Co to jest węgiel? Opis, właściwości i wzór węgla. Streszczenie: Węgiel i jego główne związki nieorganiczne

Węgiel

WĘGIEL-A; M. Pierwiastek chemiczny (C), najważniejszy składnik wszystkich substancji organicznych występujących w przyrodzie. Atomy węgla. Procent zawartości węgla. Bez węgla życie jest niemożliwe.

◁ Węgiel, och, och. atomy Y. Węgiel, och, och. Zawiera węgiel. Ech, stal.

(łac. Carboneum), pierwiastek chemiczny IV grupy układu okresowego. Głównymi modyfikacjami kryształów są diament i grafit. W normalnych warunkach węgiel jest chemicznie obojętny; W wysokich temperaturach łączy się z wieloma pierwiastkami (silny środek redukujący). Zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 6,5 · 10 · 16 ton. Znaczna ilość węgla (około 10 · 13 ton) zawarta jest w paliwach kopalnych (węgiel, gaz ziemny, ropa itp.), A także w składzie węgla atmosferycznego. dwutlenek (6 10 11 t) i hydrosfera (10 14 t). Głównymi minerałami zawierającymi węgiel są węglany. Węgiel ma wyjątkową zdolność tworzenia ogromnej liczby związków, które mogą składać się z niemal nieograniczonej liczby atomów węgla. Różnorodność związków węgla zdeterminowała powstanie jednej z głównych gałęzi chemii - chemii organicznej. Węgiel jest pierwiastkiem biogennym; jego związki odgrywają szczególną rolę w życiu organizmów roślinnych i zwierzęcych (średnia zawartość węgla - 18%). Węgiel jest szeroko rozpowszechniony w kosmosie; na Słońcu zajmuje czwarte miejsce po wodorze, helu i tlenie.

