طرح کاربرد کربن ویژگی های کربن - عنصر و خواص شیمیایی

یکی از شگفت انگیزترین عناصری که می تواند طیف عظیمی از ترکیبات آلی و معدنی را تشکیل دهد، کربن است. این عنصر از نظر خصوصیات آنقدر غیرعادی است که حتی مندلیف با صحبت از ویژگی هایی که هنوز فاش نشده است، آینده بزرگی را برای آن پیش بینی کرد.

بعداً این عملاً تأیید شد. مشخص شد که این عنصر اصلی بیوژنیک سیاره ما است که بخشی از مطلق همه موجودات زنده است. علاوه بر این، می تواند در اشکالی وجود داشته باشد که از همه جهات کاملاً متفاوت است، اما در عین حال فقط از اتم های کربن تشکیل شده است.

به طور کلی این ساختار ویژگی های زیادی دارد که در ادامه مقاله سعی می کنیم به آن ها بپردازیم.

کربن: فرمول و موقعیت در سیستم عناصر

در سیستم تناوبی عنصر کربن در گروه IV (طبق مدل جدید در 14) زیرگروه اصلی قرار دارد. عدد اتمی آن 6 و وزن اتمی آن 12.011 است. تعیین عنصر با علامت C نشان دهنده نام آن به لاتین - carboneum است. کربن به اشکال مختلفی وجود دارد. بنابراین، فرمول آن متفاوت است و به اصلاح خاص بستگی دارد.

با این حال، البته، یک نام خاص برای نوشتن معادلات واکنش وجود دارد. به طور کلی، هنگامی که در مورد یک ماده به شکل خالص آن صحبت می شود، فرمول مولکولی کربن C بدون نمایه سازی اتخاذ می شود.

تاریخچه کشف عنصر

این عنصر به خودی خود از دوران باستان شناخته شده است. به هر حال یکی از مهمترین مواد معدنی موجود در طبیعت زغال سنگ است. بنابراین، برای یونانیان باستان، رومی ها و سایر ملیت ها، او راز نبود.

علاوه بر این تنوع، از الماس و گرافیت نیز استفاده می شد. برای مدت طولانی موقعیت های گیج کننده زیادی با دومی وجود داشت، زیرا اغلب، بدون تجزیه و تحلیل ترکیب، از چنین ترکیباتی برای گرافیت استفاده می شد، مانند:

• سرب نقره ای؛
• کاربید آهن؛
• سولفید مولیبدن

همه آنها سیاه رنگ شده بودند و به همین دلیل گرافیت محسوب می شدند. بعداً این سوء تفاهم برطرف شد و این شکل از کربن خودش شد.

از سال 1725، الماس از اهمیت تجاری زیادی برخوردار شد و در سال 1970، فناوری به دست آوردن مصنوعی آنها تسلط یافت. از سال 1779، به لطف کار کارل شیله، خواص شیمیایی که کربن از خود نشان می دهد مورد مطالعه قرار گرفته است. این آغاز تعدادی از اکتشافات مهم در زمینه این عنصر بود و مبنایی برای روشن شدن تمام ویژگی های منحصر به فرد آن شد.

ایزوتوپ های کربن و توزیع در طبیعت

علیرغم این واقعیت که عنصر مورد بررسی یکی از مهمترین عناصر بیوژنیک است، محتوای کل آن در جرم پوسته زمین 0.15٪ است. این به دلیل این واقعیت است که در معرض گردش ثابت، چرخه طبیعی در طبیعت است.

به طور کلی چندین ترکیب معدنی حاوی کربن وجود دارد. اینها نژادهای طبیعی هستند مانند:

• دولومیت و سنگ آهک؛
• آنتراسیت;
• شیل نفتی;
• گاز طبیعی؛
• زغال سنگ;
• روغن؛
• زغال سنگ قهوه ای؛
• ذغال سنگ نارس؛
• قیر

علاوه بر این، ما نباید موجودات زنده را که فقط مخزنی از ترکیبات کربن هستند، فراموش کنیم. پس از همه، آنها پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات ها، اسیدهای نوکلئیک را تشکیل دادند که به معنای حیاتی ترین مولکول های ساختاری است. به طور کلی، در تبدیل وزن خشک بدن از 70 کیلوگرم، 15 بر روی یک عنصر خالص می افتد. و در مورد هر شخص نیز چنین است، نه از حیوانات، گیاهان و سایر موجودات.

اگر آب، یعنی هیدروسفر به عنوان یک کل و اتمسفر را نیز در نظر بگیریم، آنگاه یک مخلوط کربن و اکسیژن وجود دارد که با فرمول CO 2 بیان می شود. دی اکسید یا دی اکسید کربن یکی از گازهای اصلی تشکیل دهنده هوا است. در این شکل است که کسر جرمی کربن 0.046٪ است. حتی دی اکسید کربن بیشتری در آب های اقیانوس ها حل می شود.

جرم اتمی کربن به عنوان یک عنصر 12.011 است. مشخص است که این مقدار به عنوان میانگین حسابی بین وزن اتمی همه گونه های ایزوتوپی موجود در طبیعت با در نظر گرفتن فراوانی آنها (به صورت درصد) محاسبه می شود. این موضوع در مورد ماده مورد بحث نیز صادق است. سه ایزوتوپ اصلی وجود دارد که کربن در آنها یافت می شود. این:

• 12 C - کسر جرمی آن در اکثریت قریب به اتفاق 98.93٪ است.
• 13 C - 1.07٪;
• 14 C - رادیواکتیو، نیمه عمر 5700 سال، ساطع کننده بتا پایدار.

در عمل تعیین سن زمین شناسی نمونه ها، ایزوتوپ رادیواکتیو 14 C به طور گسترده ای استفاده می شود که به دلیل دوره واپاشی طولانی آن یک شاخص است.

تغییرات آلوتروپیک یک عنصر

کربن عنصری است که به صورت یک ماده ساده به اشکال مختلف وجود دارد. یعنی قادر به ایجاد بیشترین تعداد تغییرات آلوتروپیک شناخته شده امروزی است.

1. تغییرات کریستالی - به شکل ساختارهای قوی با شبکه های معمولی از نوع اتمی وجود دارد. این گروه شامل انواع زیر است:

• الماس؛
• فولرن ها؛
• گرافیت ها
• کارابین ها
• lonsdaleites;
• و لوله ها

همه آنها در شبکه ها متفاوت هستند که در گره های آنها یک اتم کربن وجود دارد. از این رو خواص کاملاً منحصر به فرد و غیر مشابه، چه فیزیکی و چه شیمیایی.

