Węgiel to Atom węgla. Masa węgla

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 05:38

Jednym z najbardziej niesamowitych pierwiastków, które mogą tworzyć ogromną różnorodność związków o charakterze organicznym i nieorganicznym, jest węgiel. Ten pierwiastek ma tak niezwykłe właściwości, że nawet Mendelejew przewidział dla niego wspaniałą przyszłość, mówiąc o cechach, które nie zostały jeszcze ujawnione.

Później zostało to praktycznie potwierdzone. Okazało się, że jest to główny biogenny pierwiastek naszej planety, który jest częścią absolutnie wszystkich żywych istot. Ponadto mogą istnieć w formach radykalnie odmiennych pod każdym względem, ale jednocześnie składających się wyłącznie z atomów węgla.

Ogólnie rzecz biorąc, ta struktura ma wiele funkcji, z którymi postaramy się uporać w trakcie artykułu.

Węgiel: formuła i pozycja w układzie pierwiastków

W układzie okresowym pierwiastek węgiel znajduje się w grupie IV (zgodnie z nowym modelem w 14), głównej podgrupie. Jego numer seryjny to 6, a masa atomowa 12 011. Oznaczenie pierwiastka znakiem C wskazuje na jego nazwę po łacinie - carboneum. Istnieje kilka różnych form węgla. Jego formuła jest więc inna i zależy od konkretnej modyfikacji.

Jednak przy pisaniu równań reakcji notacja jest specyficzna,oczywiście mieć. Ogólnie rzecz biorąc, mówiąc o substancji w jej czystej postaci, przyjmuje się wzór cząsteczkowy węgla C, bez indeksowania.

Historia odkrywania elementów

Sam ten pierwiastek jest znany od starożytności. W końcu jednym z najważniejszych minerałów w przyrodzie jest węgiel. Dlatego dla starożytnych Greków, Rzymian i innych narodowości nie był tajemnicą.

Oprócz tej odmiany użyto również diamentów i grafitu. Z tymi ostatnimi przez długi czas było wiele zagmatwanych sytuacji, gdyż często bez analizy składu brano za grafit takie związki, jak:

• srebrny ołów;
• węglik żelaza;
• siarczek molibdenu.

Wszystkie były pomalowane na czarno i dlatego uważane są za grafit. Później to nieporozumienie zostało wyjaśnione i ta forma węgla stała się sobą.

Od 1725 r. diamenty mają duże znaczenie handlowe, aw 1970 r. opanowano technologię ich sztucznego pozyskiwania. Od 1779 r. dzięki pracy Karla Scheele badano właściwości chemiczne, które wykazuje węgiel. Był to początek szeregu ważnych odkryć w dziedzinie tego pierwiastka i stał się podstawą do poznania wszystkich jego najbardziej unikalnych cech.

Izotopy węgla i ich dystrybucja w przyrodzie

Pomimo tego, że omawiany pierwiastek jest jednym z najważniejszych biogenów, jego całkowita zawartość w masie skorupy ziemskiej wynosi 0,15%. Wynika to z faktu, że podlega ciągłemu obiegowi, naturalnemu cyklowi w przyrodzie.

Ogólnie jest ich kilkazwiązki mineralne zawierające węgiel. Są to takie naturalne rasy jak:

• dolomity i wapienie;
• antracyt;
• łupki bitumiczne;
• gaz ziemny;
• węgiel;
• olej;
• węgiel brunatny;
• torf;
• bitum.

Poza tym nie powinniśmy zapominać o żywych istotach, które są jedynie składnicą związków węgla. W końcu stworzyli białka, tłuszcze, węglowodany, kwasy nukleinowe, czyli najważniejsze cząsteczki strukturalne. Ogólnie rzecz biorąc, przy przeliczaniu suchej masy ciała z 70 kg, 15 przypada na czysty pierwiastek. I tak jest z każdą osobą, nie wspominając o zwierzętach, roślinach i innych stworzeniach.

