ნახშირბადის გამოყენების სქემა. ნახშირბადი - ელემენტის მახასიათებლები და ქიმიური თვისებები

ერთ-ერთი ყველაზე საოცარი ელემენტი, რომელსაც შეუძლია შექმნას ორგანული და არაორგანული ბუნების ნაერთების უზარმაზარი მრავალფეროვნება, არის ნახშირბადი. ეს ელემენტი იმდენად უჩვეულოა თავისი თვისებებით, რომ მენდელეევმაც კი იწინასწარმეტყველა დიდი მომავალი, ჯერ კიდევ არ გამჟღავნებულ მახასიათებლებზე საუბრისას.

მოგვიანებით ეს პრაქტიკულად დადასტურდა. ცნობილი გახდა, რომ ეს არის ჩვენი პლანეტის მთავარი ბიოგენური ელემენტი, რომელიც აბსოლუტურად ყველა ცოცხალი არსების ნაწილია. გარდა ამისა, ის შეიძლება არსებობდეს ფორმებში, რომლებიც რადიკალურად განსხვავდება ყველა თვალსაზრისით, მაგრამ ამავე დროს შედგება მხოლოდ ნახშირბადის ატომებისგან.

ზოგადად, ამ სტრუქტურას აქვს მრავალი მახასიათებელი და ჩვენ შევეცდებით მათთან გამკლავებას სტატიის მსვლელობაში.

ნახშირბადი: ფორმულა და პოზიცია ელემენტების სისტემაში

პერიოდულ სისტემაში ელემენტი ნახშირბადი განლაგებულია IV (ახალი მოდელის მიხედვით 14) ჯგუფში, მთავარ ქვეჯგუფში. მისი ატომური ნომერია 6 და ატომური წონა 12.011. ელემენტის აღნიშვნა C ნიშნით მიუთითებს მის სახელზე ლათინურად - carboneum. არსებობს რამდენიმე განსხვავებული ფორმა, რომელშიც ნახშირბადი არსებობს. ამიტომ, მისი ფორმულა განსხვავებულია და დამოკიდებულია კონკრეტულ მოდიფიკაციაზე.

თუმცა, რა თქმა უნდა, არსებობს კონკრეტული აღნიშვნა რეაქციის განტოლებების დასაწერად. ზოგადად, როდესაც ვსაუბრობთ ნივთიერებაზე მის სუფთა სახით, მიღებულია ნახშირბადის C მოლეკულური ფორმულა, ინდექსირების გარეშე.

ელემენტების აღმოჩენის ისტორია

თავისთავად, ეს ელემენტი ცნობილი იყო უძველესი დროიდან. ყოველივე ამის შემდეგ, ბუნებაში ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მინერალი არის ქვანახშირი. ამიტომ ძველი ბერძნებისთვის, რომაელებისთვის და სხვა ეროვნებისთვის ის საიდუმლო არ იყო.

ამ ჯიშის გარდა გამოიყენებოდა ბრილიანტი და გრაფიტიც. ამ უკანასკნელთან დიდი ხნის განმავლობაში ბევრი დამაბნეველი სიტუაცია იყო, რადგან ხშირად, შემადგენლობის ანალიზის გარეშე, გრაფიტისთვის იღებდნენ ისეთ ნაერთებს, როგორიცაა:

• ვერცხლის ტყვია;
• რკინის კარბიდი;
• მოლიბდენის სულფიდი.

ყველა მათგანი შეღებილი იყო შავად და ამიტომ ითვლებოდა გრაფიტად. მოგვიანებით ეს გაუგებრობა მოიხსნა და ნახშირბადის ეს ფორმა თავად იქცა.

1725 წლიდან ბრილიანტებს დიდი კომერციული მნიშვნელობა ჰქონდათ და 1970 წელს დაეუფლათ მათი ხელოვნურად მოპოვების ტექნოლოგიას. 1779 წლიდან, კარლ შილის მუშაობის წყალობით, შეისწავლეს ქიმიური თვისებები, რომლებსაც ნახშირბადი ავლენს. ეს იყო ამ ელემენტის სფეროში მრავალი მნიშვნელოვანი აღმოჩენის დასაწყისი და გახდა საფუძველი მისი ყველა ყველაზე უნიკალური მახასიათებლის გარკვევისთვის.

ნახშირბადის იზოტოპები და ბუნებაში განაწილება

მიუხედავად იმისა, რომ განსახილველი ელემენტი ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ბიოგენურია, მისი მთლიანი შემცველობა დედამიწის ქერქის მასაში 0,15%-ია. ეს გამოწვეულია იმით, რომ იგი ექვემდებარება მუდმივ მიმოქცევას, ბუნებრივ ციკლს ბუნებაში.

ზოგადად, არსებობს რამდენიმე მინერალური ნაერთი, რომელიც შეიცავს ნახშირბადს. ეს არის ისეთი ბუნებრივი ჯიშები, როგორიცაა:

• დოლომიტები და კირქვები;
• ანტრაციტი;
• ნავთობის ფიქალი;
• ბუნებრივი აირი;
• ქვანახშირი;
• ზეთი;
• ყავისფერი ქვანახშირი;
• ტორფი;
• ბიტუმი.

გარდა ამისა, არ უნდა დავივიწყოთ ცოცხალი არსებები, რომლებიც მხოლოდ ნახშირბადის ნაერთების საცავია. ყოველივე ამის შემდეგ, მათ შექმნეს ცილები, ცხიმები, ნახშირწყლები, ნუკლეინის მჟავები, რაც ნიშნავს ყველაზე სასიცოცხლო სტრუქტურულ მოლეკულებს. ზოგადად, 70 კგ-დან მშრალი სხეულის წონის გარდაქმნისას 15 მოდის სუფთა ელემენტზე. ასეა ყველა ადამიანთან, რომ აღარაფერი ვთქვათ ცხოველებზე, მცენარეებზე და სხვა არსებებზე.

თუ წყალსაც გავითვალისწინებთ, ანუ მთლიანად ჰიდროსფეროს და ატმოსფეროს, მაშინ არსებობს ნახშირბად-ჟანგბადის ნარევი, რომელიც გამოხატულია CO 2 ფორმულით. დიოქსიდი ან ნახშირორჟანგი არის ერთ-ერთი მთავარი აირი, რომელიც ქმნის ჰაერს. სწორედ ამ ფორმით არის ნახშირბადის მასური წილი 0,046%. კიდევ უფრო მეტი ნახშირორჟანგი იხსნება ოკეანეების წყლებში.

ნახშირბადის, როგორც ელემენტის ატომური მასა არის 12.011. ცნობილია, რომ ეს მნიშვნელობა გამოითვლება, როგორც საშუალო არითმეტიკული წონა ბუნებაში არსებული ყველა იზოტოპური სახეობის ატომურ წონას შორის, მათი სიმრავლის გათვალისწინებით (პროცენტულად). ეს ასევე ეხება განსახილველ ნივთიერებას. არსებობს სამი ძირითადი იზოტოპი, რომელშიც ნახშირბადი გვხვდება. ეს:

• 12 C - მისი მასური წილი აბსოლუტურ უმრავლესობაში არის 98,93%;
• 13 C - 1.07%;
• 14 C - რადიოაქტიური, ნახევარგამოყოფის პერიოდი 5700 წელი, სტაბილური ბეტა ემიტერი.

ნიმუშების გეოქრონოლოგიური ასაკის განსაზღვრის პრაქტიკაში ფართოდ გამოიყენება რადიოაქტიური იზოტოპი 14 C, რაც წარმოადგენს ინდიკატორს მისი ხანგრძლივი დაშლის პერიოდის გამო.

ელემენტის ალოტროპული ცვლილებები

ნახშირბადი არის ელემენტი, რომელიც არსებობს როგორც მარტივი ნივთიერება რამდენიმე ფორმით. ანუ მას შეუძლია შექმნას დღეს ცნობილი ალოტროპული მოდიფიკაციების უდიდესი რაოდენობა.

1. კრისტალური ვარიაციები - არსებობს ძლიერი სტრუქტურების სახით რეგულარული ატომური ტიპის გისოსებით. ამ ჯგუფში შედის ისეთი ჯიშები, როგორიცაა:

• ბრილიანტები;
• ფულერენი;
• გრაფიტები;
• კარაბინები;
• ლონსდალეიტები;
• და მილები.

ყველა მათგანი განსხვავდება გისოსებით, რომელთა კვანძებში არის ნახშირბადის ატომი. აქედან გამომდინარეობს სრულიად უნიკალური, არა მსგავსი თვისებები, როგორც ფიზიკური, ასევე ქიმიური.