WĘGEL (łac. Carboneum, z carbo - węgla), C (czytaj „ce”), pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 6, masie atomowej 12,011. Węgiel naturalny składa się z dwóch stabilnych nuklidów: 12 C, 98,892% masowych i 13 C - 1,108%.
W naturalnej mieszaninie nuklidów radioaktywny nuklid 14 C (b - emiter, okres półtrwania 5730 lat) jest zawsze obecny w znikomych ilościach. Powstaje stale w dolnych warstwach atmosfery pod wpływem neutronów z promieniowania kosmicznego na izotop azotu 14 N:
14 7 N + 1 0 n = 14 6 do + 1 1 H. Węgiel znajduje się w grupie IVA, w drugim okresie układu okresowego. Konfiguracja zewnętrznej warstwy elektronowej atomu w stanie podstawowym 2 2 S 2 P
Promień obojętnego atomu węgla wynosi 0,077 nm. Promień jonu C 4+ wynosi 0,029 nm (numer koordynacji 4), 0,030 nm (numer koordynacji 6). Kolejne energie jonizacji neutralnego atomu wynoszą 11,260, 24,382, 47,883, 64,492 i 392,09 eV. Elektroujemność według Paulinga (cm. PAULING Linus) 2,5.
Tło historyczne
Węgiel znany jest od czasów starożytnych. Węgiel drzewny służył do odzyskiwania metali z rud, diamentów (cm. DIAMENT (minerał))- jak kamień szlachetny. W 1789 roku francuski chemik A. L. Lavoisier (cm. LAVOISIER Antoine Laurent) doszedł do wniosku o elementarnej naturze węgla.
Diamenty syntetyczne po raz pierwszy uzyskali w 1953 roku szwedzcy badacze, jednak nie udało im się opublikować wyników. W grudniu 1954 roku uzyskano sztuczne diamenty, a na początku 1955 roku pracownicy firmy General Electric opublikowali wyniki. (cm. OGÓLNE ELEKTRYCZNE)
W ZSRR sztuczne diamenty po raz pierwszy uzyskała w 1960 roku grupa naukowców pod przewodnictwem V. N. Bakula i L. F. Vereshchagina (cm. WIERESZCZAGIN Leonid Fiodorowicz) .
W 1961 roku grupa radzieckich chemików pod przewodnictwem V.V. Korshaka zsyntetyzowała liniową modyfikację węgla - karbinu. Niedługo potem w kraterze meteorytu Ries (Niemcy) odkryto karabinek. W 1969 roku w ZSRR zsyntetyzowano pod ciśnieniem normalnym kryształy diamentu przypominające wąsy, charakteryzujące się dużą wytrzymałością i praktycznie pozbawione wad.
W 1985 roku w Croteau (cm. SŁODKI Harold) odkryli nową formę węgla – fulereny (cm. FULLERENY) C 60 i C 70 w widmie masowym grafitu odparowanego podczas naświetlania laserem. Pod wysokim ciśnieniem otrzymano lonsdaleit.
Będąc w naturze
Zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 0,48% wagowo. Gromadzi się w biosferze: w materii żywej 18% węgla, w drewnie 50%, torfie 62%, naturalnych gazach palnych 75%, łupkach bitumicznych 78%, węglu kamiennym i brunatnym 80%, ropie 85%, antracytie 96%. Znaczna część węgla litosfery koncentruje się w wapieniach i dolomitach. Węgiel na stopniu utlenienia +4 wchodzi w skład skał węglanowych i minerałów (kreda, wapień, marmur, dolomit). Dwutlenek węgla CO 2 (0,046% wag.) jest stałym składnikiem powietrza atmosferycznego. Dwutlenek węgla występuje zawsze w postaci rozpuszczonej w wodzie rzek, jezior i mórz.
Substancje zawierające węgiel odkryto w atmosferach gwiazd, planet i meteorytów.
Paragon
Od czasów starożytnych węgiel wytwarzany był w wyniku niecałkowitego spalania drewna. W XIX wieku w hutnictwie węgiel drzewny został zastąpiony węglem bitumicznym (koksem).
Obecnie kraking wykorzystuje się do przemysłowej produkcji czystego węgla. (cm. WYŚMIENITY) metan z gazu ziemnego (cm. METAN) CH 4:
CH 4 = C + 2H 2
Węgiel do celów leczniczych wytwarza się poprzez spalanie łupin orzecha kokosowego. Na potrzeby laboratoriów czysty węgiel, niezawierający niepalnych zanieczyszczeń, uzyskiwany jest w wyniku niecałkowitego spalania cukru.
Właściwości fizyczne i chemiczne
Węgiel jest niemetalem.
Różnorodność związków węgla tłumaczy się zdolnością jego atomów do łączenia się ze sobą, tworząc trójwymiarowe struktury, warstwy, łańcuchy i cykle. Znane są cztery alotropowe modyfikacje węgla: diament, grafit, karbin i fuleryt. Węgiel drzewny składa się z drobnych kryształków o nieuporządkowanej strukturze grafitu. Jego gęstość wynosi 1,8-2,1 g/cm3. Sadza to wysoko zmielony grafit.
Diament jest minerałem o sześciennej siatce skupionej na ścianie. Atomy C w diamencie znajdują się w sp 3 -stan hybrydowy. Każdy atom tworzy 4 kowalencyjne wiązania typu S z czterema sąsiednimi atomami C znajdującymi się na wierzchołkach czworościanu, w środku którego znajduje się atom C. Odległości między atomami w czworościanie wynoszą 0,154 nm. Nie ma przewodności elektronicznej, pasmo wzbronione wynosi 5,7 eV. Ze wszystkich prostych substancji diament ma maksymalną liczbę atomów na jednostkę objętości. Jego gęstość wynosi 3,51 g/cm 3. . Twardość w skali mineralogicznej Mohsa (cm. SKALA MOHSA) przyjmowana jako 10. Diament może zostać zarysowany tylko przez inny diament; jest jednak kruchy i pod wpływem uderzenia rozpada się na kawałki o nieregularnym kształcie. Termodynamicznie stabilny tylko przy wysokich ciśnieniach. Jednakże w temperaturze 1800°C przemiana diamentu w grafit następuje szybko. Odwrotna przemiana grafitu w diament następuje w temperaturze 2700°C i pod ciśnieniem 11-12 GPa.
Grafit jest warstwową ciemnoszarą substancją z sześciokątną siecią krystaliczną. Termodynamicznie stabilny w szerokim zakresie temperatur i ciśnień. Składa się z równoległych warstw utworzonych przez regularne sześciokąty atomów C. Atomy węgla każdej warstwy są umieszczone naprzeciw środków sześciokątów znajdujących się w sąsiednich warstwach; położenie warstw powtarza się co drugi raz, a każda warstwa jest przesunięta względem drugiej w kierunku poziomym o 0,1418 nm. Wewnątrz warstwy powstają wiązania między atomami, które są kowalencyjne sp 2 -orbitale hybrydowe. Połączenia między warstwami realizowane są przez słabego van der Waalsa (cm. INTERAKCJA MIĘDZYCZĄSTECZKOWA) sił, dzięki czemu grafit łatwo ulega złuszczeniu. Stan ten jest stabilizowany przez czwarte zdelokalizowane wiązanie p. Grafit ma dobrą przewodność elektryczną. Gęstość grafitu wynosi 2,1-2,5 kg/dm3.
We wszystkich modyfikacjach alotropowych, w normalnych warunkach, węgiel jest chemicznie nieaktywny. Wchodzi w reakcje chemiczne dopiero po podgrzaniu. W tym przypadku aktywność chemiczna węgla maleje w szeregu sadza-węgiel drzewny-grafit-diament. Sadza w powietrzu zapala się po podgrzaniu do 300°C, diament – ​​w temperaturze 850-1000°C. Podczas spalania powstają dwutlenek węgla CO 2 i CO. Ogrzewając CO 2 węglem, otrzymuje się również tlenek węgla (II) CO:
CO2 + C = 2CO
C + H 2 O (para przegrzana) = CO + H 2
Zsyntetyzowano tlenek węgla C 2 O 3.
CO 2 jest tlenkiem kwasowym; jest związany ze słabym, niestabilnym kwasem węglowym H 2 CO 3, który występuje tylko w bardzo rozcieńczonych, zimnych roztworach wodnych. Sole kwasu węglowego – węglany (cm. WĘGLANY)(K 2 CO 3, CaCO 3) i wodorowęglany (cm. WĘGLOWODANY)(NaHCO3, Ca(HCO3)2).
Z wodorem (cm. WODÓR) grafit i węgiel drzewny reagują w temperaturach powyżej 1200°C, tworząc mieszaninę węglowodorów. Reagując z fluorem w temperaturze 900°C tworzy mieszaninę związków fluorowęglowych. Przepuszczając wyładowanie elektryczne pomiędzy elektrodami węglowymi w atmosferze azotu, otrzymuje się gaz cyjanowy (CN) 2; Jeśli w mieszaninie gazów występuje wodór, powstaje kwas cyjanowodorowy HCN. W bardzo wysokich temperaturach grafit reaguje z siarką, (cm. SIARKA) krzem, bor, węgliki tworzące - CS 2, SiC, B 4 C.
Węgliki powstają w wyniku oddziaływania grafitu z metalami w wysokich temperaturach: węglik sodu Na 2 C 2, węglik wapnia CaC 2, węglik magnezu Mg 2 C 3, węglik glinu Al 4 C 3. Węgliki te łatwo rozkładają się pod wpływem wody na wodorotlenek metalu i odpowiedni węglowodór:
Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4
W przypadku metali przejściowych węgiel tworzy metalopodobne, chemicznie stabilne węgliki, na przykład węglik żelaza (cementyt) Fe 3 C, węglik chromu Cr 2 C 3, węglik wolframu WC. Węgliki są substancjami krystalicznymi; charakter wiązania chemicznego może być inny.
Po podgrzaniu węgiel redukuje wiele metali z ich tlenków:
FeO + C = Fe + CO,
2CuO+ C = 2Cu+ CO2
Po podgrzaniu redukuje siarkę (VI) do siarki (IV) ze stężonego kwasu siarkowego:
2H 2 SO 4 + C = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
W temperaturze 3500°C i pod normalnym ciśnieniem węgiel sublimuje.
Aplikacja
Ponad 90% wszystkich pierwotnych źródeł energii zużywanej na świecie pochodzi z paliw kopalnych. 10% wydobytego paliwa wykorzystuje się jako surowiec do podstawowej syntezy organicznej i petrochemicznej do produkcji tworzyw sztucznych.
Działanie fizjologiczne
Węgiel jest najważniejszym pierwiastkiem biogennym, jest jednostką strukturalną związków organicznych biorących udział w budowie organizmów i zapewniających ich funkcje życiowe (biopolimery, witaminy, hormony, mediatory i inne). Zawartość węgla w organizmach żywych w przeliczeniu na suchą masę wynosi 34,5-40% w roślinach i zwierzętach wodnych, 45,4-46,5% w roślinach i zwierzętach lądowych oraz 54% w bakteriach. Podczas życia organizmów następuje rozkład oksydacyjny związków organicznych wraz z uwolnieniem CO 2 do środowiska zewnętrznego. Dwutlenek węgla (cm. DWUTLENEK WĘGLA) rozpuszczony w płynach biologicznych i wodach naturalnych, uczestniczy w utrzymaniu optymalnej kwasowości środowiska przez całe życie. Węgiel zawarty w CaCO 3 tworzy egzoszkielet wielu bezkręgowców i występuje w koralowcach i skorupkach jaj.
Podczas różnych procesów produkcyjnych cząstki węgla, sadzy, grafitu i diamentu przedostają się do atmosfery i występują w niej w postaci aerozoli. MPC dla pyłu węglowego na terenach robót wynosi 4,0 mg/m 3, dla węgla 10 mg/m 3.

