupi. Njegov serijski broj je 6, a atomska težina 12,011. Oznaka elementa sa znakom C označava njegovo ime na latinskom - carboneum. Postoji nekoliko različitih oblika u kojima postoji ugljenik. Njegova formula je stoga drugačija i zavisi od specifične modifikacije.

Međutim, za pisanje jednadžbi reakcija, notacija je specifična,naravno da imaju. Generalno, kada se govori o supstanciji u njenom čistom obliku, usvaja se molekularna formula ugljenika C, bez indeksiranja.

Historija otkrivanja elemenata

Sam ovaj element je poznat od antike. Uostalom, jedan od najvažnijih minerala u prirodi je ugalj. Stoga za stare Grke, Rimljane i druge nacionalnosti on nije bio tajna.

Osim ove sorte, korišteni su i dijamanti i grafit. S ovim potonjim je dugo bilo mnogo zbunjujućih situacija, jer su se često, bez analize sastava, uzimala takva jedinjenja za grafit, kao što su:

• srebrni olovo;
• željezni karbid;
• molibden sulfid.

Svi su bili obojeni u crno i stoga se smatraju grafitnim. Kasnije je ovaj nesporazum razjašnjen i ovaj oblik ugljika je postao sam.

Od 1725. godine dijamanti su od velike komercijalne važnosti, a 1970. godine savladana je tehnologija njihovog vještačkog dobijanja. Od 1779. godine, zahvaljujući radu Karla Scheelea, proučavaju se hemijska svojstva ugljika. Ovo je bio početak niza važnih otkrića na polju ovog elementa i postalo osnova za otkrivanje svih njegovih najjedinstvenijih karakteristika.

Izotopi ugljika i distribucija u prirodi

Uprkos činjenici da je predmetni element jedan od najvažnijih biogenih, njegov ukupan sadržaj u masi zemljine kore iznosi 0,15%. To je zbog činjenice da je podvrgnut stalnoj cirkulaciji, prirodnom ciklusu u prirodi.

U principu, postoji nekolikomineralna jedinjenja koja sadrže ugljenik. Ovo su takve prirodne pasmine kao što su:

• dolomiti i krečnjaci;
• antracit;
• uljni škriljac;
• prirodni plin;
• ugalj;
• ulje;
• lignit;
• peat;
• bitumen.

Osim ovoga, ne treba zaboraviti ni živa bića, koja su samo skladište ugljeničnih jedinjenja. Na kraju krajeva, formirali su proteine, masti, ugljikohidrate, nukleinske kiseline, što znači najvitalnije strukturne molekule. Općenito, u konverziji suhe tjelesne težine od 70 kg, 15 otpada na čisti element. I tako je sa svakom osobom, a da ne spominjemo životinje, biljke i druga stvorenja.

Ako uzmemo u obzir sastav zraka i vode, odnosno hidrosferu u cjelini i atmosferu, onda postoji mješavina ugljik-kiseonik, izražena formulom CO_{2. Dioksid ili ugljični dioksid jedan je od glavnih plinova koji čine zrak. Upravo u ovom obliku maseni udio ugljika iznosi 0,046%. Još više ugljičnog dioksida je otopljeno u vodama okeana.}

Atomska masa ugljika kao elementa je 12,011. Poznato je da se ova vrijednost izračunava kao aritmetički prosjek između atomskih težina svih izotopskih vrsta koje postoje u prirodi, uzimajući u obzir njihovu rasprostranjenost (u procentima). To važi i za predmetnu supstancu. Postoje tri glavna izotopa u kojima se nalazi ugljik. Ovo je:

• ¹²S - njegov maseni udio u velikoj većini je 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - radioaktivan, poluživot 5700 godina, stabilan beta emiter.

U praksi određivanja geohronološke starosti uzoraka široko se koristi radioaktivni izotop ¹⁴S, što je indikator zbog dugog perioda raspadanja.

Alotropske modifikacije elementa

Ugljik je element koji postoji kao jednostavna supstanca u nekoliko oblika. To jest, sposoban je da formira najveći broj alotropskih modifikacija poznatih danas.

1. Kristalne varijacije - postoje u obliku jakih struktura sa pravilnim rešetkama atomskog tipa. Ova grupa uključuje sorte kao što su:

• dijamanti;
• fullerene;
• grafiti;
• karabini;
• lonsdaleites;
• ugljična vlakna i cijevi.

Sve se razlikuju po strukturi kristalne rešetke, u čijim se čvorovima nalazi atom ugljika. Otuda potpuno jedinstvena, različita svojstva, fizička i hemijska.

2. Amorfni oblici - formirani su od atoma ugljika, koji je dio nekih prirodnih spojeva. Odnosno, ovo nisu čiste sorte, već sa nečistoćama drugih elemenata u malim količinama. Ova grupa uključuje:

• aktivni ugljen;
• kamen i drvo;
• čađa;
• karbonska nanopjena;
• antracit;
• stakleni ugljik;
• tehnička vrsta supstance.