2. اشکال آمورف - آنها توسط یک اتم کربن، که بخشی از برخی از ترکیبات طبیعی است، تشکیل می شوند. یعنی اینها انواع خالص نیستند، بلکه با ناخالصی عناصر دیگر در مقادیر کم هستند. این گروه شامل:

• کربن فعال؛
• سنگ و چوب؛
• دوده؛
• نانوفوم کربنی؛
• آنتراسیت;
• کربن شیشه ای؛
• نوع فنی ماده

آنها همچنین با ویژگی های ساختاری شبکه کریستالی متحد می شوند که ویژگی ها را توضیح می دهد و آشکار می کند.

3. ترکیبات کربنی به صورت خوشه ای. چنین ساختاری که در آن اتم ها از داخل در یک حفره ساختاری خاص بسته شده و با آب یا هسته عناصر دیگر پر شده اند. مثال ها:

• نانو مخروط کربنی؛
• astralenes;
• دی کربن

خواص فیزیکی کربن آمورف

با توجه به تنوع گسترده اصلاحات آلوتروپیک، شناسایی هر گونه ویژگی فیزیکی رایج برای کربن دشوار است. صحبت در مورد یک فرم خاص آسان تر است. به عنوان مثال، کربن آمورف دارای ویژگی های زیر است.

1. در قلب همه اشکال، انواع ریز دانه گرافیت وجود دارد.
2. ظرفیت حرارتی بالا.
3. خواص رسانایی خوب
4. چگالی کربن حدود 2 گرم بر سانتی متر مکعب است.
5. هنگامی که در دمای بالای 1600 درجه سانتیگراد گرم می شود، انتقال به اشکال گرافیت وجود دارد.

دوده، و انواع سنگ به طور گسترده ای برای اهداف مهندسی استفاده می شود. آنها مظهر اصلاح کربن در شکل خالص آن نیستند، اما آن را در مقادیر بسیار زیاد دارند.

کربن کریستالی

گزینه های مختلفی وجود دارد که در آنها کربن ماده ای است که کریستال های منظمی از انواع مختلف را تشکیل می دهد که در آن اتم ها به صورت سری به هم متصل می شوند. در نتیجه تغییرات زیر شکل می گیرد.

1. - مکعب، که در آن چهار چهار وجهی به هم وصل شده است. در نتیجه، تمام پیوندهای شیمیایی کووالانسی هر اتم حداکثر اشباع و قوی هستند. این ویژگی های فیزیکی را توضیح می دهد: چگالی کربن 3300 کیلوگرم بر متر مکعب است. سختی بالا، ظرفیت گرمایی کم، عدم هدایت الکتریکی - همه اینها نتیجه ساختار شبکه کریستالی است. الماس های فنی به دست آمده وجود دارد. آنها در طول انتقال گرافیت به اصلاح بعدی تحت تأثیر دمای بالا و فشار معین تشکیل می شوند. به طور کلی، به اندازه قدرت است - حدود 3500 0 C.
2. گرافیت. اتم ها به طور مشابه ساختار ماده قبلی مرتب شده اند، با این حال، تنها سه پیوند اشباع شده است، و چهارم طولانی تر و ضعیف تر می شود، "لایه های" حلقه های شش ضلعی شبکه را به هم متصل می کند. در نتیجه، معلوم می شود که گرافیت یک ماده سیاه نرم و چرب در لمس است. رسانایی الکتریکی خوبی دارد و نقطه ذوب بالایی دارد - 3525 0 C. قادر به تصعید - تصعید از حالت جامد به حالت گازی با دور زدن حالت مایع (در دمای 3700 0 C) است. چگالی کربن 2.26 گرم بر سانتی متر مکعب است که بسیار کمتر از چگالی الماس است. این ویژگی های مختلف آنها را توضیح می دهد. با توجه به ساختار لایه ای شبکه کریستالی، امکان استفاده از گرافیت برای ساخت سرب های مدادی وجود دارد. وقتی روی کاغذ حمل می‌شود، فلس‌ها کنده می‌شوند و لکه‌ای سیاه روی کاغذ می‌گذارند.
3. فولرن ها آنها فقط در دهه 80 قرن گذشته افتتاح شدند. آنها تغییراتی هستند که در آن کربن ها به یک ساختار بسته محدب خاص با یک فضای خالی در مرکز متصل می شوند. و شکل یک کریستال - یک چند وجهی، سازمان صحیح. تعداد اتم ها زوج است. معروف ترین فرم فولرن C 60. نمونه هایی از یک ماده مشابه در طول تحقیقات پیدا شد:

• شهاب سنگ ها
• رسوبات پایین؛
• فولگوریت ها
• شونگیت ها
• فضای بیرونی، جایی که آنها به شکل گازها موجود بودند.

همه انواع کربن کریستالی از اهمیت عملی زیادی برخوردار هستند، زیرا دارای تعدادی خواص فنی مفید هستند.

فعالیت شیمیایی

کربن مولکولی به دلیل پیکربندی پایدار خود واکنش پذیری کمی از خود نشان می دهد. تنها با دادن انرژی اضافی به اتم و وادار کردن الکترون‌های سطح بیرونی به تبخیر، می‌توان آن را مجبور کرد وارد واکنش‌ها شود. در این مرحله ظرفیت 4 می شود بنابراین در ترکیبات حالت اکسیداسیون + 2، + 4، - 4 دارد.

تقریباً تمام واکنش‌ها با مواد ساده، اعم از فلزات و غیرفلزات، تحت تأثیر دمای بالا انجام می‌شوند. عنصر مورد نظر می تواند هم یک عامل اکسید کننده و هم یک عامل کاهنده باشد. با این حال، ویژگی های اخیر به ویژه در آن برجسته است و استفاده از آن در صنایع متالورژی و سایر صنایع بر این اساس است.

به طور کلی، توانایی وارد شدن به یک برهمکنش شیمیایی به سه عامل بستگی دارد:

• پراکندگی کربن؛
• اصلاح آلوتروپیک؛
• دمای واکنش

بنابراین، در برخی موارد، تعامل با مواد زیر رخ می دهد:

• غیر فلزات (هیدروژن، اکسیژن)؛
• فلزات (آلومینیوم، آهن، کلسیم و غیره)؛
• اکسیدهای فلزی و نمکهای آنها

با اسیدها و قلیاها و به ندرت با هالوژن ها واکنش نمی دهد. مهمترین ویژگی کربن توانایی تشکیل زنجیرهای بلند با یکدیگر است. آنها می توانند در یک چرخه بسته شوند، شاخه ها را تشکیل دهند. این نحوه تشکیل ترکیبات آلی است که امروزه به میلیون ها نفر می رسد. اساس این ترکیبات دو عنصر است - کربن، هیدروژن. سایر اتم ها نیز ممکن است در ترکیب گنجانده شوند: اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن، فسفر، فلزات و غیره.

ترکیبات اساسی و خصوصیات آنها

بسیاری از ترکیبات مختلف حاوی کربن هستند. فرمول معروف ترین آنها CO 2 - دی اکسید کربن است. با این حال، علاوه بر این اکسید، CO - مونوکسید یا مونوکسید کربن و همچنین ساب اکسید C 3 O 2 نیز وجود دارد.