Słownik encyklopedyczny. 2009 .

Zobacz, co oznacza „węgiel” w innych słownikach:

Tabela nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Węgiel 14, 14C Alternatywne nazwy radiowęgiel, radiowęgiel Neutrony 8 Protony 6 Właściwości nuklidu Masa atomowa ... Wikipedia

Tabela nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Węgiel 12, 12C Neutrony 6 Protony 6 Właściwości nuklidów Masa atomowa 12.0000000(0) ... Wikipedia

Tabela nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Węgiel 13, 13C Neutrony 7 Protony 6 Właściwości nuklidów Masa atomowa 13.0033548378(10) ... Wikipedia

- (łac. Carboneum) C, chemiczny. pierwiastek grupy IV układu okresowego Mendelejewa, liczba atomowa 6, masa atomowa 12,011. Głównymi modyfikacjami kryształów są diament i grafit. W normalnych warunkach węgiel jest chemicznie obojętny; na wysokim poziomie... ... Wielki słownik encyklopedyczny

- (Węgiel), C, pierwiastek chemiczny IV grupy układu okresowego, liczba atomowa 6, masa atomowa 12,011; niemetalowe. Zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 2,3×10 2% masowych. Głównymi krystalicznymi formami węgla są diament i grafit. Węgiel jest głównym składnikiem... ... Nowoczesna encyklopedia

Węgiel- (Węgiel), C, pierwiastek chemiczny IV grupy układu okresowego, liczba atomowa 6, masa atomowa 12,011; niemetalowe. Zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 2,3–10 2% wagowych. Głównymi krystalicznymi formami węgla są diament i grafit. Węgiel jest głównym składnikiem... ... Ilustrowany słownik encyklopedyczny

WĘGIEL- (1) chemia. pierwiastek, symbol C (łac. Carboneum), przy. I. 6, o godz. m. 12011. Występuje w kilku alotropowych modyfikacjach (formach) (diament, grafit i rzadko karabinek, chaoit i lonsdaleit w kraterach meteorytowych). Od 1961 roku / przyjmuje się masę atomu izotopu 12C... Wielka encyklopedia politechniczna

- (symbol C), szeroko rozpowszechniony pierwiastek niemetaliczny czwartej grupy układu okresowego. Węgiel tworzy ogromną liczbę związków, które wraz z węglowodorami i innymi substancjami niemetalicznymi stanowią podstawę... ... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

1. We wszystkich związkach organicznych atom węgla ma wartościowość 4.

2. Węgiel może tworzyć cząsteczki proste i bardzo złożone (związki wielkocząsteczkowe: białka, gumy, tworzywa sztuczne).

3. Atomy węgla łączą się nie tylko z innymi atomami, ale także między sobą, tworząc różne łańcuchy węglowe - węglowe - proste, rozgałęzione, zamknięte:

4. Związki węgla charakteryzują się zjawiskiem izomerii, tj. gdy substancje mają ten sam skład jakościowy i ilościowy, ale różną budowę chemiczną, a co za tym idzie, różne właściwości. Na przykład: wzór empiryczny C 2 H 6 O odpowiada dwóm różnym strukturom substancji:

alkohol etylowy, eter dimetylowy,

ciecz, t 0 wrzenia. = +78 0 C gaz, t 0 wrzenia. = -23,7 0 C

Dlatego alkohol etylowy i eter dimetylowy są izomerami.

5. Wodne roztwory większości substancji organicznych nie są elektrolitami; ich cząsteczki nie rozkładają się na jony.

Izomeria.

W 1823 roku zjawisko to odkryto izomeria– istnienie substancji o tym samym składzie molekularnym, ale różnych właściwościach. Jaki jest powód różnicy między izomerami? Ponieważ ich skład jest taki sam, przyczyny można szukać jedynie w innej kolejności łączenia atomów w cząsteczce.