2. ამორფული ფორმები – წარმოიქმნება ნახშირბადის ატომით, რომელიც ზოგიერთი ბუნებრივი ნაერთის ნაწილია. ანუ, ეს არ არის სუფთა ჯიშები, არამედ სხვა ელემენტების მინარევებით მცირე რაოდენობით. ამ ჯგუფში შედის:

• გააქტიურებული ნახშირბადი;
• ქვა და ხე;
• ჭვარტლი;
• ნახშირბადის ნანოქაფი;
• ანტრაციტი;
• მინის ნახშირბადი;
• ტექნიკური სახის ნივთიერება.

მათ ასევე აერთიანებს ბროლის გისოსის სტრუქტურული მახასიათებლები, რომლებიც ხსნიან და ავლენენ თვისებებს.

3. ნახშირბადის ნაერთები მტევნის სახით. ასეთი სტრუქტურა, რომელშიც ატომები დახურულია შიგნიდან სპეციალურ კონფორმაციულ ღრუში, სავსე წყლით ან სხვა ელემენტების ბირთვებით. მაგალითები:

• ნახშირბადის ნანოკონები;
• ასტრალენები;
• დიკარბონი.

ამორფული ნახშირბადის ფიზიკური თვისებები

ალოტროპული მოდიფიკაციების მრავალფეროვნების გამო, ძნელია ნახშირბადის რაიმე საერთო ფიზიკური თვისებების იდენტიფიცირება. უფრო ადვილია კონკრეტულ ფორმაზე საუბარი. მაგალითად, ამორფულ ნახშირბადს აქვს შემდეგი მახასიათებლები.

1. ყველა ფორმის გულში არის წვრილმარცვლოვანი გრაფიტის ჯიშები.
2. მაღალი სითბოს ტევადობა.
3. კარგი გამტარი თვისებები.
4. ნახშირბადის სიმკვრივე არის დაახლოებით 2 გ/სმ 3.
5. 1600 0 C-ზე ზემოთ გაცხელებისას ხდება გრაფიტის ფორმებზე გადასვლა.

ჭვარტლი და ქვის ჯიშები ფართოდ გამოიყენება საინჟინრო მიზნებისთვის. ისინი არ არიან ნახშირბადის მოდიფიკაციის გამოვლინება მისი სუფთა სახით, მაგრამ შეიცავს მას ძალიან დიდი რაოდენობით.

კრისტალური ნახშირბადი

არსებობს რამდენიმე ვარიანტი, რომლებშიც ნახშირბადი არის ნივთიერება, რომელიც ქმნის სხვადასხვა ტიპის რეგულარულ კრისტალებს, სადაც ატომები ერთმანეთთან არის დაკავშირებული. შედეგად, იქმნება შემდეგი ცვლილებები.

1. - კუბური, რომელშიც ოთხი ტეტრაჰედრია დაკავშირებული. შედეგად, თითოეული ატომის ყველა კოვალენტური ქიმიური ბმა არის მაქსიმალურად გაჯერებული და ძლიერი. ეს ხსნის ფიზიკურ თვისებებს: ნახშირბადის სიმკვრივეა 3300 კგ/მ 3. მაღალი სიმტკიცე, დაბალი სითბოს ტევადობა, ელექტრული გამტარობის ნაკლებობა - ეს ყველაფერი ბროლის გისოსების სტრუქტურის შედეგია. არის ტექნიკურად მიღებული ბრილიანტები. ისინი წარმოიქმნება გრაფიტის შემდეგ მოდიფიკაციაზე გადასვლისას მაღალი ტემპერატურისა და გარკვეული წნევის გავლენის ქვეშ. ზოგადად, ის ისეთივე მაღალია, როგორც ძალა - დაახლოებით 3500 0 С.
2. გრაფიტი. ატომები განლაგებულია წინა ნივთიერების აგებულების მსგავსად, თუმცა, მხოლოდ სამი ბმულია გაჯერებული, ხოლო მეოთხე ხდება უფრო გრძელი და ნაკლებად ძლიერი, ის აკავშირებს გისოსის ექვსკუთხა რგოლების „ფენებს“. შედეგად, აღმოჩნდება, რომ გრაფიტი შეხებისას რბილი, ცხიმიანი შავი ნივთიერებაა. მას აქვს კარგი ელექტროგამტარობა და აქვს მაღალი დნობის წერტილი - 3525 0 C. მას შეუძლია სუბლიმაცია - სუბლიმაცია მყარი მდგომარეობიდან აირისებურ მდგომარეობაში, თხევადი მდგომარეობის გვერდის ავლით (3700 0 C ტემპერატურაზე). ნახშირბადის სიმკვრივეა 2,26 გ/სმ3, რაც გაცილებით დაბალია ალმასის სიმკვრივეზე. ეს ხსნის მათ განსხვავებულ თვისებებს. ბროლის გისოსების ფენიანი სტრუქტურის გამო, შესაძლებელია გრაფიტის გამოყენება ფანქრის მილების დასამზადებლად. ქაღალდზე გადატანისას სასწორი იშლება და შავ კვალს ტოვებს ქაღალდზე.
3. ფულერენები. ისინი მხოლოდ გასული საუკუნის 80-იან წლებში გაიხსნა. ეს არის მოდიფიკაციები, რომლებშიც ნახშირბადები ერთმანეთთან არის დაკავშირებული სპეციალურ ამოზნექილ დახურულ სტრუქტურაში, ცენტრში სიცარიელე. ხოლო ბროლის ფორმა - მრავალწახნაგოვანი, სწორი ორგანიზაცია. ატომების რაოდენობა ლუწია. ფულერენის C 60 ყველაზე ცნობილი ფორმა. კვლევის დროს ნაპოვნი იქნა მსგავსი ნივთიერების ნიმუშები:

• მეტეორიტები;
• ქვედა ნალექები;
• ფოლგურები;
• შუნგიტები;
• გარე სივრცე, სადაც ისინი შეიცავდნენ გაზების სახით.

კრისტალური ნახშირბადის ყველა სახეობას დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს, რადგან მათ აქვთ მრავალი ტექნიკურად სასარგებლო თვისება.

ქიმიური აქტივობა

მოლეკულური ნახშირბადი ავლენს დაბალ რეაქტიულობას მისი სტაბილური კონფიგურაციის გამო. ის შეიძლება აიძულოს შევიდეს რეაქციებში მხოლოდ ატომისთვის დამატებითი ენერგიის მინიჭებით და გარე დონის ელექტრონების აორთქლების იძულებით. ამ დროს ვალენტობა ხდება 4. ამიტომ ნაერთებში მას აქვს +2, + 4, - 4 დაჟანგვის მდგომარეობა.

თითქმის ყველა რეაქცია მარტივ ნივთიერებებთან, როგორც ლითონებთან, ასევე არალითონებთან, მიმდინარეობს მაღალი ტემპერატურის გავლენის ქვეშ. განსახილველი ელემენტი შეიძლება იყოს როგორც ჟანგვის აგენტი, ასევე შემცირების აგენტი. თუმცა მასში განსაკუთრებით გამოხატულია ეს უკანასკნელი თვისებები და სწორედ ამაზეა დაფუძნებული მისი გამოყენება მეტალურგიულ და სხვა დარგებში.

ზოგადად, ქიმიურ ურთიერთქმედებაში შესვლის უნარი დამოკიდებულია სამ ფაქტორზე:

• ნახშირბადის დისპერსია;
• ალოტროპული მოდიფიკაცია;
• რეაქციის ტემპერატურა.

ამრიგად, ზოგიერთ შემთხვევაში, ურთიერთქმედება ხდება შემდეგ ნივთიერებებთან:

• არამეტალები (წყალბადი, ჟანგბადი);
• ლითონები (ალუმინი, რკინა, კალციუმი და სხვა);
• ლითონის ოქსიდები და მათი მარილები.

ის არ რეაგირებს მჟავებთან და ტუტეებთან, ძალიან იშვიათად ჰალოგენებთან. ნახშირბადის თვისებებიდან ყველაზე მნიშვნელოვანი არის ერთმანეთთან გრძელი ჯაჭვების ფორმირების უნარი. მათ შეუძლიათ დაიხურონ ციკლი, შექმნან ტოტები. ასე წარმოიქმნება ორგანული ნაერთები, რომლებიც დღეს მილიონობითაა. ამ ნაერთების საფუძველია ორი ელემენტი - ნახშირბადი, წყალბადი. შემადგენლობაში შეიძლება შევიდეს სხვა ატომებიც: ჟანგბადი, აზოტი, გოგირდი, ჰალოგენები, ფოსფორი, ლითონები და სხვა.