در میان نمک های حاوی این عنصر، متداول ترین آنها کربنات کلسیم و منیزیم است. بنابراین، کربنات کلسیم چندین مترادف در نام دارد، زیرا در طبیعت به شکل زیر وجود دارد:

• گچ؛
• سنگ مرمر؛
• سنگ آهک؛
• دولومیت

اهمیت کربنات های فلزات قلیایی خاکی در این واقعیت آشکار می شود که آنها شرکت کنندگان فعال در فرآیندهای تشکیل استالاکتیت ها و استالاگمیت ها و همچنین آب های زیرزمینی هستند.

اسید کربنیک ترکیب دیگری است که کربن را تشکیل می دهد. فرمول آن H 2 CO 3 است. با این حال، در شکل معمول خود، بسیار ناپایدار است و بلافاصله به دی اکسید کربن و آب در محلول تجزیه می شود. بنابراین، تنها املاح آن شناخته شده است و نه خود، به عنوان یک محلول.

هالیدهای کربن - عمدتاً به طور غیرمستقیم به دست می آیند، زیرا سنتز مستقیم فقط در دماهای بسیار بالا و با بازده محصول کم اتفاق می افتد. یکی از رایج ترین - CCL 4 - تتراکلرید کربن. ترکیبی سمی که در صورت استنشاق می تواند باعث مسمومیت شود. با واکنش های جایگزینی فتوشیمیایی رادیکال در متان به دست می آید.

کاربیدهای فلزی ترکیبات کربنی هستند که در آنها حالت اکسیداسیون 4 را نشان می دهد. ارتباط با بور و سیلیکون نیز امکان پذیر است. خاصیت اصلی کاربیدهای برخی از فلزات (آلومینیوم، تنگستن، تیتانیوم، نیوبیم، تانتالم، هافنیوم) استحکام بالا و هدایت الکتریکی عالی است. کاربید بور B 4 C یکی از سخت ترین مواد بعد از الماس است (9.5 به گفته Mohs). این ترکیبات در مهندسی و همچنین در صنایع شیمیایی به عنوان منابعی برای تولید هیدروکربن ها استفاده می شوند (کاربید کلسیم با آب منجر به تشکیل استیلن و هیدروکسید کلسیم می شود).

بسیاری از آلیاژهای فلزی با استفاده از کربن ساخته می شوند و در نتیجه کیفیت و ویژگی های فنی آنها به طور قابل توجهی افزایش می یابد (فولاد آلیاژی از آهن و کربن است).

ترکیبات کربن آلی متعددی سزاوار توجه ویژه هستند، که در آنها کربن یک عنصر اساسی است که قادر به ترکیب با اتم های مشابه در زنجیره های بلند از ساختارهای مختلف است. این شامل:

• آلکان ها
• آلکن ها
• عرصه ها؛
• پروتئین ها؛
• کربوهیدرات ها؛
• اسیدهای نوکلئیک؛
• الکل ها
• اسیدهای کربوکسیلیک و بسیاری از کلاس های دیگر از مواد.

کاربرد کربن

اهمیت ترکیبات کربن و تغییرات آلوتروپیک آن در زندگی انسان بسیار زیاد است. می توانید چند مورد از جهانی ترین صنایع را نام ببرید تا روشن شود که این درست است.

1. این عنصر همه انواع سوخت آلی را تشکیل می دهد که فرد از آن انرژی دریافت می کند.
2. صنعت متالورژی از کربن به عنوان قوی ترین عامل احیا کننده برای به دست آوردن فلزات از ترکیبات آنها استفاده می کند. کربنات ها نیز در اینجا به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.
3. ساخت و ساز و صنایع شیمیایی مقدار زیادی از ترکیبات کربنی را برای سنتز مواد جدید و به دست آوردن محصولات لازم مصرف می کنند.

همچنین می‌توانید بخش‌هایی از اقتصاد را نام ببرید:

• صنعت هسته ای؛
• تجارت طلا و جواهر؛
• تجهیزات فنی (روان کننده ها، بوته های مقاوم در برابر حرارت، مدادها و غیره)؛
• تعیین سن زمین شناسی سنگ ها - ردیاب رادیواکتیو 14 C;
• کربن یک جاذب عالی است که امکان استفاده از آن را برای ساخت فیلترها فراهم می کند.

چرخه در طبیعت

توده کربن موجود در طبیعت در یک چرخه ثابت است که در هر ثانیه در سراسر جهان می چرخد. بنابراین، منبع اتمسفر کربن - CO 2 - توسط گیاهان جذب شده و توسط همه موجودات زنده در فرآیند تنفس آزاد می شود. هنگامی که در جو قرار می گیرد، دوباره جذب می شود و بنابراین چرخه متوقف نمی شود. در عین حال، مرگ بقایای آلی منجر به آزاد شدن کربن و تجمع آن در زمین می شود و از آنجا دوباره توسط موجودات زنده جذب می شود و به شکل گاز در جو منتشر می شود.

نمی توان به طور خلاصه توضیح داد که کربن چیست. بالاخره اساس زندگی است. این عنصر در تمام ترکیبات آلی یافت می شود و تنها آن می تواند مولکول های DNA را از میلیون ها اتم تشکیل دهد. خواص آن متعدد است، بنابراین ارزش دارد که در مورد آن با جزئیات بیشتر صحبت شود.

فرمول، نماد، ویژگی ها

این عنصر که در جدول زیر شماره سریال شش قرار دارد با علامت "C" نشان داده می شود. فرمول ساختاری الکترونیکی کربن به شرح زیر است: 1s 2 2s 2 2p 2 . جرم آن 12.0107 amu است. این ماده دارای:

• دو الکترون جفت نشده در حالت پایه. ظرفیت II را نشان می دهد.
• چهار الکترون جفت نشده در حالت برانگیخته. ظرفیت IV را نشان می دهد.

لازم به ذکر است که توده مشخصی از کربن در پوسته زمین وجود دارد. به طور دقیق 0.023٪. عمدتاً در قسمت بالایی، در زیست کره تجمع می یابد. بیشتر جرم کربن موجود در لیتوسفر در دولومیت ها و سنگ های آهکی به شکل کربنات ها تجمع می یابد.

خصوصیات فیزیکی

پس کربن چیست؟ این ماده ای است که در تنوع عظیمی از تغییرات آلوتروپیک وجود دارد و خواص فیزیکی آنها را می توان برای مدت طولانی فهرست کرد. و تنوع مواد با توانایی کربن برای تشکیل پیوندهای شیمیایی از انواع مختلف تعیین می شود.