Jeśli weźmiemy pod uwagę skład powietrza i wody, czyli hydrosferę jako całość i atmosferę, to mamy do czynienia z mieszaniną węgla i tlenu, wyrażoną wzorem CO_{2. Dwutlenek lub dwutlenek węgla to jeden z głównych gazów wchodzących w skład powietrza. W tej postaci ułamek masowy węgla wynosi 0,046%. Jeszcze więcej dwutlenku węgla rozpuszcza się w wodach oceanów.}

Masa atomowa węgla jako pierwiastka wynosi 12 011. Wiadomo, że wartość ta jest obliczana jako średnia arytmetyczna między masami atomowymi wszystkich gatunków izotopowych występujących w przyrodzie, z uwzględnieniem ich częstości występowania (jako procent). Dotyczy to również danej substancji. Istnieją trzy główne izotopy, w których znajduje się węgiel. To jest:

• ¹²С - jego udział masowy w zdecydowanej większości wynosi 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - radioaktywny, okres półtrwania 5700 lat, stabilny emiter beta.

W praktyce określania wieku geochronologicznego próbek, szeroko stosowany jest izotop promieniotwórczy ¹⁴С, który jest wskaźnikiem ze względu na długi okres rozpadu.

Modyfikacje alotropowe elementu

Węgiel to pierwiastek, który istnieje jako prosta substancja w kilku formach. Oznacza to, że jest w stanie utworzyć największą liczbę znanych obecnie modyfikacji alotropowych.

1. Wariacje krystaliczne - występują w postaci silnych struktur z regularnymi sieciami typu atomowego. Ta grupa obejmuje odmiany takie jak:

• diamenty;
• fullereny;
• grafity;
• karabinki;
• lonsdaleites;
• włókna i rury węglowe.

Wszystkie różnią się budową sieci krystalicznej, w której węzłach znajduje się atom węgla. Stąd całkowicie unikalne, odmienne właściwości, zarówno fizyczne, jak i chemiczne.

2. Formy amorficzne - są tworzone przez atom węgla, który jest częścią niektórych naturalnych związków. Oznacza to, że nie są to czyste odmiany, ale z zanieczyszczeniami innych pierwiastków w małych ilościach. Ta grupa obejmuje:

• węgiel aktywny;
• kamień i drewno;
• sadzy;
• nanopianka węglowa;
• antracyt;
• węgiel szklisty;
• techniczny rodzaj substancji.

Łączą je również funkcjestruktury sieci krystalicznej, wyjaśnianie i manifestowanie własności.

3. Związki węgla w postaci skupisk. Taka struktura, w której atomy zamknięte są od wewnątrz w specjalnej zagłębieniu konformacyjnym, wypełnionym wodą lub jądrami innych pierwiastków. Przykłady:

• nanostożki węglowe;
• astralens;
• diwęgiel.

Właściwości fizyczne węgla amorficznego

Ze względu na dużą różnorodność modyfikacji alotropowych trudno jest zidentyfikować jakiekolwiek wspólne właściwości fizyczne węgla. Łatwiej jest mówić o konkretnej formie. Na przykład węgiel amorficzny ma następujące właściwości.

1. Sednem wszystkich form są drobnokrystaliczne odmiany grafitu.
2. Wysoka pojemność cieplna.
3. Dobre właściwości przewodzące.
4. Gęstość węgla wynosi około 2 g/cm³.
5. Po podgrzaniu powyżej 1600 ⁰C następuje przejście do form grafitowych.

Odmiany sadzy, węgla drzewnego i kamienia są szeroko wykorzystywane do celów przemysłowych. Nie są one przejawem modyfikacji węgla w czystej postaci, ale zawierają go w bardzo dużych ilościach.

Węgiel krystaliczny

Istnieje kilka opcji, w których węgiel jest substancją, która tworzy regularne kryształy różnych typów, w których atomy są połączone szeregowo. W rezultacie powstają następujące modyfikacje.