Ujedinjuju ih i karakteristikestrukture kristalne rešetke, objašnjavanje i manifestovanje svojstava.

3. Jedinjenja ugljika u obliku klastera. Takva struktura u kojoj su atomi zatvoreni u posebnu konformaciju šupljinu iznutra, ispunjenu vodom ili jezgrima drugih elemenata. Primjeri:

• karbonski nanokonusi;
• astralens;
• dikarbon.

Fizička svojstva amorfnog ugljenika

Usled širokog spektra alotropskih modifikacija, teško je identifikovati bilo koja uobičajena fizička svojstva za ugljenik. Lakše je govoriti o određenom obliku. Na primjer, amorfni ugljik ima sljedeće karakteristike.

1. U srcu svih oblika su fino-kristalne vrste grafita.
2. Visoki toplotni kapacitet.
3. Dobra provodljiva svojstva.
4. Gustoća ugljenika je oko 2 g/cm³.
5. Kada se zagrije iznad 1600 ⁰C, dolazi do prelaska na grafitne forme.

Sorte čađi, drvenog uglja i kamena se široko koriste u industrijske svrhe. Oni nisu manifestacija modifikacije ugljenika u svom čistom obliku, već ga sadrže u veoma velikim količinama.

Kristalni ugljen

Postoji nekoliko opcija u kojima je ugljenik supstanca koja formira pravilne kristale različitih tipova, gde su atomi povezani u seriju. Kao rezultat, formiraju se sljedeće modifikacije.

1. Diamond. Struktura je kubna, u kojoj su spojena četiri tetraedra. Kao rezultat, sve kovalentne hemijske veze svakog atomamaksimalno zasićene i izdržljive. Ovo objašnjava fizička svojstva: gustina ugljenika je 3300 kg/m³. Visoka tvrdoća, nizak toplinski kapacitet, nedostatak električne provodljivosti - sve je to rezultat strukture kristalne rešetke. Postoje tehnički dobijeni dijamanti. Nastaju prilikom prelaska grafita u sledeću modifikaciju pod uticajem visoke temperature i određenog pritiska. Općenito, tačka topljenja dijamanta je visoka kao i čvrstoća - oko 3500 ⁰C.
2. Grafit. Atomi su raspoređeni slično strukturi prethodne supstance, međutim, samo tri veze su zasićene, a četvrta postaje duža i manje jaka, povezuje "slojeve" heksagonalnih prstenova rešetke. Kao rezultat toga, ispada da je grafit mekana, masna crna tvar na dodir. Ima dobru električnu provodljivost i visoku tačku topljenja - 3525 ⁰C. Sposoban za sublimaciju - sublimacija iz čvrstog u gasovito stanje, zaobilazeći tečno stanje (na temperaturi od 3700 ⁰S). Gustina ugljika je 2,26 g/cm^3, što je mnogo manje od dijamanta. Ovo objašnjava njihova različita svojstva. Zbog slojevite strukture kristalne rešetke, moguće je koristiti grafit za izradu olovke. Kada se prevuče preko papira, ljuspice se ljušte i ostavljaju crni trag na papiru.
3. Fullerenes. Otvoreni su tek 80-ih godina prošlog veka. To su modifikacije u kojima su ugljici međusobno povezani u posebnu konveksnu zatvorenu strukturu, koja ima u središtupraznina. I oblik kristala - poliedar, ispravna organizacija. Broj atoma je paran. Najpoznatiji oblik fulerena je S₆₀. Tokom istraživanja pronađeni su uzorci slične supstance:

• meteoriti;
• donji sedimenti;
• folgurite;
• shungite;
• vanjski prostor, gdje se nalazi u obliku plinova.

Sve varijante kristalnog ugljika su od velike praktične važnosti, jer imaju niz svojstava korisnih u inženjerstvu.

Reaktivnost

Molekularni ugljenik pokazuje nisku reaktivnost zbog svoje stabilne konfiguracije. Može se natjerati da uđe u reakcije samo dodavanjem dodatne energije atomu i prisiljavanjem elektrona vanjskog nivoa da ispare. U ovom trenutku, valencija postaje 4. Prema tome, u jedinjenjima ima oksidacijsko stanje od + 2, + 4, - 4.

Praktično sve reakcije sa jednostavnim supstancama, i metalima i nemetalima, odvijaju se pod uticajem visokih temperatura. Dotični element može biti i oksidacijski i redukcijski agens. Međutim, ova potonja svojstva su kod njega posebno izražena i to je osnova za njegovu upotrebu u metalurškoj i drugim industrijama.

Uopšteno govoreći, sposobnost ulaska u hemijsku interakciju zavisi od tri faktora:

• disperzija ugljika;
• alotropska modifikacija;
• temperatura reakcije.

Dakle, u nekim slučajevima postoji interakcija sa sljedećimsupstance:

• nemetali (vodonik, kiseonik);
• metali (aluminij, gvožđe, kalcijum i drugi);
• metalni oksidi i njihove soli.