در مورد خواص کربن به عنوان یک ماده ساده چطور؟ آنها را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

• در شرایط عادی، چگالی 2.25 گرم بر سانتی متر مکعب است.
• نقطه جوش 3506.85 درجه سانتی گراد است.
• ظرفیت گرمایی مولی - 8.54 J / (K.mol).
• دمای انتقال فاز بحرانی (زمانی که گاز در هیچ فشاری متراکم نمی شود) 4130 کلوین، 12 مگاپاسکال است.
• حجم مولی 5.3 cm³/mol.

همچنین ارزش فهرست کردن تغییرات کربن را دارد.

از مواد کریستالی معروفترین آنها عبارتند از: الماس، کاربین، گرافیت، نانوالماس، فولریت، لونسدالیت، فولرن و الیاف کربن.

سازندهای آمورف عبارتند از: چوب، فسیل و کربن فعال، آنتراسیت، کک، کربن شیشه ای، دوده، کربن سیاه و نانوفوم.

اما هیچ یک از موارد فوق شکل آلوتروپیک خالص ماده مورد بحث نیست. اینها فقط ترکیبات شیمیایی هستند که کربن در آنها با غلظت بالا وجود دارد.

ساختار

جالب اینجاست که اوربیتال های الکترونی اتم کربن یکسان نیستند. هندسه های متفاوتی دارند. همه اینها به درجه هیبریداسیون بستگی دارد. سه هندسه که بیشتر با آن مواجه می شوند وجود دارد:

• چهار وجهی. هنگامی که سه الکترون p و یک s با هم مخلوط می شوند تشکیل می شود. این هندسه اتم کربن در لونسدالیت و الماس مشاهده می شود. متان و سایر هیدروکربن ها ساختار مشابهی دارند.
• سه ضلعی. این هندسه از مخلوطی از دو اوربیتال الکترون p و یک s تشکیل شده است. عنصر p دیگر در هیبریداسیون شرکت نمی کند، اما در تشکیل پیوند π با اتم های دیگر نقش دارد. این ساختار مشخصه فنل، گرافیت و سایر تغییرات است.
• دیگونال. این ساختار به دلیل اختلاط الکترون های s و p (یک در یک زمان) تشکیل می شود. جالب اینجاست که ابرهای الکترونی شبیه دمبل های نامتقارن هستند. آنها در این جهت کشیده شده اند. دو الکترون p دیگر پیوندهای π بدنام را تشکیل می دهند. این هندسه برای کارابین معمولی است.

چندی پیش، در سال 2010، دانشمندان دانشگاه ناتینگهام ترکیبی را کشف کردند که در آن چهار اتم به طور همزمان در یک صفحه قرار داشتند. نام آن دیلیتیو متاندیوم مونومری است.

مولکول ها

ارزش دارد در مورد آنها جداگانه صحبت شود. اتم های ماده مورد بحث می توانند ترکیب شوند، در نتیجه مولکول های کربن پیچیده تشکیل می شوند. از Na، C2 و H2 اشباع شده، که بین آنها جاذبه بسیار کمی وجود دارد، آنها با تمایل خود به متراکم شدن به حالت جامد متمایز می شوند. مولکول‌های کربن تنها در صورتی می‌توانند در حالت گازی باقی بمانند که درجه حرارت بالا حفظ شود. در غیر این صورت، ماده بلافاصله سفت می شود.

مدتی پیش در ایالات متحده، در آزمایشگاه ملی برکلی، شکل جدیدی از کربن جامد سنتز شد. این C36 است. و مولکول آن 36 اتم کربن را تشکیل می دهد. این ماده همراه با فولرن های C60 تشکیل می شود. این اتفاق بین دو الکترود گرافیت، در شرایط شعله تخلیه قوس الکتریکی رخ می‌دهد. دانشمندان پیشنهاد می کنند که مولکول های ماده جدید دارای خواص شیمیایی و الکتریکی جالبی هستند که هنوز مورد مطالعه قرار نگرفته است.

گرافیت

اکنون می توانیم با جزئیات بیشتری در مورد معروف ترین اصلاحات چنین ماده ای مانند کربن صحبت کنیم.

گرافیت یک کانی بومی با ساختار لایه ای است. در اینجا ویژگی های آن است:

• برق را خیلی خوب هدایت می کند.
• به دلیل سختی کم، ماده ای نسبتاً نرم است.
• هنگامی که در غیاب هوا گرم می شود، پایداری را نشان می دهد.
• ذوب نمی شود
• روغنی، لغزنده در لمس.
• گرافیت طبیعی حاوی 10-12 درصد ناخالصی است. به عنوان یک قاعده، اینها اکسیدهای آهن و خاک رس هستند.

اگر در مورد خواص شیمیایی صحبت کنیم، شایان ذکر است که با نمک ها و فلزات قلیایی، این ماده به اصطلاح ترکیبات گنجانده را تشکیل می دهد. گرافیت همچنین در دماهای بالا با اکسیژن واکنش می دهد و به دی اکسید کربن می سوزد. اما تماس با اسیدهای غیر اکسید کننده نتیجه ای ندارد - این ماده به سادگی در آنها حل نمی شود.

گرافیت در زمینه های مختلف کاربرد دارد. در ساخت صفحات آستر و بوته های ذوب، در تولید عناصر گرمایش و الکترود استفاده می شود. بدون مشارکت گرافیت، دستیابی به الماس مصنوعی غیرممکن است. همچنین نقش تعدیل کننده نوترون را در راکتورهای هسته ای ایفا می کند. و البته سرب های مدادی از آن ساخته می شود که با کائولن تداخل دارد. و این تنها بخشی از مناطقی است که از آن استفاده می شود.

الماس

این ماده معدنی غیرپایدار است که تا حدودی به دلیل استحکام و چگالی کربن می تواند به طور نامحدود وجود داشته باشد. الماس سخت ترین ماده در مقیاس Mohs است و می تواند به راحتی شیشه را برش دهد.

دارای هدایت حرارتی بالا، پراکندگی، ضریب شکست. مقاوم در برابر سایش است و برای ذوب شدن آن به دمای 4000 درجه سانتی گراد و فشار حدود 11 گیگا پاسکال نیاز دارید. ویژگی آن لومینسانس، توانایی درخشش در رنگ های مختلف است.

این یک ماده نادر، هرچند رایج است. سن مواد معدنی، طبق مطالعات خاص، می تواند از 100 میلیون تا 2.5 میلیارد سال متغیر باشد. الماس هایی با منشا فرازمینی، احتمالاً حتی پیش از خورشید، کشف شده اند.

این ماده معدنی کاربرد خود را در جواهرات پیدا کرده است. الماس تراش خورده که برلیانت نامیده می شود گران است، اما جایگاه آن به عنوان یک جواهر و زیبایی آن باعث محبوبیت بیشتر آن شده است. ضمناً از این ماده در ساخت کاتر، مته، چاقو و ... نیز استفاده می شود و به دلیل سختی استثنایی، این ماده معدنی در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد.