Jeszcze przed stworzeniem teorii budowy chemicznej A.M. Butlerov przewidział, że dla butanu C 4 H 10, który ma strukturę liniową CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 t 0 (temperatura wrzenia -0,5 0 C), istnieje inna substancja o tym samym wzorze cząsteczkowym, ale o inna jest możliwa kolejność łączenia atomów węgla w cząsteczce:

izobutan

t 0 kip. – 11,7 0 C

Więc, izomery- są to substancje, które mają ten sam wzór cząsteczkowy, ale inną budowę chemiczną, a co za tym idzie, różne właściwości. Istnieją dwa główne typy izomerii - strukturalny I przestrzenny.

Strukturalny nazywane są izomerami, które mają różną kolejność atomów w cząsteczce. Istnieją trzy jego rodzaje:

Izomeria szkieletu węglowego:

S – S – S – S – S S – S – S – S

Izomeria wiązań wielokrotnych:

C = do – do – do do – do = do – do

Izomeria międzyklasowa:

kwas propionowy

Izomeria przestrzenna. Izomery przestrzenne mają identyczne podstawniki na każdym atomie węgla. Różnią się jednak względnym położeniem w przestrzeni. Istnieją dwa typy tej izomerii: geometryczna i optyczna. Izomeria geometryczna jest charakterystyczna dla związków o płaskiej strukturze molekularnej (alkeny, cykloalkany, alkadieny itp.). Jeśli identyczne podstawniki na atomach węgla, na przykład w wiązaniu podwójnym, znajdują się po jednej stronie płaszczyzny cząsteczki, to będzie to izomer cis, po przeciwnych stronach - izomer trans:

Izomeria optyczna– charakterystyczna dla związków posiadających asymetryczny atom węgla, który jest związany z czterema różnymi podstawnikami. Izomery optyczne są swoimi lustrzanymi odbiciami. Na przykład:

Budowa elektronowa atomu.

Strukturę atomu bada się w chemii nieorganicznej i fizyce. Wiadomo, że atom określa właściwości pierwiastka chemicznego. Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra, w którym skoncentrowana jest cała jego masa, oraz ujemnie naładowanych elektronów otaczających jądro.

Ponieważ podczas reakcji chemicznych jądra reagujących atomów nie ulegają zmianie, właściwości fizyczne i chemiczne atomów zależą od struktury powłok elektronowych atomów. Elektrony mogą przemieszczać się z jednego atomu na drugi, mogą się łączyć itp. Dlatego szczegółowo rozważymy kwestię rozkładu elektronów w atomie w oparciu o kwantową teorię budowy atomu. Zgodnie z tą teorią elektron ma jednocześnie właściwości cząstki (masa, ładunek) i funkcję falową. W przypadku poruszających się elektronów niemożliwe jest określenie dokładnej lokalizacji. Znajdują się w przestrzeni kosmicznej w pobliżu jądra atomowego. Można określić prawdopodobieństwo położenie elektronu w różnych częściach przestrzeni. Elektron jest jakby „rozmazany” w tej przestrzeni w postaci chmury (rys. 1), której gęstość maleje.

Rysunek 1.

Nazywa się obszar przestrzeni, w którym prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe (≈ 95%) orbitalny.

Według mechaniki kwantowej stan elektronu w atomie określają cztery liczby kwantowe: główny (N), orbitalny (l), magnetyczny(M) I kręcić się(S).

Główna liczba kwantowa n – charakteryzuje energię elektronu, odległość orbitalu od jądra, tj. poziom energii i przyjmuje wartości 1, 2, 3 itd. lub K, L, M, N itd. Wartość n = 1 odpowiada najniższej energii. Ze wzrostem N wzrasta energia elektronów. Maksymalna liczba elektronów znajdujących się na poziomie energetycznym jest określona wzorem: N=2n2, gdzie n jest numerem poziomu, przy czym:

n = 1 N = 2 n = 3 N = 18

n = 2 N = 8 n = 4 N = 32 itd.

W obrębie poziomów energetycznych elektrony są ułożone w podpoziomy (lub podpowłoki). Ich liczba odpowiada liczbie poziomów energetycznych, ale są scharakteryzowane orbitalna liczba kwantowa l, który określa kształt orbitalu. Przyjmuje wartości od 0 do n-1. Na

n=1 l= 0 n = 2 l= 0, 1 n = 3 l= 0, 1, 2 n = 4 l= 0, 1, 2, 3

Maksymalna liczba elektronów na podpoziomie jest określona wzorem: 2(2l + 1). Oznaczenia literowe służą do podpoziomów:

l = 1, 2, 3, 4

Dlatego jeśli n = 1, l= 0, podpoziom s.

n = 2, l= 0, 1, podpoziom s, p.

Maksymalna liczba elektronów w podpoziomach:

N s = 2 N re = 10

N p = 6 N f = 14 itd.

W podpoziomach nie może być więcej elektronów niż ta liczba. Kształt chmury elektronów zależy od wartości l. Na
l= 0 (s-orbital) chmura elektronów ma kształt kulisty i nie ma kierunku przestrzennego.

Rysunek 2.

Przy l = 1 (orbita p) chmura elektronów ma kształt hantla lub ósemki:

Rysunek 3.

Magnetyczna liczba kwantowa m charakteryzuje
układ orbitali w przestrzeni. Może przyjmować wartości dowolnych liczb od –l do +l, w tym 0. Liczba możliwych wartości magnetycznej liczby kwantowej dla danej wartości l równa się (2 l+ 1). Na przykład:

l= 0 (s-orbital) m = 0, tj. Orbital s ma tylko jedno położenie w przestrzeni.

l= 1 (orbita p) m = -1, 0, +1 (3 wartości).

l= 2 (orbita d) m = -2, -1, 0, +1, +2 itd.

Orbitale p i d mają odpowiednio 3 i 5 stanów.

Orbitale p są wydłużone wzdłuż osi współrzędnych i są oznaczone orbitalami p x, p y, p z.