ძირითადი ნაერთები და მათი მახასიათებლები

არსებობს მრავალი განსხვავებული ნაერთი, რომელიც შეიცავს ნახშირბადს. მათგან ყველაზე ცნობილი ფორმულაა CO 2 - ნახშირორჟანგი. თუმცა, ამ ოქსიდის გარდა, ასევე არის CO - მონოქსიდი ან ნახშირბადის მონოქსიდი, ასევე სუბოქსიდი C 3 O 2.

მარილებს შორის, რომლებიც შეიცავს ამ ელემენტს, ყველაზე გავრცელებულია კალციუმის და მაგნიუმის კარბონატები. ასე რომ, კალციუმის კარბონატს აქვს რამდენიმე სინონიმი სახელში, რადგან ის ბუნებაში გვხვდება სახით:

• ცარცი;
• მარმარილო;
• კირქვა;
• დოლომიტი.

ტუტე დედამიწის ლითონების კარბონატების მნიშვნელობა გამოიხატება იმაში, რომ ისინი აქტიური მონაწილეები არიან როგორც სტალაქტიტებისა და სტალაგმიტების, ასევე მიწისქვეშა წყლების წარმოქმნის პროცესებში.

ნახშირბადის მჟავა არის კიდევ ერთი ნაერთი, რომელიც ქმნის ნახშირბადს. მისი ფორმულა არის H 2 CO 3. თუმცა, მისი ჩვეული ფორმით, ის უკიდურესად არასტაბილურია და მაშინვე იშლება ნახშირორჟანგად და წყალში ხსნარში. აქედან გამომდინარე, ცნობილია მხოლოდ მისი მარილები და არა თავად, როგორც ხსნარი.

ნახშირბადის ჰალოგენები - მიიღება ძირითადად ირიბად, რადგან პირდაპირი სინთეზი ხდება მხოლოდ ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე და პროდუქტის დაბალი მოსავლიანობით. ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული - CCL 4 - ნახშირბადის ტეტრაქლორიდი. ტოქსიკური ნაერთი, რომელსაც შეუძლია ინჰალაციის შემთხვევაში მოწამვლა გამოიწვიოს. მიიღება მეთანში რადიკალური ფოტოქიმიური ჩანაცვლების რეაქციებით.

ლითონის კარბიდები ნახშირბადის ნაერთებია, რომლებშიც ის ავლენს ჟანგვის 4 მდგომარეობას. ასევე შესაძლებელია ბორთან და სილიციუმთან ასოციაციები. ზოგიერთი ლითონის (ალუმინი, ვოლფრამი, ტიტანი, ნიობიუმი, ტანტალი, ჰაფნიუმი) კარბიდების ძირითადი თვისებაა მაღალი სიმტკიცე და შესანიშნავი ელექტროგამტარობა. ბორის კარბიდი B 4 C არის ერთ-ერთი უმძიმესი ნივთიერება ალმასის შემდეგ (9,5 მოჰსის მიხედვით). ეს ნაერთები გამოიყენება ინჟინერიაში, ისევე როგორც ქიმიურ მრეწველობაში, როგორც ნახშირწყალბადების წარმოების წყაროები (კალციუმის კარბიდი წყალთან ერთად იწვევს აცეტილენის და კალციუმის ჰიდროქსიდის წარმოქმნას).

ბევრი ლითონის შენადნობები დამზადებულია ნახშირბადის გამოყენებით, რითაც მნიშვნელოვნად იზრდება მათი ხარისხი და ტექნიკური მახასიათებლები (ფოლადი არის რკინის და ნახშირბადის შენადნობი).

ნახშირბადის მრავალი ორგანული ნაერთი იმსახურებს განსაკუთრებულ ყურადღებას, რომლებშიც ნახშირბადი არის ფუნდამენტური ელემენტი, რომელსაც შეუძლია გაერთიანდეს იმავე ატომებთან სხვადასხვა სტრუქტურის გრძელ ჯაჭვებში. Ესენი მოიცავს:

• ალკანები;
• ალკენები;
• არენები;
• ცილები;
• ნახშირწყლები;
• ნუკლეინის მჟავა;
• ალკოჰოლები;
• კარბოქსილის მჟავები და მრავალი სხვა კლასის ნივთიერებები.

ნახშირბადის გამოყენება

ნახშირბადის ნაერთების და მისი ალოტროპული მოდიფიკაციების მნიშვნელობა ადამიანის ცხოვრებაში ძალიან დიდია. თქვენ შეგიძლიათ დაასახელოთ რამდენიმე ყველაზე გლობალური ინდუსტრია, რათა ცხადი გახადოთ, რომ ეს ასეა.

1. ეს ელემენტი ქმნის ყველა სახის ორგანულ საწვავს, საიდანაც ადამიანი იღებს ენერგიას.
2. მეტალურგიული მრეწველობა იყენებს ნახშირბადს, როგორც ყველაზე ძლიერ შემამცირებელ აგენტს მათი ნაერთებიდან ლითონების მისაღებად. აქ ასევე ფართოდ გამოიყენება კარბონატები.
3. მშენებლობა და ქიმიური მრეწველობა მოიხმარს ნახშირბადის ნაერთების უზარმაზარ რაოდენობას ახალი ნივთიერებების სინთეზისთვის და საჭირო პროდუქტების მისაღებად.

თქვენ ასევე შეგიძლიათ დაასახელოთ ეკონომიკის ისეთი სექტორები, როგორიცაა:

• ბირთვული მრეწველობა;
• საიუველირო ბიზნესი;
• ტექნიკური აღჭურვილობა (საპოხი მასალები, სითბოს მდგრადი ჭურჭელი, ფანქრები და ა.შ.);
• ქანების გეოლოგიური ასაკის განსაზღვრა - რადიოაქტიური ტრასერი 14 C;
• ნახშირბადი არის შესანიშნავი ადსორბენტი, რაც შესაძლებელს ხდის მის გამოყენებას ფილტრების წარმოებისთვის.

ციკლი ბუნებაში

ბუნებაში ნაპოვნი ნახშირბადის მასა შედის მუდმივ ციკლში, რომელიც ყოველ წამს მოძრაობს მთელს მსოფლიოში. ამრიგად, ნახშირბადის ატმოსფერული წყარო - CO 2 - შეიწოვება მცენარეების მიერ და გამოყოფს ყველა ცოცხალი არსების მიერ სუნთქვის პროცესში. ატმოსფეროში მოხვედრის შემდეგ ის კვლავ შეიწოვება და ამიტომ ციკლი არ ჩერდება. ამავდროულად, ორგანული ნარჩენების დაღუპვა იწვევს ნახშირბადის გამოყოფას და მის დაგროვებას დედამიწაზე, საიდანაც იგი კვლავ შეიწოვება ცოცხალი ორგანიზმების მიერ და ატმოსფეროში გაზის სახით გამოიყოფა.

შეუძლებელია მოკლედ აღწერო რა არის ნახშირბადი. ყოველივე ამის შემდეგ, ეს არის ცხოვრების საფუძველი. ეს ელემენტი გვხვდება ყველა ორგანულ ნაერთში და მხოლოდ მას შეუძლია შექმნას დნმ-ის მოლეკულები მილიონობით ატომიდან. მისი თვისებები მრავალრიცხოვანია, ამიტომ ღირს ამაზე უფრო დეტალურად საუბარი.

ფორმულა, აღნიშვნა, მახასიათებლები

ეს ელემენტი, რომელიც მდებარეობს ცხრილში ექვსი სერიული ნომრის ქვეშ, აღინიშნება სიმბოლოთი "C". ნახშირბადის ელექტრონული სტრუქტურული ფორმულა ასეთია: 1s 2 2s 2 2p 2 . მისი მასა არის 12,0107 ამუ. ამ ნივთიერებას აქვს:

• ორი დაუწყვილებელი ელექტრონი ძირითად მდგომარეობაში. აჩვენებს ვალენტობას II.
• ოთხი დაუწყვილებელი ელექტრონი აღგზნებულ მდგომარეობაში. აჩვენებს IV ვალენტობას.

უნდა აღინიშნოს, რომ ნახშირბადის გარკვეული მასა შეიცავს დედამიწის ქერქში. ზუსტად 0.023%. იგი ძირითადად გროვდება ზედა ნაწილში, ბიოსფეროში. ლითოსფეროში ნახშირბადის მასის უმეტესი ნაწილი გროვდება დოლომიტებში და კირქვებში, კარბონატების სახით.