1. Diament. Struktura jest sześcienna, w której połączone są cztery czworościany. W rezultacie wszystkie kowalencyjne wiązania chemiczne każdego atomumaksymalnie nasycone i trwałe. To wyjaśnia właściwości fizyczne: gęstość węgla wynosi 3300 kg/m³. Wysoka twardość, niska pojemność cieplna, brak przewodności elektrycznej – wszystko to wynika ze struktury sieci krystalicznej. Istnieją diamenty pozyskiwane technicznie. Powstają podczas przejścia grafitu do kolejnej modyfikacji pod wpływem wysokiej temperatury i pewnego ciśnienia. Ogólnie rzecz biorąc, temperatura topnienia diamentu jest tak wysoka, jak wytrzymałość - około 3500 ⁰C.
2. Grafit. Atomy ułożone są podobnie do struktury poprzedniej substancji, jednak tylko trzy wiązania są nasycone, a czwarte staje się dłuższe i słabsze, łączy „warstwy” pierścieni heksagonalnych sieci. W efekcie okazuje się, że grafit jest w dotyku miękką, tłustą, czarną substancją. Ma dobrą przewodność elektryczną i wysoką temperaturę topnienia - 3525 ⁰C. Zdolne do sublimacji - sublimacja ze stanu stałego do stanu gazowego z pominięciem stanu ciekłego (w temperaturze 3700 ⁰С). Gęstość węgla wynosi 2,26 g/cm^3, , czyli znacznie mniej niż diamentu. To wyjaśnia ich różne właściwości. Dzięki warstwowej budowie sieci krystalicznej istnieje możliwość wykorzystania grafitu do produkcji wkładów ołówkowych. Po przeciągnięciu po papierze płatki odklejają się i pozostawiają czarny ślad na papierze.
3. Fullereny. Zostały otwarte dopiero w latach 80. ubiegłego wieku. Są to modyfikacje, w których węgle są połączone w specjalną wypukłą strukturę zamkniętą, która ma w środkupustka. A forma kryształu - wielościan, właściwa organizacja. Liczba atomów jest parzysta. Najbardziej znaną formą fulerenu jest С₆₀. Próbki podobnej substancji znaleziono podczas badań:

• meteoryty;
• osady denne;
• folguryt;
• szungit;
• przestrzeń kosmiczna, która jest zawarta w postaci gazów.

Wszystkie odmiany węgla krystalicznego mają ogromne znaczenie praktyczne, ponieważ posiadają szereg właściwości przydatnych w inżynierii.

Reaktywność

Węgiel cząsteczkowy wykazuje niską reaktywność ze względu na swoją stabilną konfigurację. Można go zmusić do wejścia w reakcje tylko przez nadanie atomowi dodatkowej energii i zmuszenie elektronów z poziomu zewnętrznego do odparowania. W tym momencie wartościowość wynosi 4. Dlatego w związkach ma stopień utlenienia + 2, + 4, - 4.

Praktycznie wszystkie reakcje z prostymi substancjami, zarówno metalami, jak i niemetalami, zachodzą pod wpływem wysokich temperatur. Omawiany pierwiastek może być zarówno środkiem utleniającym, jak i środkiem redukującym. Jednak te ostatnie właściwości są w nim szczególnie wyraźne, co stanowi podstawę do jego wykorzystania w przemyśle metalurgicznym i innych.

Ogólnie rzecz biorąc, zdolność do wejścia w interakcje chemiczne zależy od trzech czynników:

• dyspersja węgla;
• modyfikacja alotropowa;
• temperatura reakcji.

Tak więc w niektórych przypadkach dochodzi do interakcji z następującymisubstancje:

• niemetale (wodór, tlen);
• metale (aluminium, żelazo, wapń i inne);
• tlenki metali i ich sole.

Nie reaguje z kwasami i zasadami, bardzo rzadko z halogenami. Najważniejszą z właściwości węgla jest zdolność do tworzenia ze sobą długich łańcuchów. Mogą zamykać się cyklicznie, tworzyć gałęzie. W ten sposób powstają związki organiczne, których dziś liczą miliony. Podstawą tych związków są dwa pierwiastki - węgiel, wodór. Mogą być również zawarte inne atomy: tlen, azot, siarka, halogeny, fosfor, metale i inne.

Główne związki i ich właściwości

Istnieje wiele różnych związków zawierających węgiel. Formuła najsłynniejszego z nich to CO₂ - dwutlenek węgla. Jednak oprócz tego tlenku występuje również CO - tlenek lub tlenek węgla, a także podtlenek C₃O₂.