کارابین

در ادامه مبحث کربن چیست، لازم است چند کلمه در مورد اصلاحی مانند کاربین گفته شود. به نظر می رسد یک پودر کریستالی ریز سیاه، دارای خواص نیمه هادی است. به طور مصنوعی در اوایل دهه 60 توسط دانشمندان شوروی به دست آمد.

ویژگی این ماده در افزایش رسانایی تحت تأثیر نور است. به همین دلیل استفاده از آن در فتوسل ها آغاز شد.

گرافن

این اولین کریستال دو بعدی جهان است. این اصلاح دارای استحکام مکانیکی بالاتری نسبت به گرافیت و رسانایی حرارتی بالای ~5.10 3 Wm-1.K- است. حامل های شارژ گرافن تحرک بالایی دارند، به همین دلیل است که این ماده از نظر استفاده در کاربردهای مختلف چشم اندازی دارد. اعتقاد بر این است که می تواند اساس آینده نانوالکترونیک باشد و حتی جایگزین سیلیکون در مدارهای مجتمع شود.

گرافن به صورت مصنوعی در آزمایشگاه های علمی به دست می آید. برای انجام این کار، باید به جداسازی مکانیکی لایه‌های گرافیت از یک ماده بسیار جهت‌دار متوسل شد. به این ترتیب نمونه های باکیفیت با تحرک حامل مورد نیاز به دست می آید.

خواص آن به طور کامل مورد مطالعه قرار نگرفته است، اما دانشمندان قبلاً به نکته جالب توجه کرده اند. به عنوان مثال، تبلور وینگر در گرافن وجود ندارد. و در یک لایه مضاعف از ماده، رفتار الکترون ها شبیه رفتاری است که مشخصه کریستال های مایع است. اگر پارامترهای براده برداری روی کریستال رعایت شود، می توان یک نانوساختار جعبه ای شکل گرافنی به دست آورد.

سمیت

این موضوع در پایان داستان در مورد چیستی کربن قابل توجه است. واقعیت این است که این ماده همراه با گازهای خروجی اگزوز خودروها در جو منتشر می شود. و همچنین هنگام سوزاندن زغال سنگ، تبدیل به گاز زیرزمینی و در بسیاری از فرآیندهای دیگر.

افزایش محتوای این ماده در هوا منجر به افزایش تعداد بیماری ها می شود. به ویژه، این امر در مورد ریه ها و دستگاه تنفسی فوقانی صدق می کند. و اثر سمی ناشی از برهمکنش ماهیت تابش با ذرات β است که منجر به این واقعیت می شود که ترکیب شیمیایی مولکول و خواص ماده نیز تغییر می کند.

در نظر گرفتن ویژگی های ساختاری اتم کربن و حالت الکترونیکی آن برای درک صحیح نظریه ساختار شیمیایی اساسی است. ابتدا موقعیت کربن در سیستم تناوبی (PS) را در نظر بگیرید. برای راحتی مشخص کردن عنصر توسط PS، می توان از الگوریتم زیر استفاده کرد:

شماره سریالعنصر (#) آن را تعریف می کند بار هسته ای (شماره شارژ Z، و از این رو تعداد پروتون های N$p^+$ (نماد پروتون - $p_1^+$) و تعداد کل الکترون ها N$\bar(e)$ (نماد الکترون - $\bar(e)$) در هسته برای کربن، شماره سریال 6 است، بنابراین، هسته یک اتم کربن از 6 پروتون و 6 الکترون تشکیل شده است. از نظر شماتیک، این استدلال را می توان به صورت زیر نوشت: №$ (C)=6 \Rightarrow Z = 6; \hspace(2pt)N\bar(e) = 6$.

جرم اتمیعنصر، یا عدد جرمی ایزوتوپی (A)برابر با مجموع جرم پروتون ها و نوترون ها (نام نوترون $n_1^0$) در هسته است، بنابراین، تعداد نوترون های N را می توان از تفاوت محاسبه کرد. برای کربن، جرم اتمی 12 a.m. بنابراین، تعداد نوترون های یک اتم کربن 6 است.نماد شماتیک: $A(C) =12 \textrm(amu) \Rightarrow N =A-Z=12-6=6$.

شماره دوره،که عنصر موجود در PS در آن قرار دارد، از نظر عددی برابر است با اصلی (شعاعی)عدد کوانتومی nو تعداد سطوح انرژی یک اتم را تعیین می کند. گاهی اوقات تعیین دیگری از عدد کوانتومی اصلی وجود دارد - $n_r$(به گفته سامرفلد). کربن در دوره دوم PS است، بنابراین، دارای دو سطح انرژی است، عدد کوانتومی اصلی 2 است. نماد شماتیک: No. Lane. = 2 => n = 2.

شماره گروه، که در آن عنصر در PS قرار دارد، مربوط به تعداد الکترون ها در سطح انرژی بیرونی است. کربن در گروه IV زیرگروه اصلی قرار دارد، بنابراین دارای 4 الکترون در سطح انرژی خارجی است.نماد شماتیک: شماره gr. = IV => N$\bar(e)_\textrm(valence)$ = 4.

به طور خلاصه می توان گفت که در حالت زمینی (تحریک نشده). 4 الکترون ظرفیت در سطح انرژی بیرونی اتم کربن وجود دارد، در حالی که الکترون های s یک جفت الکترون را تشکیل می دهند و 2 الکترون p جفت نمی شوند.

برای لایه الکترونی ظرفیت اتم کربن، عدد کوانتومی اصلی n 2 است، عدد کوانتومی مداری l برابر با 0 است که مربوط به اوربیتال s و برابر با 1 برای اوربیتال های p است. عدد کوانتومی مغناطیسی m = –l, 0, +l; یعنی m = 0 (برای l = 0) و m = -1، 0، 1 (برای l = 1).

تعریف

اوربیتال اتمی (AO)یک تصویر سه بعدی گرافیکی از چگالی الکترون نامیده می شود، یعنی منطقه ای از فضا که احتمال یافتن الکترون در آن حداکثر است.

در ترکیبات آلی، اتم کربن همیشه چهار ظرفیتی است، به این معنی که هر 4 الکترون ظرفیتی در تشکیل یک پیوند شیمیایی شرکت می کنند. اما فقط الکترون های جفت نشده در تشکیل پیوند شرکت می کنند! برای توضیح اختلاف بین مفهوم ظرفیت و ساختار الکترونیکی اتم کربن، باید از مدل استفاده کرد. حالت برانگیخته اتم کربن $C^*$، اجازه انتقال الکترون از سطح 2s- به زیرسطح 2p را می دهد:

در این حالت، انرژی صرف شده برای انتقال یک الکترون با انرژی آزاد شده در طول تشکیل دو پیوند اضافی جبران می شود. با این حال، این مدل فرض می کند که الکترون در چهار اوربیتال "خالص" - یک s و سه p قرار دارد.