ფიზიკური მახასიათებლები

რა არის ნახშირბადი? ეს არის ნივთიერება, რომელიც არსებობს ალოტროპული მოდიფიკაციების უზარმაზარ მრავალფეროვნებაში და მათი ფიზიკური თვისებები შეიძლება დიდი ხნის განმავლობაში იყოს ჩამოთვლილი. და ნივთიერებების მრავალფეროვნება განისაზღვრება ნახშირბადის უნარით შექმნას სხვადასხვა ტიპის ქიმიური ბმები.

რაც შეეხება ნახშირბადის, როგორც მარტივი ნივთიერების თვისებებს? ისინი შეიძლება შეჯამდეს შემდეგნაირად:

• ნორმალურ პირობებში, სიმკვრივეა 2.25 გ/სმ³.
• დუღილის წერტილი არის 3506,85 °C.
• მოლური თბოტევადობა - 8,54 ჯ / (კ.მოლი).
• კრიტიკული ფაზის გადასვლის ტემპერატურა (როდესაც გაზი არ კონდენსდება რაიმე წნევის დროს) არის 4130 K, 12 მპა.
• მოლური მოცულობა 5.3 სმ³/მოლ.

ასევე ღირს ნახშირბადის მოდიფიკაციების ჩამოთვლა.

კრისტალური ნივთიერებებიდან ყველაზე ცნობილია: ბრილიანტი, კარბინი, გრაფიტი, ნანო ალმასი, ფულერიტი, ლონსდალეიტი, ფულერენი და ნახშირბადის ბოჭკოები.

ამორფული წარმონაქმნებია: ხე, ნამარხი და გააქტიურებული ნახშირბადი, ანტრაციტი, კოქსი, მინის ნახშირბადი, ჭვარტლი, ნახშირბადის შავი და ნანოქაფი.

მაგრამ არცერთი ზემოთ ჩამოთვლილი არ არის მოცემული ნივთიერების სუფთა ალოტროპული ფორმა. ეს მხოლოდ ქიმიური ნაერთებია, რომლებშიც ნახშირბადი მაღალი კონცენტრაციითაა.

სტრუქტურა

საინტერესოა, რომ ნახშირბადის ატომის ელექტრონული ორბიტალები არ არის იგივე. მათ აქვთ სხვადასხვა გეომეტრია. ეს ყველაფერი დამოკიდებულია ჰიბრიდიზაციის ხარისხზე. არსებობს სამი ყველაზე ხშირად ნაცნობი გეომეტრია:

• ოთხკუთხედი. იგი იქმნება სამი p- და ერთი s-ელექტრონის შერევისას. ნახშირბადის ატომის ეს გეომეტრია შეინიშნება ლონსდალეიტსა და ალმასში. მსგავსი სტრუქტურა აქვთ მეთანს და სხვა ნახშირწყალბადებს.
• ტრიგონალური. ეს გეომეტრია იქმნება ორი p- და ერთი s-ელექტრონული ორბიტალის ნარევით. სხვა p-ელემენტი არ იღებს მონაწილეობას ჰიბრიდიზაციაში, მაგრამ მონაწილეობს π-ბმების წარმოქმნაში სხვა ატომებთან. ეს სტრუქტურა ახასიათებს ფენოლს, გრაფიტს და სხვა მოდიფიკაციებს.
• დიგონალური. ეს სტრუქტურა იქმნება s- და p-ელექტრონების შერევის გამო (ერთ დროს). საინტერესოა, რომ ელექტრონული ღრუბლები ასიმეტრიულ ჰანტელებს ჰგავს. ისინი გადაჭიმულია ამ მიმართულებით. კიდევ ორი ​​p-ელექტრონი ქმნის ყბადაღებულ π-კავშირებს. ეს გეომეტრია დამახასიათებელია კარაბინისთვის.

არც ისე დიდი ხნის წინ, 2010 წელს, ნოტინჰემის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა აღმოაჩინეს ნაერთი, რომელშიც ერთდროულად ოთხი ატომი იყო იმავე სიბრტყეში. მისი სახელია მონომერული დილითიო მეთანდიუმი.

მოლეკულები

ღირს მათზე ცალკე საუბარი. განხილული ნივთიერების ატომები შეიძლება გაერთიანდეს, რის შედეგადაც წარმოიქმნება რთული ნახშირბადის მოლეკულები. გაჯერებული Na, C 2 და H 2-დან, რომელთა შორის არის ძალიან მცირე მიზიდულობა, ისინი გამოირჩევიან მყარ მდგომარეობაში კონდენსაციის ტენდენციით. ნახშირბადის მოლეკულები შეიძლება დარჩეს აირისებრ მდგომარეობაში მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ტემპერატურა შენარჩუნებულია მაღალი. წინააღმდეგ შემთხვევაში, ნივთიერება მყისიერად გამკვრივდება.

რამდენიმე ხნის წინ შეერთებულ შტატებში, ბერკლის ეროვნულ ლაბორატორიაში, სინთეზირებული იქნა მყარი ნახშირბადის ახალი ფორმა. ეს არის C36. და მისი მოლეკულა ქმნის 36 ნახშირბადის ატომს. ნივთიერება წარმოიქმნება C60 ფულერენებთან ერთად. ეს ხდება გრაფიტის ორ ელექტროდს შორის, რკალის გამონადენის ალის პირობებში. მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ ახალი ნივთიერების მოლეკულებს აქვთ საინტერესო ქიმიური და ელექტრული თვისებები, რომლებიც ჯერ არ არის შესწავლილი.

გრაფიტი

ახლა ჩვენ შეგვიძლია უფრო დეტალურად ვისაუბროთ ისეთი ნივთიერების ყველაზე ცნობილ მოდიფიკაციებზე, როგორიცაა ნახშირბადი.

გრაფიტი არის ადგილობრივი მინერალი ფენიანი სტრუქტურით. აქ არის მისი მახასიათებლები:

• ძალიან კარგად ატარებს ელექტროენერგიას.
• შედარებით რბილი ნივთიერებაა დაბალი სიხისტის გამო.
• ჰაერის არარსებობის პირობებში გაცხელებისას იგი სტაბილურობას ამჟღავნებს.
• არ დნება.
• ცხიმიანი, სრიალა შეხებით.
• ბუნებრივი გრაფიტი შეიცავს 10-12% მინარევებს. როგორც წესი, ეს არის რკინის და თიხის ოქსიდები.

თუ ქიმიურ თვისებებზე ვსაუბრობთ, აღსანიშნავია, რომ მარილებთან და ტუტე ლითონებთან ერთად ეს ნივთიერება ქმნის ე.წ. გრაფიტი ასევე რეაგირებს ჟანგბადთან მაღალ ტემპერატურაზე, იწვის ნახშირორჟანგამდე. მაგრამ არაჟანგვის მჟავებთან კონტაქტი არ იწვევს რაიმე შედეგს - ეს ნივთიერება მათში უბრალოდ არ იხსნება.

გრაფიტი გამოიყენება სხვადასხვა სფეროში. იგი გამოიყენება უგულებელყოფის ფირფიტების და დნობის ჭურჭლის წარმოებაში, გათბობის ელემენტების და ელექტროდების წარმოებაში. გრაფიტის მონაწილეობის გარეშე შეუძლებელია სინთეტიკური ბრილიანტის მოპოვება. ის ასევე ასრულებს ნეიტრონის მოდერატორის როლს ბირთვულ რეაქტორებში. და, რა თქმა უნდა, მისგან მზადდება ფანქრის ტყვიები, რომლებიც ერევიან კაოლინს. და ეს მხოლოდ იმ ტერიტორიების ნაწილია, სადაც ის გამოიყენება.

ბრილიანტი

ეს არის მეტასტაბილური მინერალი, რომელიც შეიძლება არსებობდეს განუსაზღვრელი ვადით, გარკვეულწილად ნახშირბადის სიძლიერისა და სიმკვრივის გამო. ბრილიანტი მოჰსის მასშტაბის უმძიმესი ნივთიერებაა და ადვილად ჭრის მინას.

მას აქვს მაღალი თბოგამტარობა, დისპერსიულობა, რეფრაქციული ინდექსი. ის აცვიათ მდგრადია და მისი დნობისთვის საჭიროა ტემპერატურა 4000 ° C და წნევა დაახლოებით 11 GPa. მისი თვისებაა ლუმინესცენცია, სხვადასხვა ფერებში ანათების უნარი.

ეს იშვიათი, თუმცა ჩვეულებრივი ნივთიერებაა. მინერალების ასაკი, გარკვეული კვლევების მიხედვით, შეიძლება მერყეობდეს 100 მილიონიდან 2,5 მილიარდ წლამდე. აღმოჩენილია არამიწიერი წარმოშობის ბრილიანტები, შესაძლოა, მზის ადრეც კი.

