Какво е въглерод? Описание, свойства и формула на въглерода

Накратко говорим за това, какво въглерод е невъзможно. В края на краищата, той е основата на живота. Този елемент присъства във всички органични съединения и само той може да формира ДНК молекули от милиони атоми. Неговите свойства са многобройни, затова си струва да се разкаже по-подробно.

Формула, нотация, характеристики

Този елемент, намиращ се в таблицата под числото шест, се обозначава със символа "С". Електронната структурна формула на въглерода е следната: 1s ² 2s ² 2p ² . Неговата маса е 12,0107 amu. Това вещество има:

• Два несвързани електрона в основното състояние. Показва валентност II.
• Четири несдвоени електрона в възбудено състояние. Показва валентността IV.

Трябва да се отбележи, че в земната кора се съдържа определена маса въглерод. 0,023%, за да бъдем точни. Тя се натрупва главно в горната част, в биосферата. По-голямата част от масата на въглерода в литосферата се натрупва в доломити и варовици, под формата на карбонати.

Физически характеристики

И така, какво е въглерод? Това е вещество, което съществува в огромен брой алотропни модификации и техните физически свойства могат да бъдат изброени дълго време. Разнообразие от вещества се дължи на способността на въглерода да образува химически връзки от различни типове.

Ами свойствата на въглерода като просто вещество? Те могат да бъдат обобщени, както следва:

• При нормални условия, плътността е 2,25 g / cm3.
• Точката на кипене е 3506.85 ° С.
• Моларният топлинен капацитет е 8.54 J / (K • mol).
• Температурата на критичния фазов преход (когато газът не кондензира при никакво налягане) е 4130 К, 12 МРа.
• Моларен обем 5.3 cm3 / mol.

Струва си също така да намерим въглеродни модификации.

От кристалните вещества най-известни са: диамант, карбин, графит, нано-диамант, фуллерит, лонсдейл, фулерен, както и въглеродни влакна.

Аморфните образувания включват дърво, фосилен и активен въглен, антрацит, кокс, стъклен въглерод, сажди, сажди и нанопен.

Но нищо от горепосоченото не е чистата алотропна форма на разглежданата субстанция. Това са само химически съединения, в които въглеродът се съдържа във високи концентрации.

структура

Интересно е, че електронните орбитали на въглеродния атом не са еднакви. Те имат различна геометрия. Всичко зависи от степента на хибридизация. Има три най-често срещани геометрии:

• Тетраедрален . Образува се, когато се получи смес от три p- и един s-електрона. Тази геометрия на въглеродния атом се наблюдава в Лонсдейлита и диаманта. Метанът и другите въглеводороди имат подобна структура.
• Trigonal . Тази геометрия образува смес от две р- и една s-електронни орбитали. Друг р-елемент не участва в хибридизацията, но участва в образуването на π-връзка с други атоми. Тази структура е характерна за фенол, графит и други модификации.
• Дигонал . Тази структура се формира от смесването на s- и p-електрони (един по един). Интересно е какви електронни облаци изглеждат като асиметрични гири. Те се простираха по посока на него. Още два p-електрона образуват известните π-връзки. Тази геометрия е характерна за карбин.

Неотдавна, през 2010 г., учените от университета, който се намира в Нотингам, открили съединение, в което четири атома наведнъж бяха в една и съща равнина. Името му е мономерно Dilitio Methanium.

молекули

За тях трябва да се каже отделно. Атомите на обсъжданото вещество могат да се присъединят, което води до образуването на сложни въглеродни молекули. От наситени Na, С ₂ и Н ₂ , между които привличането е твърде слабо, те се отличават с тенденция да кондензират в твърдо състояние. Въглеродните молекули могат да останат в газообразно състояние, само ако поддържате висока температура. В противен случай веществото незабавно се втвърдява.

Преди известно време в Националната лаборатория на Берклеев в САЩ беше синтезирана нова форма на твърд въглерод. Това е C36. А молекулата му образува 36 въглеродни атома. Веществото се образува заедно с фулерените С60. Това се случва между две графитни електроди, в условията на пламъка на дъговия разряд. Учените предполагат, че молекулите на ново вещество имат интересни химико-електрически свойства, които все още не са изследвани.