سپس در حالت برانگیخته اتم، انرژی اوربیتال s باید کمتر از انرژی تشکیل اوربیتال های p باشد. در واقع، این صحیح نیست. همانطور که مطالعات نشان می دهد، انرژی هر چهار اوربیتال تشکیل شده در نتیجه یک "پرش" الکترون به ترتیب تقریباً یکسان است و انرژی های تشکیل پیوند در یک مولکول با هترواتم های یکسان (مثلا اتم های هیدروژن در متان) نیز مشابه است. تقریباً برابر است، و انرژی هر یک از اوربیتال های تازه تشکیل شده بیشتر از انرژی اوربیتال s "پاک" است، اما کمتر از انرژی اوربیتال "پاک" p است.

مشخصات فیزیکی:کربن بسیاری از تغییرات آلوتروپیک را تشکیل می دهد: الماسیکی از سخت ترین مواد گرافیت، زغال سنگ، دوده.

یک اتم کربن دارای 6 الکترون است: 1s 2 2s 2 2p 2 . دو الکترون آخر در اوربیتال های p جداگانه قرار دارند و جفت نشده اند. در اصل، این جفت می تواند یک اوربیتال را اشغال کند، اما در این حالت دافعه بین الکترون به شدت افزایش می یابد. به همین دلیل یکی از آنها 2p x و دیگری 2p y می گیرد , یا اوربیتال های 2p z.

تفاوت بین انرژی های زیرسطح های s و p لایه بیرونی کم است، بنابراین، اتم به راحتی به حالت برانگیخته می رود، که در آن یکی از دو الکترون از مدار 2s به یک آزاد منتقل می شود. 2rیک حالت ظرفیت با پیکربندی 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 ایجاد می شود . این حالت اتم کربن است که مشخصه شبکه الماس است - آرایش فضایی چهار وجهی اوربیتال های هیبریدی، طول پیوند و انرژی یکسان.

این پدیده به نام شناخته شده است sp 3 -هیبریداسیون،و توابع حاصل sp 3 -hybrid هستند . تشکیل چهار پیوند sp 3 وضعیت پایدارتری نسبت به سه اتم کربن را فراهم می کند rr-و یک s-s-باند. علاوه بر هیبریداسیون sp 3، هیبریداسیون sp 2 و sp نیز در اتم کربن مشاهده می شود. . در حالت اول، همپوشانی متقابل وجود دارد s-و دو اوربیتال p سه اوربیتال معادل sp 2 - هیبریدی تشکیل می شود که در یک صفحه با زاویه 120 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند. مدار سوم p بدون تغییر است و عمود بر صفحه است sp2.

در هیبریداسیون sp، اوربیتال های s و p همپوشانی دارند. زاویه 180 درجه بین دو اوربیتال هیبریدی معادل تشکیل شده ایجاد می شود، در حالی که دو اوربیتال p هر یک از اتم ها بدون تغییر باقی می مانند.

آلوتروپی کربن الماس و گرافیت

در یک کریستال گرافیت، اتم های کربن در صفحات موازی قرار دارند و رئوس شش ضلعی های منظم را در آنها اشغال می کنند. هر یک از اتم های کربن به سه پیوند هیبریدی sp 2 مجاور متصل است. بین صفحات موازی، اتصال به دلیل نیروهای واندروالس انجام می شود. اوربیتال های آزاد p هر یک از اتم ها عمود بر صفحات پیوندهای کووالانسی هدایت می شوند. همپوشانی آنها پیوند π اضافی بین اتم های کربن را توضیح می دهد. بنابراین از حالت ظرفیتی که در آن اتم های کربن در یک ماده قرار دارند، خواص این ماده بستگی دارد.

خواص شیمیایی کربن

مشخصه ترین حالت های اکسیداسیون: +4، +2.

در دماهای پایین، کربن بی اثر است، اما هنگامی که گرم می شود، فعالیت آن افزایش می یابد.

کربن به عنوان یک عامل کاهنده:

- با اکسیژن
C 0 + O 2 - t ° \u003d دی اکسید کربن CO 2
با کمبود اکسیژن - احتراق ناقص:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O مونوکسید کربن

- با فلوئور
C + 2F 2 = CF 4

- با بخار
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 گاز آب

- با اکسیدهای فلزی به این ترتیب فلز از سنگ معدن ذوب می شود.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2

- با اسیدها - عوامل اکسید کننده:
C 0 + 2H 2 SO 4 (conc.) \u003d C + 4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (مجموع) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- دی سولفید کربن را با گوگرد تشکیل می دهد:
C + 2S 2 \u003d CS 2.

کربن به عنوان یک عامل اکسید کننده:

- با برخی از فلزات کاربید تشکیل می دهد

4Al + 3C 0 \u003d Al 4 C 3

Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4

- با هیدروژن - متان (و همچنین مقدار زیادی از ترکیبات آلی)

C 0 + 2H 2 \u003d CH 4

- با سیلیکون، کربوراندوم را تشکیل می دهد (در دمای 2000 درجه سانتیگراد در یک کوره الکتریکی):

یافتن کربن در طبیعت

کربن آزاد به صورت الماس و گرافیت وجود دارد. کربن به شکل ترکیبات در مواد معدنی یافت می شود: گچ، مرمر، سنگ آهک - CaCO 3، دولومیت - MgCO 3 * CaCO 3. بی کربنات ها - منیزیم (HCO 3) 2 و Ca (HCO 3) 2، CO 2 بخشی از هوا است. کربن جزء اصلی ترکیبات آلی طبیعی است - گاز، نفت، زغال سنگ، ذغال سنگ نارس، بخشی از مواد آلی، پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات ها، اسیدهای آمینه است که بخشی از موجودات زنده هستند.

ترکیبات کربن غیر آلی

نه یون های C 4 + و نه C 4- در هیچ فرآیند شیمیایی معمولی تشکیل نمی شوند: پیوندهای کووالانسی با قطبیت های مختلف در ترکیبات کربن وجود دارد.

مونوکسید کربن (II)بنابراین

مونوکسید کربن؛ بی رنگ، بی بو، کم محلول در آب، محلول در حلال های آلی، سمی، bp ​​= -192°C. تی مربع = -205 درجه سانتیگراد.

اعلام وصول
1) در صنعت (در مولدهای گاز):
C + O 2 = CO 2

2) در آزمایشگاه - تجزیه حرارتی اسید فرمیک یا اگزالیک در حضور H 2 SO 4 (conc.):
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 \u003d CO + CO 2 + H 2 O

خواص شیمیایی

در شرایط عادی، CO بی اثر است. هنگام گرم شدن - عامل کاهنده؛ اکسید غیر نمک ساز

1) با اکسیژن

2C +2 O + O 2 \u003d 2C +4 O 2

2) با اکسیدهای فلزی

C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O 2

3) با کلر (در نور)

CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (فسژن)

4) با مذاب های قلیایی (تحت فشار) واکنش نشان می دهد.