Spinowa liczba kwantowa s- charakteryzuje obrót elektronu wokół własnej osi zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Może mieć tylko dwie wartości +1/2 i -1/2. Strukturę powłoki elektronowej atomu przedstawia wzór elektroniczny, który pokazuje rozkład elektronów na poziomach energii i podpoziomach. We wzorach te poziomy energetyczne oznaczono cyframi 1, 2, 3, 4..., podpoziomy oznaczono literami s, p, d, f. Liczbę elektronów w podpoziomie zapisuje się jako potęgę. Na przykład: maksymalna liczba elektronów na s 2, p 6, d 10, f 14.

Wzory elektroniczne są często przedstawiane graficznie, które pokazują rozkład elektronów nie tylko na poziomach i podpoziomach, ale także na orbitali, oznaczonych prostokątem. Podpoziomy są podzielone na komórki kwantowe.

Darmowa komórka kwantowa

Komórka z niesparowanym elektronem

Komórka ze sparowanymi elektronami

Na podpoziomie s znajduje się jedna komórka kwantowa.

Na podpoziomie p znajdują się 3 komórki kwantowe.

Na podpoziomie d znajduje się 5 komórek kwantowych.

Na podpoziomie f znajduje się 7 komórek kwantowych.

Wyznacza się rozkład elektronów w atomach Zasada Pauliego I Reguła Hunda. Zgodnie z zasadą Pauliego: Atom nie może mieć elektronów o tych samych wartościach wszystkich czterech liczb kwantowych. Zgodnie z zasadą Pauliego ogniwo energetyczne może mieć jeden lub co najwyżej dwa elektrony o przeciwnych spinach. Wypełnianie komórek odbywa się zgodnie z zasadą Hunda, zgodnie z którą elektrony najpierw lokalizują się pojedynczo w każdej pojedynczej komórce, a następnie, gdy wszystkie komórki danego podpoziomu są zajęte, rozpoczyna się parowanie elektronów.

Kolejność wypełniania atomowych orbitali elektronowych jest określona przez reguły V. Klechkowskiego, w zależności od sumy (n + l):

W pierwszej kolejności wypełniane są te podpoziomy, dla których kwota ta jest mniejsza;

dla tych samych wartości sumy (n + l) w pierwszej kolejności wypełniany jest podpoziom o niższej wartości N.

Na przykład:

a) rozważyć wypełnienie podpoziomów 3d i 4s. Wyznaczmy sumę (n + l):

y 3d (n + l) = 3 + 2 = 5, y 4s (n + l) = 4 + 0 = 4, zatem najpierw wypełniany jest podpoziom 4s, a następnie podpoziom 3d.

b) dla podpoziomów 3d, 4p, 5s suma wartości (n + l) = 5. Zgodnie z regułą Klechkowskiego wypełnianie rozpoczyna się od mniejszej wartości n, tj. 3d → 4p → 5s. Wypełnianie poziomów energetycznych i podpoziomów atomów elektronami następuje w następującej kolejności: wartościowość n = 2 n = 1

Be ma sparowaną parę elektronów na podpoziomie 2s 2. Aby dostarczyć energię z zewnątrz, tę parę elektronów można oddzielić i nadać atomowi wartościowość. W tym przypadku elektron przechodzi z jednego podpoziomu na inny. Proces ten nazywa się wzbudzenie elektronowe. Graficzny wzór na Być w stanie wzbudzonym będzie wyglądał następująco:

a wartościowość wynosi 2.

Węgiel znany jest od czasów starożytnych. W 1778 r. K. Scheele podgrzewając grafit saletrą odkrył, że w tym przypadku, podobnie jak przy ogrzewaniu węgla saletrą, wydziela się dwutlenek węgla. Skład chemiczny diamentu ustalono w wyniku doświadczeń A. Lavoisiera (1772) badających spalanie diamentu w powietrzu oraz badań S. Tennanta (1797), który udowodnił, że z równych ilości diamentu i węgla powstają jednakowe ilości dwutlenku węgla podczas utleniania. Węgiel jako pierwiastek chemiczny został rozpoznany dopiero w 1789 roku przez A. Lavoisiera. Na początku XIX wieku. stare słowo węgiel w rosyjskiej literaturze chemicznej zastępowano czasami słowem „węglan” (Scherer, 1807; Severgin, 1815); Od 1824 r. Sołowiew wprowadził nazwę węgiel. Carbon otrzymał swoją łacińską nazwę carbonum od carbo – węgla.

Paragon:

Niecałkowite spalanie metanu: CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O (sadza);
Sucha destylacja drewna, węgla (węgiel drzewny, koks).

Właściwości fizyczne:

Znanych jest kilka krystalicznych modyfikacji węgla: grafit, diament, karbyn, grafen.
Grafit- szaroczarna, nieprzezroczysta, tłusta w dotyku, łuszcząca się, bardzo miękka masa o metalicznym połysku. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem (0,1 Mn/m2 lub 1 kgf/cm2) grafit jest stabilny termodynamicznie. Pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze około 3700°C grafit sublimuje. Ciekły węgiel można otrzymać przy ciśnieniach powyżej 10,5 Mn/m2 (1051 kgf/cm2) i temperaturach powyżej 3700°C. Struktura drobnokrystalicznego grafitu leży u podstaw struktury węgla „amorficznego”, który nie stanowi samodzielnej modyfikacji (koks, sadza, węgiel drzewny). Ogrzanie niektórych odmian węgla „amorficznego” powyżej 1500-1600°C bez dostępu powietrza powoduje ich przemianę w grafit. Właściwości fizyczne węgla „amorficznego” w dużej mierze zależą od rozproszenia cząstek i obecności zanieczyszczeń. Gęstość, pojemność cieplna, przewodność cieplna i przewodność elektryczna węgla „amorficznego” są zawsze wyższe niż grafitu.
Diament- bardzo twarda, krystaliczna substancja. Kryształy mają siatkę sześcienną skupioną na ścianie: a = 3,560. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem diament jest metastabilny. Wyraźną przemianę diamentu w grafit obserwuje się w temperaturach powyżej 1400°C w próżni lub w atmosferze obojętnej.
Karabin uzyskane sztucznie. Jest drobnokrystalicznym czarnym proszkiem (gęstość 1,9 - 2 g/cm3). Zbudowane z długich łańcuchów atomów C ułożonych równolegle do siebie.
Grafen- jednocząsteczkowa warstwa (warstwa o grubości jednej cząsteczki) atomów węgla ściśle upakowanych w dwuwymiarową siatkę w kształcie plastra miodu. Grafen został po raz pierwszy uzyskany i zbadany przez Aleksandra Geima i Konstantina Nowosełowa, który za to odkrycie otrzymał w 2010 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Właściwości chemiczne:

Węgiel jest nieaktywny, na zimno reaguje tylko z F2 (tworząc CF4). Po podgrzaniu reaguje z wieloma niemetalami i substancjami złożonymi, wykazując właściwości redukujące:
CO 2 + C = CO powyżej 900°C
2H 2 O + C = CO 2 + H 2 powyżej 1000°C lub H 2 O + C = CO + H 2 powyżej 1200°C
CuO + C = Cu + CO
HNO 3 + 3C = 3 CO 2 + 4 NO + 2 H 2 O
Słabe właściwości utleniające objawiają się reakcjami z metalami, wodorem
Ca + C = CaC 2 węglik wapnia
Si + C = karborund CSi
CaO + C = CaC2 + CO

Najważniejsze połączenia:

Tlenki CO, CO2
Kwas węglowy H 2 CO 3, węglany wapnia (kreda, marmur, kalcyt, wapień),
Węgliki SaS 2
Materia organiczna np. węglowodory, białka, tłuszcze

Aplikacja:

Grafit jest stosowany w przemyśle ołówkowym, a także jako środek smarny w szczególnie wysokich lub niskich temperaturach. Diament jest używany jako materiał ścierny i kamień szlachetny w biżuterii. Nasadki szlifierskie wierteł są pokryte diamentem. W farmakologii i medycynie stosuje się związki węgla - pochodne kwasu węglowego i kwasów karboksylowych, różne heterocykle, polimery itp. Zatem karbolen (węgiel aktywny) służy do wchłaniania i usuwania różnych toksyn z organizmu; grafit (w postaci maści) - do leczenia chorób skóry; izotopy węgla radioaktywnego - do badań naukowych (datowanie radiowęglowe). Węgiel w postaci paliw kopalnych: węgla kamiennego i węglowodorów (ropy naftowej, gazu ziemnego) jest jednym z najważniejszych źródeł energii dla ludzkości.

Karpenko D.
Uniwersytet Państwowy HF w Tiumeniu 561gr.

Źródła:
Węgiel // Wikipedia. Data aktualizacji: 18.01.2019. Adres URL: https://ru.wikipedia.org/?oldid=97565890 (data dostępu: 02.04.2019).

Miejska placówka oświatowa „Liceum Nikiforowska nr 1”

Węgiel i jego główne związki nieorganiczne

Abstrakcyjny

Ukończył: uczeń klasy 9B

Sidorow Aleksander

Nauczyciel: Sakharova L.N.

Dmitrievka 2009

Wstęp

Rozdział I. Wszystko o węglu

1.1. Węgiel w naturze

1.2. Alotropowe modyfikacje węgla

1.3. Właściwości chemiczne węgla

1.4. Zastosowanie węgla

Rozdział II. Nieorganiczne związki węgla

Wniosek

Literatura

Wstęp

Węgiel (łac. Carboneum) C jest pierwiastkiem chemicznym IV grupy układu okresowego Mendelejewa: liczba atomowa 6, masa atomowa 12,011(1). Rozważmy strukturę atomu węgla. Zewnętrzny poziom energii atomu węgla zawiera cztery elektrony. Przedstawmy to graficznie:

Węgiel znany jest od czasów starożytnych, a imię odkrywcy tego pierwiastka nie jest znane.

Pod koniec XVII w. Florenccy naukowcy Averani i Tardgioni próbowali połączyć kilka małych diamentów w jeden duży i podgrzać je płonącym szkłem za pomocą światła słonecznego. Diamenty zniknęły, płonąc w powietrzu. W 1772 roku francuski chemik A. Lavoisier wykazał, że podczas spalania diamentów powstaje CO2. Dopiero w 1797 roku angielski uczony S. Tennant udowodnił identyczność natury grafitu i węgla. Po spaleniu równych ilości węgla i diamentu objętości tlenku węgla (IV) okazały się takie same.

Różnorodność związków węgla, tłumaczona zdolnością jego atomów do łączenia się ze sobą oraz z atomami innych pierwiastków na różne sposoby, decyduje o szczególnej pozycji węgla wśród innych pierwiastków.

Rozdział I . Wszystko o węglu

1.1. Węgiel w naturze

Węgiel występuje w przyrodzie zarówno w stanie wolnym, jak i w postaci związków.

Wolny węgiel występuje w postaci diamentu, grafitu i karbinu.

Diamenty są bardzo rzadkie. Największy znany diament, Cullinan, został znaleziony w 1905 roku w Republice Południowej Afryki, ważył 621,2 g i miał wymiary 10x6,5x5 cm. W Funduszu Diamentów w Moskwie znajduje się jeden z największych i najpiękniejszych diamentów na świecie – „Orłow” (37,92 g). .

Diament ma swoją nazwę od języka greckiego. „adamas” – niepokonany, niezniszczalny. Najważniejsze złoża diamentów znajdują się w Republice Południowej Afryki, Brazylii i Jakucji.

Duże złoża grafitu znajdują się w Niemczech, Sri Lance, Syberii i Ałtaju.