ამ მინერალმა იპოვა თავისი გამოყენება სამკაულებში. მოჭრილი ბრილიანტი, რომელსაც ბრილიანტი ჰქვია, ძვირია, მაგრამ მისმა ძვირფასი ქვის სტატუსმა და მისმა სილამაზემ ის კიდევ უფრო პოპულარული გახადა. სხვათა შორის, ეს ნივთიერება ასევე გამოიყენება საჭრელების, ბურღების, დანების და ა.შ. დასამზადებლად. განსაკუთრებული სიმტკიცის გამო მინერალი გამოიყენება მრავალ ინდუსტრიაში.

კარაბინი

თემის გაგრძელებაში რა არის ნახშირბადი, რამდენიმე სიტყვა უნდა ითქვას ისეთ მოდიფიკაციაზე, როგორიც არის კარაბინი. როგორც ჩანს, შავი კრისტალური ფხვნილი აქვს, აქვს ნახევარგამტარული თვისებები. ხელოვნურად მიღებული საბჭოთა მეცნიერების მიერ 60-იანი წლების დასაწყისში.

ამ ნივთიერების თავისებურება მდგომარეობს იმაში, რომ გამტარობა იზრდება სინათლის გავლენის ქვეშ. სწორედ ამიტომ დაიწყო მისი გამოყენება ფოტოცელებში.

გრაფენი

ეს არის მსოფლიოში პირველი ორგანზომილებიანი კრისტალი. ამ მოდიფიკაციას აქვს უფრო მაღალი მექანიკური სიმტკიცე, ვიდრე გრაფიტი და რეკორდულად მაღალი თბოგამტარობა ~ 5,10 3 W m −1 .K −. გრაფენის მუხტის მატარებლებს აქვთ მაღალი მობილურობა, რის გამოც ნივთიერებას აქვს პერსპექტივები მისი გამოყენების კუთხით სხვადასხვა აპლიკაციებში. ითვლება, რომ ის შეიძლება გახდეს ნანოელექტრონიკის მომავალი საფუძველი და ჩაანაცვლოს სილიკონიც კი ინტეგრირებულ სქემებში.

გრაფენი მიიღება ხელოვნურად, სამეცნიერო ლაბორატორიებში. ამისათვის საჭიროა მიმართოთ გრაფიტის ფენების მექანიკურ გამოყოფას უაღრესად ორიენტირებული ნივთიერებისგან. ამ გზით მიიღება მაღალი ხარისხის ნიმუშები საჭირო მატარებლის მობილურობით.

მისი თვისებები ბოლომდე არ არის შესწავლილი, მაგრამ მეცნიერებმა უკვე აღნიშნეს რაღაც საინტერესო. მაგალითად, გრაფენში არ არის Winger კრისტალიზაცია. ხოლო მატერიის ორმაგ შრეში ელექტრონების ქცევა ჰგავს თხევადი კრისტალების დამახასიათებელს. თუ კრისტალზე დაჭერის პარამეტრები დაფიქსირდა, შესაძლებელი იქნება გრაფენის ყუთის ფორმის ნანოსტრუქტურის მიღება.

ტოქსიკურობა

ეს თემა გასათვალისწინებელია მოთხრობის ბოლოს იმის შესახებ, თუ რა არის ნახშირბადი. ფაქტია, რომ ეს ნივთიერება ატმოსფეროში გამოიყოფა მანქანების გამონაბოლქვი აირებთან ერთად. და ასევე ნახშირის წვის, მიწისქვეშა გაზიფიკაციის და მრავალი სხვა პროცესის დროს.

ჰაერში ამ ნივთიერების გაზრდილი შემცველობა იწვევს დაავადებების რაოდენობის ზრდას. კერძოდ, ეს ეხება ფილტვებსა და ზედა სასუნთქ გზებს. ხოლო ტოქსიკური ეფექტი განპირობებულია რადიაციული ბუნების β- ნაწილაკებთან ურთიერთქმედებით, რაც იწვევს იმ ფაქტს, რომ იცვლება მოლეკულის ქიმიური შემადგენლობა და ნივთიერების თვისებებიც.

ნახშირბადის ატომის სტრუქტურული მახასიათებლებისა და მისი ელექტრონული მდგომარეობის გათვალისწინება ფუნდამენტურია ქიმიური სტრუქტურის თეორიის სწორი გაგებისთვის. ჯერ განვიხილოთ ნახშირბადის პოზიცია პერიოდულ სისტემაში (PS). ელემენტის PS-ით დახასიათების მოხერხებულობისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას შემდეგი ალგორითმი:

Სერიული ნომერიელემენტი (#) განსაზღვრავს მას ბირთვული მუხტი (მუხტის ნომერი Z), და აქედან გამომდინარეობს პროტონების რაოდენობა N$p^+$ (პროტონის სიმბოლო - $p_1^+$) და ელექტრონების საერთო რაოდენობა N$\bar(e)$ (ელექტრონის სიმბოლო - $\bar(e)$) ბირთვში. ნახშირბადისთვის სერიული ნომერია 6, შესაბამისად, ნახშირბადის ატომის ბირთვი შედგება 6 პროტონისა და 6 ელექტრონისგან. სქემატურად, ეს მსჯელობა შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად: №$ (C)=6 \Rightarrow Z = 6; \hspace(2pt)N\bar(e) = 6$.

ატომური მასაელემენტი, ან იზოტოპის მასის ნომერი (A)უდრის პროტონებისა და ნეიტრონების მასების ჯამს (ნეიტრონის აღნიშვნა არის $n_1^0$) ბირთვში, შესაბამისად, N ნეიტრონების რაოდენობა შეიძლება გამოვთვალოთ სხვაობიდან.სქემატური აღნიშვნა: $A(C) =12 \textrm(amu) \Rightarrow N =A-Z=12-6=6$.

პერიოდის ნომერი,რომელშიც PS-ის ელემენტი მდებარეობს, რიცხობრივად უდრის მთავარი (რადიალური)კვანტური რიცხვი nდა განსაზღვრავს ენერგიის დონეების რაოდენობას ატომში. ზოგჯერ არსებობს მთავარი კვანტური რიცხვის სხვა აღნიშვნა - $n_r$(სომერფელდის მიხედვით). ნახშირბადი არის PS-ის მეორე პერიოდში, შესაბამისად, მას აქვს ორი ენერგეტიკული დონე, ძირითადი კვანტური რიცხვია 2. სქემატური აღნიშვნა: No ზოლი. = 2 => n = 2.

ჯგუფის ნომერი, რომელშიც ელემენტი მდებარეობს PS-ში, შეესაბამება ელექტრონების რაოდენობას გარე ენერგეტიკულ დონეზე. ნახშირბადი განლაგებულია მთავარი ქვეჯგუფის IV ჯგუფში, შესაბამისად, მას აქვს 4 ელექტრონი გარე ენერგიის დონეზე.სქემატური აღნიშვნა: No გრ. = IV => N$\bar(e)_\textrm(ვალენტობა)$ = 4.

შეჯამებით, შეიძლება ითქვას, რომ ქ დაფქული (აუაღელვებელი) მდგომარეობანახშირბადის ატომის გარე ენერგეტიკულ დონეზე არის 4 ვალენტური ელექტრონი, ხოლო s-ელექტრონები ქმნიან ელექტრონულ წყვილს, ხოლო 2 p-ელექტრონი არ არის დაწყვილებული.

ნახშირბადის ატომის ვალენტური ელექტრონული ფენისთვის მთავარი კვანტური რიცხვი n არის 2, ორბიტალური კვანტური რიცხვი l არის 0, რომელიც შეესაბამება s-ორბიტალს და უდრის 1-ს p-ორბიტალებისთვის; მაგნიტური კვანტური რიცხვი m = –l, 0, +l; ანუ, m = 0 (ლ = 0-სთვის) და m = –1, 0, 1 (ლ = 1-ისთვის).

განმარტება

ატომური ორბიტალი (AO)ეწოდება ელექტრონის სიმკვრივის გრაფიკულ სამგანზომილებიან გამოსახულებას, ანუ სივრცის რეგიონს, რომელშიც ელექტრონის პოვნის ალბათობა მაქსიმალურია.