CO + NaOH = HCOONa (فرمات سدیم)

5) با فلزات واسطه کربونیل تشکیل می دهد

Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5

مونوکسید کربن (IV) CO2

دی اکسید کربن، بی رنگ، بی بو، حلالیت در آب - 0.9 ولت CO 2 در 1 ولت H 2 O (در شرایط عادی) حل می شود. سنگین تر از هوا؛ t°pl.= -78.5°C (CO 2 جامد "یخ خشک" نامیده می شود). از احتراق پشتیبانی نمی کند.

اعلام وصول

1. تجزیه حرارتی نمک های اسید کربنیک (کربنات ها). پخت سنگ آهک:

CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2

1. اثر اسیدهای قوی بر کربنات ها و بی کربنات ها:

CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2

شیمیاییخواصCO2
اکسید اسید: با اکسیدهای بازی و باز واکنش می دهد و نمک های اسید کربنیک را تشکیل می دهد

Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 \u003d NaHCO 3

ممکن است در دماهای بالا خاصیت اکسید کننده از خود نشان دهد

C + 4 O 2 + 2 Mg - t ° \u003d 2 Mg + 2 O + C 0

واکنش کیفی

کدورت آب آهک:

Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 3 ¯ (رسوب سفید) + H 2 O

هنگامی که CO 2 برای مدت طولانی از آب آهک عبور می کند ناپدید می شود، زیرا. کربنات کلسیم نامحلول به بی کربنات محلول تبدیل می شود:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2

اسید کربنیک و آننمک

H2CO3 -اسید ضعیف، فقط در محلول آبی وجود دارد:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

پایه دوگانه:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - نمک های اسیدی - بی کربنات ها، بی کربنات ها
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- نمکهای متوسط ​​- کربناتها

تمام خواص اسیدها مشخص است.

کربنات ها و بی کربنات ها را می توان به یکدیگر تبدیل کرد:

2NaHCO 3 - t ° \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d 2NaHCO 3

کربنات های فلزات (به استثنای فلزات قلیایی) هنگامی که حرارت داده می شوند، دکربوکسیله می شوند و اکسید می شوند:

CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2

واکنش کیفی- "جوش" تحت اثر یک اسید قوی:

Na 2 CO 3 + 2HCl \u003d 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

کاربیدها

کاربید کلسیم:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

هنگامی که کاربیدهای روی، کادمیوم، لانتانیم و سریم با آب واکنش می دهند، استیلن آزاد می شود:

2 LaC 2 + 6 H 2 O \u003d 2La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C و Al 4 C 3 توسط آب تجزیه می شوند و متان را تشکیل می دهند:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O \u003d 4 Al (OH) 3 \u003d 3 CH 4.

کاربیدهای تیتانیوم TiC، تنگستن W 2 C (آلیاژهای سخت)، سیلیکون SiC (کاربوراندوم - به عنوان ساینده و مواد برای بخاری) در فناوری استفاده می شود.

سیانیدها

از گرم کردن سودا در جوی حاوی آمونیاک و مونوکسید کربن به دست می آید:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

هیدروسیانیک اسید HCN یک محصول مهم صنعت شیمیایی است که به طور گسترده در سنتز آلی استفاده می شود. تولید جهانی آن به 200 هزار تن در سال می رسد. ساختار الکترونیکی آنیون سیانید شبیه مونوکسید کربن (II) است، چنین ذرات ایزوالکترونیک نامیده می شوند:

سی = O:[:C = ن:]-

سیانیدها (محلول آبی 0.1-0.2٪) در معدن طلا استفاده می شود:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0.5 O 2 \u003d 2 K + 2 KOH.

هنگامی که محلول های سیانید با گوگرد می جوشند یا زمانی که جامدات ذوب می شوند، تیوسیانات ها:
KCN + S = KSCN.

هنگامی که سیانیدهای فلزات کم فعال گرم می شوند، سیانید به دست می آید: جیوه (CN) 2 \u003d جیوه + (CN) 2. محلول های سیانید اکسید می شوند سیانات ها:

2KCN + O2 = 2KOCN.

اسید سیانیک به دو شکل وجود دارد:

H-N=C=O; H-O-C = ن:

در سال 1828، فردریش ویلر (1800-1882) اوره را از سیانات آمونیوم به دست آورد: NH 4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 با تبخیر یک محلول آبی.

این رویداد معمولاً به عنوان پیروزی شیمی مصنوعی بر "نظریه حیات گرایی" تلقی می شود.

یک ایزومر اسید سیانیک وجود دارد - فولمینیک اسید

H-O-N=C.
نمک های آن (فولمینات جیوه Hg(ONC) 2) در جرقه زن ضربه ای استفاده می شود.

سنتز اوره(کاربامید):

CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O. در 130 0 C و 100 atm.

اوره آمید اسید کربنیک است، همچنین "آنالوگ نیتروژن" آن - گوانیدین وجود دارد.

کربنات ها

مهمترین ترکیبات معدنی کربن نمکهای اسید کربنیک (کربناتها) هستند. H 2 CO 3 یک اسید ضعیف است (K 1 \u003d 1.3 10 -4؛ K 2 \u003d 5 10 -11). پشتیبانی بافر کربنات تعادل دی اکسید کربندر جو اقیانوس ها ظرفیت بافری عظیمی دارند زیرا یک سیستم باز هستند. واکنش بافر اصلی تعادل در حین تفکیک اسید کربنیک است:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

با کاهش اسیدیته، جذب اضافی دی اکسید کربن از جو با تشکیل اسید اتفاق می افتد:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

با افزایش اسیدیته، سنگ های کربناته (پوسته، گچ و رسوبات سنگ آهک در اقیانوس) حل می شوند. این اتلاف یون های هیدروکربنات را جبران می کند:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (تلویزیون) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

کربنات های جامد به هیدروکربن های محلول تبدیل می شوند. این فرآیند انحلال شیمیایی دی اکسید کربن اضافی است که با "اثر گلخانه ای" - گرم شدن کره زمین به دلیل جذب تشعشعات حرارتی زمین توسط دی اکسید کربن مقابله می کند. تقریباً یک سوم تولید سودا (سدیم کربنات Na 2 CO 3 ) در جهان در ساخت شیشه استفاده می شود.

ساختار یک الماس (آ)و گرافیت (ب)

کربن(لاتین کربن) - C، یک عنصر شیمیایی از گروه IV از سیستم تناوبی مندلیف، عدد اتمی 6، جرم اتمی 12.011. در طبیعت به صورت بلورهای الماس، گرافیت یا فولرن و اشکال دیگر وجود دارد و جزء مواد آلی (زغال سنگ، روغن، موجودات جانوری و گیاهی و غیره) و غیر آلی (سنگ آهک، جوش شیرین و غیره) است. کربن گسترده است، اما محتوای آن در پوسته زمین تنها 0.19٪ است.