Wśród soli zawierających ten pierwiastek najczęściej występują węglany wapnia i magnezu. Tak więc węglan wapnia ma w nazwie kilka synonimów, ponieważ występuje w naturze w postaci:

• kreda;
• marmur;
• wapień;
• dolomit.

Znaczenie węglanów metali ziem alkalicznych przejawia się w tym, że są one aktywnymi uczestnikami powstawania stalaktytów i stalagmitów, a także wód gruntowych.

Kwas węglowy to kolejny związek, który tworzy węgiel. Jego formuła toH₂CO₃. Jednak w swojej zwykłej postaci jest wyjątkowo niestabilny i natychmiast rozkłada się na dwutlenek węgla i wodę w roztworze. Dlatego znane są tylko jego sole, a nie sam roztwór.

Halogenowce węgla - pozyskiwane są głównie pośrednio, ponieważ bezpośrednia synteza odbywa się tylko w bardzo wysokich temperaturach i przy niskiej wydajności produktu. Jeden z najczęstszych - CCL₄ - czterochlorek węgla. Toksyczny związek, który może powodować zatrucie w przypadku wdychania. Otrzymywany w reakcjach rodnikowego fotochemicznego podstawienia atomów wodoru w metanie.

Węgliki metali są związkami węgla, w których wykazują stopień utlenienia 4. Możliwe jest również istnienie asocjacji z borem i krzemem. Główną właściwością węglików niektórych metali (aluminium, wolframu, tytanu, niobu, tantalu, hafnu) jest wysoka wytrzymałość i doskonała przewodność elektryczna. Węglik boru В₄С jest jedną z najtwardszych substancji po diamencie (9,5 według Mohsa). Związki te wykorzystywane są w inżynierii, a także w przemyśle chemicznym, jako źródła do produkcji węglowodorów (węglik wapnia z wodą prowadzi do powstania acetylenu i wodorotlenku wapnia).

Wiele stopów metali jest wykonanych przy użyciu węgla, co znacznie poprawia ich jakość i właściwości techniczne (stal jest stopem żelaza i węgla).

Na szczególną uwagę zasługują liczne organiczne związki węgla, w których jest on podstawowym pierwiastkiem zdolnym do łączenia się z tymi samymi atomami w długie łańcuchy o różnych strukturach. Należą do nich:

• alkany;
• alkeny;
• areny;
• białka;
• węglowodany;
• kwasy nukleinowe;
• alkohole;
• Kwasy karboksylowe i wiele innych klas substancji.

Zastosowanie węgla

Znaczenie związków węgla i jego alotropowych modyfikacji w życiu człowieka jest bardzo duże. Możesz wymienić kilka najbardziej globalnych branż, aby jasno powiedzieć, że to prawda.

1. Ten pierwiastek tworzy wszystkie rodzaje paliw kopalnych, z których człowiek otrzymuje energię.
2. Przemysł metalurgiczny wykorzystuje węgiel jako najsilniejszy czynnik redukujący do pozyskiwania metali z ich związków. Węglany są tutaj również szeroko stosowane.
3. Budownictwo i przemysł chemiczny zużywają ogromne ilości związków węgla w celu syntezy nowych substancji i uzyskania niezbędnych produktów.

Możesz również nazwać takie sektory gospodarki jak:

• przemysł jądrowy;
• biżuteria;
• sprzęt techniczny (smary, tygle żaroodporne, ołówki itp.);
• określanie wieku geologicznego skał - znacznik radioaktywny ¹⁴С;
• węgiel jest doskonałym adsorbentem, dzięki czemu nadaje się do produkcji filtrów.

Obieg w przyrodzie

Masa węgla występująca w przyrodzie jest zawarta w stałym cyklu, który cyklicznie krąży na całym świecie w każdej sekundzie. W ten sposób absorbowane jest atmosferyczne źródło węgla - CO₂roślin i jest uwalniany przez wszystkie żywe istoty w procesie oddychania. Raz w atmosferze zostaje ponownie wchłonięty, więc cykl się nie zatrzymuje. Jednocześnie śmierć pozostałości organicznych prowadzi do uwolnienia węgla i jego akumulacji w ziemi, skąd jest ponownie wchłaniany przez organizmy żywe i uwalniany do atmosfery w postaci gazu.