Głównymi minerałami zawierającymi węgiel są: magnezyt MgCO 3, kalcyt (dźwigar wapienny, wapień, marmur, kreda) CaCO 3, dolomit CaMg(CO 3) 2 itp.

Wszystkie paliwa kopalne – ropa naftowa, gaz, torf, węgiel i węgiel brunatny, łupki – zbudowane są na bazie węgla. Niektóre węgle kopalne, zawierające do 99% C, mają skład zbliżony do węgla.

Węgiel stanowi 0,1% skorupy ziemskiej.

W postaci tlenku węgla (IV) CO 2 węgiel przedostaje się do atmosfery. Duża ilość CO 2 jest rozpuszczona w hydrosferze.

1.2. Alotropowe modyfikacje węgla

Węgiel elementarny tworzy trzy modyfikacje alotropowe: diament, grafit, karabinek.

1. Diament to bezbarwna, przezroczysta, krystaliczna substancja, która niezwykle silnie załamuje promienie świetlne. Atomy węgla w diamencie znajdują się w stanie hybrydyzacji sp 3. W stanie wzbudzonym elektrony walencyjne w atomach węgla są sparowane i powstają cztery niesparowane elektrony. Kiedy powstają wiązania chemiczne, chmury elektronów uzyskują ten sam wydłużony kształt i są rozmieszczone w przestrzeni tak, że ich osie są skierowane w stronę wierzchołków czworościanu. Kiedy wierzchołki tych chmur pokrywają się z chmurami innych atomów węgla, pod kątem 109°28” powstają wiązania kowalencyjne i powstaje charakterystyczna dla diamentu sieć krystaliczna atomu.

Każdy atom węgla w diamencie jest otoczony czterema innymi, rozmieszczonymi od niego w kierunkach od środka czworościanów do wierzchołków. Odległość między atomami w czworościanie wynosi 0,154 nm. Siła wszystkich połączeń jest taka sama. Zatem atomy w diamencie są „upakowane” bardzo ciasno. W temperaturze 20°C gęstość diamentu wynosi 3,515 g/cm 3 . To wyjaśnia jego wyjątkową twardość. Diament jest słabym przewodnikiem prądu elektrycznego.

W 1961 roku Związek Radziecki rozpoczął przemysłową produkcję syntetycznych diamentów z grafitu.

W przemysłowej syntezie diamentów stosowane są ciśnienia rzędu tysięcy MPa i temperatury od 1500 do 3000°C. Proces prowadzi się w obecności katalizatorów, którymi mogą być niektóre metale, np. Ni. Większość powstałych diamentów to małe kryształy i pył diamentowy.

Diament po podgrzaniu bez dostępu powietrza powyżej 1000°C zamienia się w grafit. W temperaturze 1750°C przemiana diamentu w grafit następuje szybko.

Struktura diamentu

2. Grafit to szaro-czarna, krystaliczna substancja o metalicznym połysku, tłusta w dotyku i twardsza nawet od papieru.

Atomy węgla w kryształach grafitu znajdują się w stanie hybrydyzacji sp 2: każdy z nich tworzy trzy kowalencyjne wiązania σ z sąsiadującymi atomami. Kąty pomiędzy kierunkami wiązania wynoszą 120°. Rezultatem jest siatka złożona z regularnych sześciokątów. Odległość pomiędzy sąsiednimi jądrami atomów węgla wewnątrz warstwy wynosi 0,142 nm. Czwarty elektron w zewnętrznej warstwie każdego atomu węgla w graficie zajmuje orbital p, który nie uczestniczy w hybrydyzacji.

Niehybrydowe chmury elektronowe atomów węgla są zorientowane prostopadle do płaszczyzny warstwy i nakładając się na siebie, tworzą zdelokalizowane wiązania σ. Sąsiednie warstwy w krysztale grafitu znajdują się w odległości 0,335 nm od siebie i są ze sobą słabo połączone, głównie siłami van der Waalsa. Dlatego grafit ma niską wytrzymałość mechaniczną i łatwo rozpada się na płatki, które same w sobie są bardzo mocne. Wiązanie pomiędzy warstwami atomów węgla w graficie ma charakter częściowo metaliczny. To wyjaśnia fakt, że grafit dobrze przewodzi prąd, ale nie tak dobrze jak metale.

Struktura grafitowa

Właściwości fizyczne grafitu różnią się znacznie w kierunkach - prostopadłym i równoległym do warstw atomów węgla.

Grafit po nagrzaniu bez dostępu powietrza nie ulega żadnym zmianom do temperatury 3700°C. W określonej temperaturze sublimuje bez topienia.

Sztuczny grafit produkowany jest z najlepszych gatunków węgla w temperaturze 3000°C w piecach elektrycznych bez dostępu powietrza.

Grafit jest stabilny termodynamicznie w szerokim zakresie temperatur i ciśnień, dlatego jest akceptowany jako standardowy stan węgla. Gęstość grafitu wynosi 2,265 g/cm3.

3. Carbin to drobnokrystaliczny czarny proszek. W swojej strukturze krystalicznej atomy węgla są połączone naprzemiennymi wiązaniami pojedynczymi i potrójnymi w łańcuchach liniowych:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Substancję tę po raz pierwszy otrzymał V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev na początku lat 60. XX wieku.

Następnie wykazano, że karbyn może występować w różnych postaciach i zawiera zarówno łańcuchy poliacetylenowe, jak i polikumulenowe, w których atomy węgla są połączone wiązaniami podwójnymi:

C=C=C=C=C=C=

Później karbyn odkryto w naturze - w materii meteorytu.

Carbyne ma właściwości półprzewodnikowe; pod wpływem światła jego przewodność znacznie wzrasta. Ze względu na istnienie różnych typów wiązań i różne sposoby układania łańcuchów atomów węgla w sieci krystalicznej, właściwości fizyczne karbinu mogą zmieniać się w szerokich granicach. Po nagrzaniu bez dostępu powietrza do temperatury powyżej 2000°C karabinek jest stabilny w temperaturze około 2300°C, obserwuje się jego przejście w grafit.