کربن به طور گسترده ای به شکل مواد ساده استفاده می شود. علاوه بر الماس های گرانبها، که موضوع جواهرات هستند، الماس های صنعتی نیز از اهمیت بالایی برخوردار هستند - برای ساخت ابزارهای سنگ زنی و برش. زغال سنگ و سایر اشکال آمورف کربن برای رنگ زدایی، تصفیه، جذب گازها، در مناطقی از فناوری که جاذب هایی با سطح توسعه یافته مورد نیاز است، استفاده می شود. کاربیدها، ترکیبات کربن با فلزات، و همچنین با بور و سیلیکون (به عنوان مثال، Al 4 C 3، SiC، B 4 C) بسیار سخت هستند و برای ساخت ابزارهای ساینده و برش استفاده می شوند. کربن در فولادها و آلیاژها در حالت عنصری و به صورت کاربید وجود دارد. اشباع شدن سطح ریخته گری فولاد با کربن در دمای بالا (کربوریزه شدن) به طور قابل توجهی سختی سطح و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد.

مرجع تاریخی

گرافیت، الماس و کربن آمورف از دوران باستان شناخته شده بودند. مدتهاست که شناخته شده است که مواد دیگر را می توان با گرافیت علامت گذاری کرد و خود نام "گرافیت" که از کلمه یونانی به معنای "نوشتن" گرفته شده است توسط A. Werner در سال 1789 پیشنهاد شد. با این حال، تاریخچه گرافیت گیج‌شده، اغلب موادی با خواص فیزیکی خارجی مشابه با آن اشتباه گرفته می‌شدند، مانند مولیبدنیت (سولفید مولیبدن) که زمانی گرافیت به حساب می‌آمد. از دیگر نام‌های گرافیت، «سرب سیاه»، «کاربید آهن»، «سرب نقره» شناخته می‌شود.

در سال 1779، K. Scheele دریافت که گرافیت را می توان با هوا اکسید کرد و دی اکسید کربن را تشکیل داد. برای اولین بار، الماس در هند مورد استفاده قرار گرفت و در برزیل، سنگ های قیمتی در سال 1725 اهمیت تجاری پیدا کردند. ذخایر در آفریقای جنوبی در سال 1867 کشف شد.

در قرن بیستم تولیدکنندگان اصلی الماس آفریقای جنوبی، زئیر، بوتسوانا، نامیبیا، آنگولا، سیرالئون، تانزانیا و روسیه هستند. الماس های مصنوعی که فناوری آن در سال 1970 ایجاد شد، برای مقاصد صنعتی تولید می شود.

خواص

چهار تغییر کریستالی کربن شناخته شده است:

• گرافیت،
• الماس،
• کارابین،
• lonsdaleite

گرافیت- خاکستری مایل به سیاه، مات، چرب در لمس، پوسته پوسته، توده بسیار نرم با براق فلزی. در دمای اتاق و فشار معمولی (0.1 MN/m2 یا 1 kgf/cm2)، گرافیت از نظر ترمودینامیکی پایدار است.

الماس- ماده بسیار جامد و کریستالی. کریستال ها دارای یک شبکه مکعبی در مرکز هستند. در دمای اتاق و فشار معمولی، الماس ناپایدار است. تبدیل محسوس الماس به گرافیت در دمای بالاتر از 1400 درجه سانتیگراد در خلاء یا در اتمسفر بی اثر مشاهده می شود. در فشار اتمسفر و دمای حدود 3700 درجه سانتیگراد، گرافیت تصعید می شود.

کربن مایع را می توان در فشارهای بالای 10.5 MN/m2 (105 kgf/cm2) و دمای بالای 3700 درجه سانتی گراد به دست آورد. کربن جامد (کک، دوده، زغال چوب) نیز با حالتی با ساختار نامنظم مشخص می شود - کربن به اصطلاح "بی شکل" که یک اصلاح مستقل نیست. ساختار آن بر اساس ساختار گرافیت ریزدانه است. گرم کردن برخی از انواع کربن "بی شکل" در دمای بالای 1500-1600 درجه سانتیگراد بدون هوا باعث تبدیل آنها به گرافیت می شود.

خواص فیزیکی کربن "آمورف" به شدت به پراکندگی ذرات و وجود ناخالصی ها بستگی دارد. چگالی، ظرفیت گرمایی، هدایت حرارتی و هدایت الکتریکی کربن "آمورف" همیشه بالاتر از گرافیت است.

کارابینمصنوعی به دست آمده است. این یک پودر کریستالی ریز به رنگ سیاه است (چگالی 1.9-2 گرم بر سانتی متر 3). ساخته شده از زنجیره های بلند اتم بابه موازات یکدیگر قرار گرفته اند.

لونسدالیتدر شهاب سنگ ها یافت و به طور مصنوعی به دست آمد. ساختار و خواص آن در نهایت مشخص نشده است.

آلیاژها

فولاد

کک در متالورژی به عنوان یک عامل کاهنده استفاده می شود. زغال چوب - در فورج، برای به دست آوردن باروت (75٪ KNO 3 + 13٪ C + 12٪ S)، برای جذب گازها (جذب)، و همچنین در زندگی روزمره. دوده به عنوان پرکننده لاستیکی، برای ساخت رنگ های سیاه - جوهر و جوهر چاپ، و همچنین در سلول های گالوانیکی خشک استفاده می شود. کربن شیشه ای برای ساخت تجهیزات برای محیط های بسیار تهاجمی و همچنین در هوانوردی و فضانوردی استفاده می شود.

زغال چوب فعال مواد مضر را از گازها و مایعات جذب می کند: آنها ماسک های گاز، سیستم های تصفیه را پر می کنند، در پزشکی برای مسمومیت استفاده می شود.

کربن اساس همه مواد آلی است. هر موجود زنده عمدتاً از کربن تشکیل شده است. کربن اساس زندگی است. منبع کربن موجودات زنده معمولاً CO 2 از جو یا آب است. در نتیجه فتوسنتز، وارد زنجیره های غذایی بیولوژیکی می شود که در آن موجودات زنده یکدیگر یا بقایای یکدیگر را می خورند و در نتیجه کربن را برای ساختن بدن خود استخراج می کنند. چرخه بیولوژیکی کربن یا با اکسیداسیون و بازگشت به اتمسفر یا با دفع زغال سنگ یا نفت به پایان می رسد.

استفاده از ایزوتوپ رادیواکتیو 14 C به موفقیت زیست شناسی مولکولی در مطالعه مکانیسم های بیوسنتز پروتئین و انتقال اطلاعات ارثی کمک کرد. تعیین فعالیت ویژه 14 درجه سانتیگراد در بقایای آلی کربنی امکان قضاوت در مورد سن آنها را فراهم می کند که در دیرینه شناسی و باستان شناسی استفاده می شود.

منابع