ორგანულ ნაერთებში ნახშირბადის ატომი ყოველთვის ოთხვალენტიანია, რაც ნიშნავს, რომ ოთხივე ვალენტური ელექტრონი მონაწილეობს ქიმიური ბმის ფორმირებაში. მაგრამ ბმის ფორმირებაში მონაწილეობენ მხოლოდ დაუწყვილებელი ელექტრონები! ვალენტობის კონცეფციასა და ნახშირბადის ატომის ელექტრონულ სტრუქტურას შორის შეუსაბამობის ასახსნელად, უნდა გამოვიყენოთ მოდელი ნახშირბადის ატომის აღგზნებული მდგომარეობა $C^*$, რომელიც საშუალებას აძლევს ელექტრონის გადასვლას 2s-დან 2p-ქვედონეზე:

ამ შემთხვევაში ელექტრონის გადასვლაზე დახარჯული ენერგია კომპენსირდება ორი დამატებითი ბმის წარმოქმნის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიით. თუმცა, ეს მოდელი ვარაუდობს, რომ ელექტრონი არის ოთხ "სუფთა" ორბიტალში - ერთი s და სამი p.

შემდეგ, ატომის აღგზნებულ მდგომარეობაში, s-ორბიტალის ენერგია ნაკლები უნდა იყოს p-ორბიტალების წარმოქმნის ენერგიაზე. სინამდვილეში ეს სიმართლეს არ შეესაბამება. კვლევებმა აჩვენა, რომ ელექტრონის "ნახტომის" შედეგად წარმოქმნილი ოთხივე ორბიტალის ენერგია, შესაბამისად, დაახლოებით იგივეა, ხოლო ბმის წარმოქმნის ენერგია მოლეკულაში იდენტური ჰეტეროატომებით (მაგალითად, წყალბადის ატომები მეთანში) ასევე დაახლოებით ტოლია და ყოველი ახლად წარმოქმნილი ენერგია ორბიტალის ენერგიაზე ნაკლებია, მაგრამ მეტია "p-ორბიტალი.

ფიზიკური თვისებები:ნახშირბადი აყალიბებს მრავალ ალოტროპულ მოდიფიკაციას: ბრილიანტიერთ-ერთი უმძიმესი ნივთიერება გრაფიტი, ქვანახშირი, ჭვარტლი.

ნახშირბადის ატომს აქვს 6 ელექტრონი: 1s 2 2s 2 2p 2 . ბოლო ორი ელექტრონი განლაგებულია ცალკეულ p-ორბიტალებში და დაუწყვილებელია. პრინციპში, ამ წყვილს შეუძლია დაიკავოს ერთი ორბიტალი, მაგრამ ამ შემთხვევაში ინტერელექტრონის მოგერიება მკვეთრად იზრდება. ამ მიზეზით, ერთი მათგანი იღებს 2p x, ხოლო მეორე, ან 2p y , ან 2p z-ორბიტალი.

გარე შრის s- და p-ქვედონეების ენერგიებს შორის განსხვავება მცირეა, შესაბამისად, ატომი საკმაოდ ადვილად გადადის აღგზნებულ მდგომარეობაში, რომელშიც 2s-ორბიტალიდან ორი ელექტრონიდან ერთი გადადის თავისუფალზე. 2r.წარმოიქმნება ვალენტური მდგომარეობა, რომელსაც აქვს კონფიგურაცია 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . სწორედ ნახშირბადის ატომის ეს მდგომარეობაა დამახასიათებელი ალმასის გისოსისთვის - ჰიბრიდული ორბიტალების ტეტრაედრული სივრცითი განლაგება, იგივე ბმის სიგრძე და ენერგია.

ამ ფენომენს ცნობილია ე.წ sp 3 - ჰიბრიდიზაცია,და შედეგად მიღებული ფუნქციები არის sp 3 -ჰიბრიდი . ოთხი sp 3 ბმის ფორმირება ნახშირბადის ატომს სამზე სტაბილურ მდგომარეობას აძლევს rr-და ერთი s-s-bond. sp 3 ჰიბრიდიზაციის გარდა, sp 2 და sp ჰიბრიდიზაცია ასევე შეინიშნება ნახშირბადის ატომში. . პირველ შემთხვევაში, არსებობს ურთიერთგადახურვა s-და ორი p-ორბიტალი. იქმნება სამი ეკვივალენტი sp 2 - ჰიბრიდული ორბიტალი, რომლებიც განლაგებულია იმავე სიბრტყეში, ერთმანეთის მიმართ 120 ° კუთხით. მესამე ორბიტალი p უცვლელია და მიმართულია სიბრტყის პერპენდიკულარულად sp2.

sp ჰიბრიდიზაციისას s და p ორბიტალები ერთმანეთს ემთხვევა. წარმოქმნილ ორ ეკვივალენტურ ჰიბრიდულ ორბიტალს შორის წარმოიქმნება 180° კუთხე, ხოლო თითოეული ატომის ორი p-ორბიტალი უცვლელი რჩება.

ნახშირბადის ალოტროპია. ბრილიანტი და გრაფიტი

გრაფიტის კრისტალში ნახშირბადის ატომები განლაგებულია პარალელურ სიბრტყეში, მათში რეგულარული ექვსკუთხედების წვეროებს იკავებენ. ნახშირბადის თითოეული ატომი დაკავშირებულია სამ მიმდებარე sp 2 ჰიბრიდულ ბმასთან. პარალელურ სიბრტყეებს შორის კავშირი ხორციელდება ვან დერ ვაალის ძალების გამო. თითოეული ატომის თავისუფალი p-ორბიტალები მიმართულია კოვალენტური ბმების სიბრტყეზე პერპენდიკულურად. მათი გადახურვა ხსნის დამატებით π-ბმას ნახშირბადის ატომებს შორის. ასე რომ, საწყისი ვალენტურ მდგომარეობაზე, რომელშიც ნახშირბადის ატომები იმყოფება ნივთიერებაში, ამ ნივთიერების თვისებები დამოკიდებულია.

ნახშირბადის ქიმიური თვისებები

ყველაზე დამახასიათებელი დაჟანგვის მდგომარეობები: +4, +2.

დაბალ ტემპერატურაზე ნახშირბადი ინერტულია, მაგრამ გაცხელებისას მისი აქტივობა იზრდება.

ნახშირბადი, როგორც შემცირების აგენტი:

- ჟანგბადით
C 0 + O 2 - t ° \u003d CO 2 ნახშირორჟანგი
ჟანგბადის ნაკლებობით - არასრული წვა:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O ნახშირბადის მონოქსიდი

- ფტორთან ერთად
C + 2F 2 = CF 4

- ორთქლით
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 წყლის გაზი

- ლითონის ოქსიდებით. ამ გზით ლითონის დნობა ხდება მადნიდან.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2

- მჟავებით - ჟანგვითი აგენტებით:
C 0 + 2H 2 SO 4 (კონს.) \u003d C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (კონს.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- გოგირდთან ერთად ქმნის ნახშირბადის დისულფიდს:
C + 2S 2 \u003d CS 2.

ნახშირბადი, როგორც ჟანგვის აგენტი:

- ზოგიერთ მეტალთან ერთად ქმნის კარბიდებს

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

Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4

- წყალბადით - მეთანით (ისევე როგორც ორგანული ნაერთების უზარმაზარი რაოდენობა)

C 0 + 2H 2 \u003d CH 4

- სილიკონით, აყალიბებს კარბორუნდს (ელექტრო ღუმელში 2000 ° C ტემპერატურაზე):

ნახშირბადის აღმოჩენა ბუნებაში

თავისუფალი ნახშირბადი გვხვდება ალმასის და გრაფიტის სახით. ნაერთების სახით ნახშირბადი გვხვდება მინერალებში: ცარცი, მარმარილო, კირქვა - CaCO 3, დოლომიტი - MgCO 3 *CaCO 3; ბიკარბონატები - Mg (HCO 3) 2 და Ca (HCO 3) 2, CO 2 არის ჰაერის ნაწილი; ნახშირბადი არის ბუნებრივი ორგანული ნაერთების მთავარი კომპონენტი - გაზი, ზეთი, ქვანახშირი, ტორფი, არის ორგანული ნივთიერებების, ცილების, ცხიმების, ნახშირწყლების, ამინომჟავების ნაწილი, რომლებიც ცოცხალი ორგანიზმების ნაწილია.

არაორგანული ნახშირბადის ნაერთები

არც C 4+ და არც C 4- იონები არ წარმოიქმნება რაიმე ჩვეულებრივი ქიმიური პროცესის დროს: ნახშირბადის ნაერთებში არსებობს სხვადასხვა პოლარობის კოვალენტური ბმები.

ნახშირბადის მონოქსიდი (II)ᲘᲡᲔ

ნახშირბადის მონოქსიდი; უფერო, უსუნო, წყალში ნაკლებად ხსნადი, ორგანულ გამხსნელებში ხსნადი, შხამიანი, bp = -192°C; ტ კვ. = -205°C.