Ne reaguje sa kiselinama i alkalijama, veoma retko sa halogenima. Najvažnije od svojstava ugljika je sposobnost međusobnog formiranja dugih lanaca. Mogu se zatvoriti u ciklus, formirati grane. Tako se formiraju organska jedinjenja, kojih se danas broji u milionima. Osnova ovih spojeva su dva elementa - ugljik, vodonik. Drugi atomi također mogu biti uključeni: kisik, dušik, sumpor, halogeni, fosfor, metali i drugi.

Glavna jedinjenja i njihove karakteristike

Postoji mnogo različitih jedinjenja koja sadrže ugljenik. Formula najpoznatijeg od njih je CO₂ - ugljični dioksid. Međutim, pored ovog oksida postoji i CO - monoksid ili ugljen monoksid, kao i suboksid C₃O₂.

Među solima koje sadrže ovaj element, najčešći su kalcijum i magnezijum karbonati. Dakle, kalcijum karbonat ima nekoliko sinonima u nazivu, jer se u prirodi javlja u obliku:

• kreda;
• marble;
• krečnjak;
• dolomit.

Važnost karbonata zemnoalkalnih metala očituje se u tome što su oni aktivni učesnici u formiranju stalaktita i stalagmita, kao i podzemnih voda.

Ugljena kiselina je još jedno jedinjenje koje formira ugljenik. Njegova formula jeH₂CO₃. Međutim, u svom uobičajenom obliku, izuzetno je nestabilan i odmah se raspada na ugljični dioksid i vodu u otopini. Stoga su poznate samo njegove soli, a ne ona sama, kao rješenje.

Ugljični halogenidi - dobijaju se uglavnom indirektno, pošto se direktna sinteza odvija samo na vrlo visokim temperaturama i sa malim prinosom proizvoda. Jedan od najčešćih - CCL₄ - ugljen-tetrahlorid. Toksičan spoj koji može uzrokovati trovanje ako se udiše. Dobija se reakcijama radikalne fotohemijske supstitucije atoma vodika u metanu.

Metalni karbidi su jedinjenja ugljenika u kojima pokazuje oksidaciono stanje 4. Moguće je i postojanje asocijacija sa borom i silicijumom. Glavno svojstvo karbida nekih metala (aluminij, volfram, titan, niobij, tantal, hafnij) je visoka čvrstoća i odlična električna provodljivost. Bor karbid V₄S jedna je od najtvrđih supstanci nakon dijamanta (9,5 prema Mohsu). Ova jedinjenja se koriste u mašinstvu, kao i u hemijskoj industriji, kao izvori za proizvodnju ugljovodonika (kalcijum karbid sa vodom dovodi do stvaranja acetilena i kalcijum hidroksida).

Mnoge legure metala su napravljene korišćenjem ugljenika, čime se značajno povećava njihov kvalitet i tehničke karakteristike (čelik je legura gvožđa i ugljenika).

Posebnu pažnju zaslužuju brojna organska jedinjenja ugljenika, u kojima je on osnovni element sposoban da se kombinuje sa istim atomima u dugačke lance različitih struktura. Ovo uključuje:

• alkanes;
• alkenes;
• arene;
• proteini;
• ugljikohidrati;
• nukleinske kiseline;
• alkoholi;
• karboksilne kiseline i mnoge druge klase supstanci.

Upotreba ugljenika

Važnost jedinjenja ugljenika i njihovih alotropskih modifikacija u ljudskom životu je veoma velika. Možete navesti neke od najglobalnijih industrija kako biste jasno pokazali da je to istina.

1. Ovaj element formira sve vrste fosilnih goriva iz kojih osoba dobija energiju.
2. Metalurška industrija koristi ugljenik kao najjače redukciono sredstvo za dobijanje metala iz njihovih jedinjenja. Karbonati se ovdje također široko koriste.
3. Građevinarstvo i hemijska industrija troše ogromne količine ugljičnih jedinjenja da bi sintetizovale nove supstance i dobile potrebne proizvode.

Takve sektore privrede možete imenovati kao:

• nuklearna industrija;
• nakit;
• tehnička oprema (maziva, lonci otporni na toplotu, olovke, itd.);
• određivanje geološke starosti stijena - radioaktivni tragač ¹⁴S;
• ugljik je odličan adsorbent, što ga čini pogodnim za izradu filtera.

Cirkulacija u prirodi

Masa ugljika pronađena u prirodi uključena je u konstantan ciklus koji svake sekunde kruži oko svijeta. Tako se atmosferski izvor ugljika - CO₂, apsorbirabiljke i oslobađaju ga sva živa bića u procesu disanja. Kada uđe u atmosferu, ponovo se apsorbuje, tako da se ciklus ne zaustavlja. Istovremeno, odumiranje organskih ostataka dovodi do oslobađanja ugljika i njegovog nagomilavanja u zemlji, odakle ga ponovo apsorbuju živi organizmi i ispuštaju u atmosferu u obliku gasa.