Węgiel naturalny składa się z dwóch izotopów

Wcześniej uważano, że węgiel drzewny, sadza i koks mają skład podobny do czystego węgla i różnią się właściwościami od diamentu i grafitu, co stanowi niezależną alotropową modyfikację węgla („węgiel amorficzny”). Stwierdzono jednak, że substancje te składają się z maleńkich cząstek krystalicznych, w których atomy węgla są związane w taki sam sposób jak w graficie.

4. Węgiel – drobno zmielony grafit. Powstaje podczas termicznego rozkładu związków zawierających węgiel bez dostępu powietrza. Węgle różnią się znacznie właściwościami w zależności od substancji, z której są otrzymywane, oraz metody produkcji. Zawsze zawierają zanieczyszczenia, które wpływają na ich właściwości. Najważniejszymi rodzajami węgla są koks, węgiel drzewny i sadza.

Koks produkowany jest poprzez ogrzewanie węgla bez dostępu powietrza.

Węgiel drzewny powstaje podczas ogrzewania drewna bez dostępu powietrza.

Sadza to bardzo drobny, krystaliczny proszek grafitowy. Powstaje w wyniku spalania węglowodorów (gazu ziemnego, acetylenu, terpentyny itp.) przy ograniczonym dostępie powietrza.

Węgle aktywne to porowate adsorbenty przemysłowe składające się głównie z węgla. Adsorpcja to absorpcja gazów i substancji rozpuszczonych przez powierzchnię ciał stałych. Węgle aktywne otrzymywane są z paliw stałych (torf, węgiel brunatny i kamienny, antracyt), drewna i jego produktów (węgiel drzewny, trociny, odpady papiernicze), odpadów przemysłu skórzanego oraz materiałów pochodzenia zwierzęcego, np. kości. Węgle charakteryzujące się dużą wytrzymałością mechaniczną produkowane są z łupin orzechów kokosowych i innych orzechów oraz z nasion owoców. Strukturę węgli reprezentują pory dowolnej wielkości, jednakże o pojemności i szybkości adsorpcji decyduje zawartość mikroporów na jednostkę masy lub objętości granulek. Przy produkcji węgla aktywnego materiał wyjściowy najpierw poddaje się obróbce cieplnej bez dostępu powietrza, w wyniku czego usuwa się z niego wilgoć i częściowo żywice. W tym przypadku powstaje wielkoporowata struktura węgla. Aby uzyskać strukturę mikroporowatą, aktywację przeprowadza się albo przez utlenianie gazem lub parą, albo przez obróbkę odczynnikami chemicznymi.

W tej książce słowo „węgiel” pojawia się dość często: w opowieściach o zielonych liściach i żelazie, o tworzywach sztucznych i kryształach i wielu innych. Węgiel – „węgiel rodzący” – jest jednym z najbardziej niesamowitych pierwiastków chemicznych. Jego historia jest historią powstania i rozwoju życia na Ziemi, ponieważ jest częścią wszystkich żywych istot na Ziemi.

Jak wygląda węgiel?

Przeprowadźmy kilka eksperymentów. Weźmy cukier i podgrzejmy go bez powietrza. Najpierw stopi się, zmieni kolor na brązowy, a następnie zmieni kolor na czarny i zamieni się w węgiel, uwalniając wodę. Jeśli teraz podgrzejesz ten węgiel w obecności , spali się on bez pozostałości i zamieni się w . Dlatego cukier składał się z węgla i wody (nawiasem mówiąc, cukier nazywa się węglowodanem), a węgiel „cukrowy” to najwyraźniej czysty węgiel, ponieważ dwutlenek węgla jest związkiem węgla z tlenem. Oznacza to, że węgiel jest czarnym, miękkim proszkiem.

Weźmy szary, miękki grafitowy kamień, dobrze znany Wam dzięki ołówkom. Jeśli podgrzejesz go w tlenie, również będzie się palił bez pozostałości, chociaż trochę wolniej niż węgiel, a dwutlenek węgla pozostanie w urządzeniu, w którym się spalił. Czy to oznacza, że ​​grafit to także czysty węgiel? Oczywiście, ale to nie wszystko.

Jeśli diament, przezroczysty, błyszczący kamień szlachetny i najtwardszy ze wszystkich minerałów, zostanie podgrzany w tlenie w tym samym urządzeniu, on również spłonie, zamieniając się w dwutlenek węgla. Jeśli podgrzejesz diament bez dostępu tlenu, zamieni się on w grafit, a przy bardzo wysokich ciśnieniach i temperaturach można uzyskać diament z grafitu.

Zatem węgiel, grafit i diament to różne formy istnienia tego samego pierwiastka – węgla.

Jeszcze bardziej zdumiewająca jest zdolność węgla do „uczestniczenia” w ogromnej liczbie różnych związków (dlatego słowo „węgiel” tak często pojawia się w tej książce).

104 pierwiastki układu okresowego tworzą ponad czterdzieści tysięcy badanych związków. A znanych jest już ponad milion związków, których podstawą jest węgiel!

Powodem tej różnorodności jest to, że atomy węgla mogą być połączone ze sobą i z innymi atomami silnymi wiązaniami, tworząc złożone w postaci łańcuchów, pierścieni i innych kształtów. Żaden pierwiastek w tabeli, z wyjątkiem węgla, nie jest do tego zdolny.

Istnieje nieskończona liczba kształtów, które można zbudować z atomów węgla, a zatem nieskończona liczba możliwych związków. Mogą to być bardzo proste substancje, na przykład świecący metan, w cząsteczce której cztery atomy są związane z jednym atomem węgla, i tak złożone, że struktura ich cząsteczek nie została jeszcze ustalona. Takie substancje obejmują