ქვითარი
1) ინდუსტრიაში (გაზის გენერატორებში):
C + O 2 = CO 2

2) ლაბორატორიაში - ფორმულის ან ოქსილის მჟავას თერმული დაშლა H 2 SO 4-ის თანდასწრებით (კონს.):
HCOOH = H2O + CO

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

ქიმიური თვისებები

ჩვეულებრივ პირობებში CO ინერტულია; გაცხელებისას - შემცირების აგენტი; უმარილო ოქსიდი.

1) ჟანგბადით

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

2) ლითონის ოქსიდებით

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

3) ქლორთან ერთად (შუქზე)

CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (ფოსგენი)

4) რეაგირებს ტუტე დნობასთან (წნევის ქვეშ)

CO + NaOH = HCOONa (ნატრიუმის ფორმატი)

5) გარდამავალი ლითონებით ქმნის კარბონილებს

Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5

ნახშირბადის მონოქსიდი (IV) CO2

ნახშირორჟანგი, უფერო, უსუნო, წყალში ხსნადობა - 0,9V CO 2 იხსნება 1V H 2 O (ნორმალურ პირობებში); ჰაერზე მძიმე; t°pl.= -78,5°C (მყარ CO 2-ს ეწოდება "მშრალი ყინული"); არ უჭერს მხარს წვას.

ქვითარი

1. ნახშირმჟავას (კარბონატების) მარილების თერმული დაშლა. კირქვის სროლა:

CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2

1. ძლიერი მჟავების მოქმედება კარბონატებზე და ბიკარბონატებზე:

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

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

ქიმიურითვისებებიCO2
მჟავა ოქსიდი: რეაგირებს ძირითად ოქსიდებთან და ფუძეებთან ნახშირმჟავას მარილების წარმოქმნით

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

შეიძლება გამოავლინოს ჟანგვის თვისებები მაღალ ტემპერატურაზე

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

თვისებრივი რეაქცია

კირის წყლის სიბნელე:

Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 3 ¯ (თეთრი ნალექი) + H 2 O

ის ქრება, როდესაც CO 2 გადის კირწყალში დიდი ხნის განმავლობაში, რადგან. უხსნადი კალციუმის კარბონატი გარდაიქმნება ხსნად ბიკარბონატად:

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

ნახშირმჟავა და მისიმარილი

H2CO3 -სუსტი მჟავა, არსებობს მხოლოდ წყალხსნარში:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

ორმაგი ბაზა:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - მჟავა მარილები - ბიკარბონატები, ბიკარბონატები
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- საშუალო მარილები - კარბონატები

მჟავების ყველა თვისება დამახასიათებელია.

კარბონატები და ბიკარბონატები შეიძლება გარდაიქმნას ერთმანეთში:

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

ლითონის კარბონატები (გარდა ტუტე ლითონებისა) დეკარბოქსილატდება გაცხელებისას ოქსიდის წარმოქმნით:

CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2

თვისებრივი რეაქცია- "ადუღება" ძლიერი მჟავის მოქმედებით:

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

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

კარბიდები

კალციუმის კარბიდი:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

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

აცეტილენი გამოიყოფა თუთიის, კადმიუმის, ლანთანისა და ცერიუმის კარბიდების წყალთან ურთიერთქმედებისას:

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

Be 2 C და Al 4 C 3 იშლება წყლის მიერ მეთანის წარმოქმნით:

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

ტექნოლოგიაში გამოიყენება ტიტანის კარბიდები TiC, ვოლფრამი W 2 C (მყარი შენადნობები), სილიციუმის SiC (კარბორუნდი - როგორც აბრაზიული და გამათბობლების მასალა).

ციანიდები

მიღებული სოდის გაცხელებით ამიაკის და ნახშირბადის მონოქსიდის ატმოსფეროში:

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

ჰიდროციანმჟავა HCN არის მნიშვნელოვანი ქიმიური ინდუსტრიის პროდუქტი, რომელიც ფართოდ გამოიყენება ორგანულ სინთეზში. მისი მსოფლიო წარმოება წელიწადში 200 ათას ტონას აღწევს. ციანიდის ანიონის ელექტრონული სტრუქტურა ნახშირბადის მონოქსიდის (II) მსგავსია, ასეთ ნაწილაკებს იზოელექტრონული ეწოდება:

C = O:[:C = N:]-

ციანიდები (0,1-0,2% წყალხსნარი) გამოიყენება ოქროს მოპოვებაში:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 \u003d 2 K + 2 KOH.

ციანიდის ხსნარებს გოგირდთან ერთად ხარშვისას ან მყარი ნივთიერებების შერწყმისას, თიოციანატები:
KCN + S = KSCN.

დაბალაქტიური ლითონების ციანიდების გაცხელებისას მიიღება ციანიდი: Hg (CN) 2 \u003d Hg + (CN) 2. ციანიდის ხსნარები იჟანგება ციანატები:

2KCN + O2 = 2KOCN.

ციანის მჟავა არსებობს ორი ფორმით:

H-N=C=O; H-O-C = N:

1828 წელს ფრიდრიხ ვოლერმა (1800-1882) მიიღო შარდოვანა ამონიუმის ციანატიდან: NH 4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 წყალხსნარის აორთქლებით.

ეს მოვლენა ჩვეულებრივ განიხილება, როგორც სინთეზური ქიმიის გამარჯვება „ვიტალისტურ თეორიაზე“.

არსებობს ციანიუმის მჟავას იზომერი - ფულმინის მჟავა

H-O-N=C.
მისი მარილები (ვერცხლისწყლის ფულმინატი Hg(ONC) 2) გამოიყენება ზემოქმედების ანთებით.

სინთეზი შარდოვანა(კარბამიდი):

CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O. 130 0 C და 100 ატმ.

შარდოვანა ნახშირმჟავას ამიდია, ასევე არის მისი "აზოტის ანალოგი" - გუანიდინი.

კარბონატები

ნახშირბადის ყველაზე მნიშვნელოვანი არაორგანული ნაერთებია ნახშირმჟავას მარილები (კარბონატები). H 2 CO 3 არის სუსტი მჟავა (K 1 \u003d 1.3 10 -4; K 2 \u003d 5 10 -11). კარბონატული ბუფერული საყრდენი ნახშირორჟანგის ბალანსიატმოსფეროში. ოკეანეებს აქვთ უზარმაზარი ბუფერული სიმძლავრე, რადგან ისინი ღია სისტემაა. ძირითადი ბუფერული რეაქცია არის წონასწორობა ნახშირმჟავას დისოციაციის დროს:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

მჟავიანობის დაქვეითებით, ატმოსფეროდან ნახშირორჟანგის დამატებითი შეწოვა ხდება მჟავის წარმოქმნით:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

მჟავიანობის მატებასთან ერთად იხსნება კარბონატული ქანები (ჭურვები, ცარცი და კირქვის საბადოები ოკეანეში); ეს ანაზღაურებს ჰიდროკარბონატის იონების დაკარგვას:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (ტელევიზია) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

მყარი კარბონატები გარდაიქმნება ხსნად ნახშირწყალბადებად. სწორედ ჭარბი ნახშირორჟანგის ქიმიური დაშლის პროცესი ეწინააღმდეგება „სათბურის ეფექტს“ – გლობალურ დათბობას ნახშირორჟანგის მიერ დედამიწის თერმული გამოსხივების შთანთქმის გამო. მსოფლიოში სოდაის წარმოების დაახლოებით მესამედი (ნატრიუმის კარბონატი Na 2 CO 3) გამოიყენება მინის წარმოებაში.

ალმასის სტრუქტურა (A)და გრაფიტი (ბ)

Ნახშირბადის(ლათინური კარბონეუმი) - C, მენდელეევის პერიოდული სისტემის IV ჯგუფის ქიმიური ელემენტი, ატომური ნომერი 6, ატომური მასა 12.011. ბუნებაში გვხვდება ალმასის, გრაფიტის ან ფულერენის და სხვა ფორმების კრისტალების სახით და არის ორგანული (ქვანახშირი, ზეთი, ცხოველური და მცენარეული ორგანიზმები და სხვ.) და არაორგანული ნივთიერებების (კირქვა, საცხობი სოდა და ა.შ.) ნაწილი. ნახშირბადი ფართოდ არის გავრცელებული, მაგრამ მისი შემცველობა დედამიწის ქერქში მხოლოდ 0,19%-ია.