графит

Сега можете да разберете по-подробно за най-известните модификации на вещество като въглерод.

Графитът е местен минерал със слоеста структура. Ето неговите характеристики:

• Той е велик диригент.
• Това е относително мека субстанция поради ниската си твърдост.
• При нагряване в отсъствие на въздух, той е устойчив.
• Не се топи.
• На допир мазнини, хлъзгави.
• В естествения графит съдържа 10-12% от примесите. По правило това са оксиди от желязо и глина.

Ако говорим за химични свойства, си струва да се отбележи, че със соли и алкални метали това вещество образува т. нар. включени съединения. Дори графитът при висока температура реагира с кислород, изгаряйки въглероден диоксид. Но контактът с не-оксидиращи киселини не води до никакъв резултат - това вещество просто не се разтваря в тях.

Нанесете графит в най-различни сфери. Използва се при производството на облицовъчни плочи и топилни тигели, при производството на нагревателни елементи и електроди. Без участието на графит е невъзможно да се получат синтетични диаманти. Той също така играе ролята на неутронен модератор в ядрените реактори. И, разбира се, пръчки за моливи са направени от него, пречи на каолина. И това е само част от областите, в които се използва.

диамант

Това е метастабилен минерал, който може да съществува за неограничен период от време, което до известна степен се дължи на силата и плътността на въглерода. Диамантът е най-твърдото вещество по скалата на Мос, той лесно отрязва стъкло.

Има висока топлопроводимост, дисперсия, индекс на пречупване. Той е издръжлив и за да се стопи, се нуждае от температура от 4000 ° C и налягане от около 11 GPa. Неговата характеристика е луминесценция, способността да светят в различни цветове.

Това е рядко, макар и общо вещество. Според някои изследвания възрастта на минералите може да варира от 100 милиона до 2,5 милиарда години. Намерени диаманти с извънземен произход, може би дори преди слънцето.

Този минерал е намерил употребата си в бижута. Нарязаният диамант, наречен диамант, е скъп, но статутът му на бижута и красота го прави още по-популярен. Между другото, това вещество се използва и при производството на резци, бормашини, ножове и др. Поради изключителната си твърдост, минералът се използва в много индустрии.

карабина

Продължавайки темата за това какво представлява въглеродът, трябва да кажем няколко думи за нейната модификация, като например карбин. Прилича на черен кристален прах, има свойства на полупроводници. Получава се изкуствено в началото на 60-те години от съветските учени.

Особеността на това вещество е увеличаващата се проводимост под светлинния ефект. Затова започна да се използва във фотоволтаични клетки.

графен

Това е първият в света двуизмерен кристал. Тази модификация има по-голяма механична твърдост от графит и рекордна висока топлопроводимост, която е ~ 5 • 10 ³ W • m ⁻¹ • K -. Носителите на графен имат висока мобилност, поради което веществото има перспективи за използването му в различни приложения. Смята се, че тя може да стане бъдещата основа на наноелектрониката и дори да замени силикона в интегралните схеми.

Графенът се получава изкуствено в научни лаборатории. За тази цел е необходимо да се прибегне до механично отделяне на графитните слоеве от високо ориентирано вещество. Така получавате качествени проби с необходимата мобилност на превозвачите.

Неговите свойства не са напълно проучени, но учените вече са отбелязали нещо интересно. Например в графена няма кристализация на Вингер. И в двойния слой материя, поведението на електроните прилича на тази характеристика на течните кристали. Ако наблюдаваме разделящите параметри на кристал, ще успеем да получим графенова кутия като наноструктура.

токсичност

Тази тема си струва да се отбележи в заключението на историята за това какво представлява въглеродът. Факт е, че това вещество се изпуска в атмосферата заедно с изгорелите газове от автомобили. А също и при изгаряне на въглища, подземна газификация и в много други процеси.

Повишеното съдържание на това вещество във въздуха води до увеличаване на броя на болестите. В частност, това се отнася за белите дробове и горните дихателни пътища. Но токсичен ефект се дължи на взаимодействието на радиационния характер с β-частици, което води до факта, че химичният състав на молекулата се променя и свойствата на веществото - също.