ნახშირბადი ფართოდ გამოიყენება მარტივი ნივთიერებების სახით. ძვირფასი ალმასების გარდა, რომლებიც სამკაულების საგანია, დიდი მნიშვნელობა აქვს სამრეწველო ბრილიანტებს - სახეხი და საჭრელი იარაღების დასამზადებლად. ნახშირი და ნახშირბადის სხვა ამორფული ფორმები გამოიყენება დეკოლორიზაციისთვის, გაწმენდისთვის, გაზების ადსორბციისთვის, ტექნოლოგიის სფეროებში, სადაც საჭიროა განვითარებული ზედაპირის ადსორბენტები. კარბიდები, ნახშირბადის ნაერთები ლითონებთან, აგრეთვე ბორთან და სილიციუმთან (მაგალითად, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) ძალიან მყარია და გამოიყენება აბრაზიული და საჭრელი იარაღების დასამზადებლად. ნახშირბადი იმყოფება ფოლადებსა და შენადნობებში ელემენტარულ მდგომარეობაში და კარბიდების სახით. ფოლადის ჩამოსხმის ზედაპირის გაჯერება ნახშირბადით მაღალ ტემპერატურაზე (კარბურიზაცია) მნიშვნელოვნად ზრდის ზედაპირის სიმტკიცეს და აცვიათ წინააღმდეგობას.

ისტორიული ცნობა

გრაფიტი, ბრილიანტი და ამორფული ნახშირბადი ცნობილია უძველესი დროიდან. უკვე დიდი ხანია ცნობილია, რომ სხვა მასალის აღნიშვნა შესაძლებელია გრაფიტით, ხოლო სახელი „გრაფიტი“, რომელიც მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან, რაც ნიშნავს „დაწერას“, შემოთავაზებული იქნა ა. ვერნერის მიერ 1789 წელს. თუმცა, გრაფიტის ისტორია დაბნეულია, ხშირად მასში შეცდომით შეცდომით იგებენ მსგავსი გარეგანი ფიზიკური თვისებების მქონე ნივთიერებებს, მაგალითად, მოლიბდენიტს (მოლიბდენის ერთ დროს სულფიდად ითვლებოდა). გრაფიტის სხვა სახელებს შორის ცნობილია „შავი ტყვია“, „რკინის კარბიდი“, „ვერცხლის ტყვია“.

1779 წელს კ.შელემ აღმოაჩინა, რომ გრაფიტი შეიძლება დაჟანგდეს ჰაერით ნახშირორჟანგის წარმოქმნით. პირველად ბრილიანტები გამოიყენეს ინდოეთში, ხოლო ბრაზილიაში ძვირფასმა ქვებმა კომერციული მნიშვნელობა 1725 წელს შეიძინეს; საბადოები სამხრეთ აფრიკაში აღმოაჩინეს 1867 წელს.

მე-20 საუკუნეში ალმასის ძირითადი მწარმოებლები არიან სამხრეთ აფრიკა, ზაირი, ბოტსვანა, ნამიბია, ანგოლა, სიერა ლეონე, ტანზანია და რუსეთი. ხელოვნური ბრილიანტები, რომელთა ტექნოლოგია შეიქმნა 1970 წელს, იწარმოება სამრეწველო მიზნებისთვის.

Თვისებები

ცნობილია ნახშირბადის ოთხი კრისტალური მოდიფიკაცია:

• გრაფიტი,
• ბრილიანტი,
• კარაბინი,
• ლონსდალეიტი.

გრაფიტი- რუხი-შავი, გაუმჭვირვალე, შეხებით ცხიმიანი, ქერცლიანი, ძალიან რბილი მასა მეტალის ბზინვარებით. ოთახის ტემპერატურაზე და ნორმალურ წნევაზე (0,1 MN/m2, ან 1 kgf/cm2), გრაფიტი თერმოდინამიკურად სტაბილურია.

ბრილიანტი- ძალიან მყარი, კრისტალური ნივთიერება. კრისტალებს აქვთ კუბური სახეზე ორიენტირებული გისოსი. ოთახის ტემპერატურაზე და ნორმალურ წნევაზე ბრილიანტი მეტასტაბილურია. ალმასის შესამჩნევი ტრანსფორმაცია გრაფიტად შეინიშნება 1400°C-ზე მაღალ ტემპერატურაზე ვაკუუმში ან ინერტულ ატმოსფეროში. ატმოსფერული წნევის და დაახლოებით 3700 ° C ტემპერატურაზე, გრაფიტი სუბლიმირებულია.

თხევადი ნახშირბადის მიღება შესაძლებელია 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) ზემოთ წნევით და 3700°C-ზე მაღლა ტემპერატურებზე. მყარ ნახშირბადს (კოქსი, ჭვარტლი, ნახშირი) ასევე ახასიათებს მოუწესრიგებელი აგებულების მდგომარეობა - ე.წ „ამორფული“ ნახშირბადი, რომელიც არ წარმოადგენს დამოუკიდებელ მოდიფიკაციას; მისი სტრუქტურა ეფუძნება წვრილმარცვლოვანი გრაფიტის სტრუქტურას. ზოგიერთი ჯიშის "ამორფული" ნახშირბადის 1500-1600 ° C ტემპერატურაზე ჰაერის გარეშე გაცხელება იწვევს მათ გარდაქმნას გრაფიტად.

"ამორფული" ნახშირბადის ფიზიკური თვისებები ძლიერ არის დამოკიდებული ნაწილაკების დისპერსიაზე და მინარევების არსებობაზე. "ამორფული" ნახშირბადის სიმკვრივე, სითბოს მოცულობა, თბოგამტარობა და ელექტროგამტარობა ყოველთვის უფრო მაღალია ვიდრე გრაფიტი.

კარაბინიხელოვნურად მიღებული. ეს არის შავი ფერის წვრილად კრისტალური ფხვნილი (სიმკვრივე 1,9-2 გ / სმ 3). აგებულია ატომების გრძელი ჯაჭვებისგან თანერთმანეთის პარალელურად დალაგებული.

ლონსდალეიტინაპოვნია მეტეორიტებში და მიღებული ხელოვნურად; მისი სტრუქტურა და თვისებები საბოლოოდ არ არის დადგენილი.

შენადნობები

Ფოლადი

კოკა გამოიყენება მეტალურგიაში, როგორც შემამცირებელი საშუალება. ნახშირი - სამჭედლოებში, დენთის მისაღებად (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), აირების შესაწოვად (ადსორბცია), ასევე ყოველდღიურ ცხოვრებაში. ჭვარტლი გამოიყენება როგორც რეზინის შემავსებელი, შავი საღებავების - საბეჭდი მელნისა და მელნის დასამზადებლად, ასევე მშრალ გალვანურ უჯრედებში. შუშის ნახშირბადი გამოიყენება უაღრესად აგრესიული გარემოსთვის აღჭურვილობის დასამზადებლად, ასევე ავიაციასა და ასტრონავტიკაში.

გააქტიურებული ნახშირი შთანთქავს მავნე ნივთიერებებს გაზებიდან და სითხეებიდან: ისინი ავსებენ გაზის ნიღბებს, გამწმენდ სისტემებს, გამოიყენება მედიცინაში მოწამვლისთვის.

ნახშირბადი არის ყველა ორგანული ნივთიერების საფუძველი. ყველა ცოცხალი ორგანიზმი ძირითადად ნახშირბადისგან შედგება. ნახშირბადი არის სიცოცხლის საფუძველი. ცოცხალი ორგანიზმებისთვის ნახშირბადის წყარო ჩვეულებრივ არის CO 2 ატმოსფეროდან ან წყლისგან. ფოტოსინთეზის შედეგად, ის შედის ბიოლოგიურ კვებით ჯაჭვებში, რომლებშიც ცოცხალი არსებები ჭამენ ერთმანეთს ან ერთმანეთის ნარჩენებს და ამით გამოიმუშავებენ ნახშირბადს საკუთარი სხეულის ასაშენებლად. ნახშირბადის ბიოლოგიური ციკლი მთავრდება ან დაჟანგვით და ატმოსფეროში დაბრუნებით, ან ნახშირის ან ნავთობის სახით განკარგვით.

რადიოაქტიური იზოტოპის 14 C გამოყენებამ ხელი შეუწყო მოლეკულური ბიოლოგიის წარმატებას ცილების ბიოსინთეზის მექანიზმების შესწავლაში და მემკვიდრეობითი ინფორმაციის გადაცემაში. ნახშირბადის ორგანულ ნაშთებში 14 C-ის სპეციფიკური აქტივობის განსაზღვრა შესაძლებელს ხდის მათი ასაკის მსჯელობას, რომელიც გამოიყენება პალეონტოლოგიასა და არქეოლოგიაში.

წყაროები