Czym jest węgiel? Opis, właściwości i wzór węgla

Krótko mówiąc, co węgla jest niemożliwe. W końcu jest podstawą życia. Ten pierwiastek jest obecny we wszystkich związkach organicznych i tylko on może tworzyć cząsteczki DNA z milionów atomów. Jego właściwości są liczne, więc warto o tym bardziej szczegółowo powiedzieć.

Formuła, notacja, funkcje

Ten element, umieszczony w tabeli pod numerem sześć, jest oznaczony symbolem "C". Elektroniczny wzór strukturalny węgla jest następujący: 1s ² 2s ² 2p ² . Jego masa wynosi 12 0107 amu. Ta substancja ma:

• Dwa niesparowane elektrony w stanie podstawowym. Pokazuje wartościowość II.
• Cztery niesparowane elektrony w stanie wzbudzonym. Pokazuje wartościowość IV.

Należy zauważyć, że pewna masa węgla zawarta jest w skorupie ziemskiej. 0,023%, a dokładniej. Gromadzi się głównie w górnej części, w biosferze. Większość masy węgla w litosferze gromadzi się w dolomitach i wapieniach, w postaci węglanów.

Właściwości fizyczne

Czym więc jest węgiel? Jest to substancja, która istnieje w ogromnej liczbie modyfikacji alotropowych, a ich właściwości fizyczne mogą być wymienione przez długi czas. Różnorodność substancji wynika z zdolności węgla do tworzenia wiązań chemicznych różnych typów.

A co z właściwościami węgla jako prostej substancji? Można je podsumować w następujący sposób:

• W normalnych warunkach gęstość wynosi 2,25 g / cm³.
• Temperatura wrzenia wynosi 3506,85 ° C.
• Molowa pojemność cieplna wynosi 8,54 J / (K • mol).
• Krytyczna temperatura przejścia fazowego (gdy gaz nie skrapla się pod dowolnym ciśnieniem) wynosi 4130 K, 12 MPa.
• Objętość molowa 5,3 cm3 / mol.

Warto również wymienić modyfikacje węgla.

Spośród substancji krystalicznych najbardziej znane to: diament, karbin, grafit, nano-diament, fulleryt, lonsdaleit, fuleren, a także włókna węglowe.

Amorficzne formacje obejmują drewno, kopalne i węgiel aktywny, antracyt, koks, węgiel szklany, sadzę, sadzę i nanopen.

Ale żadna z powyższych nie jest czystą alotropową formą omawianej substancji. Są to tylko związki chemiczne, w których węgiel zawarty jest w wysokim stężeniu.

Struktura

Co ciekawe, orbitale elektronowe atomu węgla nie są takie same. Mają inną geometrię. Wszystko zależy od stopnia hybrydyzacji. Istnieją trzy najczęstsze geometrie:

• Tetrahedral . Powstaje, gdy zachodzi mieszanina trzech p- i jednego s-elektronów. Ta geometria atomu węgla jest obserwowana w lonsdalei i diamentu. Metan i inne węglowodory mają podobną strukturę.
• Trigonal . Ta geometria tworzy mieszaninę dwóch orbitali p- i jednego elektronu. Kolejny element p nie uczestniczy w hybrydyzacji, ale bierze udział w tworzeniu wiązania π z innymi atomami. Struktura ta jest charakterystyczna dla fenolu, grafitu i innych modyfikacji.
• Digonal . Struktura ta powstaje w wyniku mieszania się elektronów s- i p (jeden po drugim). Ciekawe, jakie chmury elektroniczne wyglądają jak asymetryczne hantle. Rozciągali się wzdłuż jego kierunku. Dwa kolejne p-elektrony tworzą notoryczne wiązania π. Ta geometria jest charakterystyczna dla Carbyne.

Nie tak dawno temu, w 2010 roku, naukowcy z uniwersytetu, który znajduje się w Nottingham, odkryli związek, w którym cztery atomy jednocześnie znajdowały się w tej samej płaszczyźnie. Nazywa się Monomeric Dilitio Methanium.

Cząsteczki

O nich należy powiedzieć osobno. Atomy omawianej substancji mogą się łączyć, w wyniku czego powstają złożone cząsteczki węgla. Z nasyconych Na, С ₂ i Н ₂ , pomiędzy którymi przyciąganie jest zbyt słabe, wyróżniają się tendencją do kondensacji w stanie stałym. Cząsteczki węgla mogą pozostać w stanie gazowym, tylko jeśli utrzymujesz wysoką temperaturę. W przeciwnym razie substancja natychmiast twardnieje.

Jakiś czas temu nowa synteza węgla stałego została zsyntetyzowana w Stanach Zjednoczonych w Laboratorium Krajowym Berkleev. To jest C36. A jego cząsteczka tworzy 36 atomów węgla. Substancja jest tworzona razem z fulerenami C60. Zdarza się między dwoma elektrody grafitowe, w warunkach płomienia wyładowania łukowego. Naukowcy sugerują, że cząsteczki nowej substancji mają interesujące właściwości chemiczno-elektryczne, które nie zostały jeszcze zbadane.

Grafit

Teraz możesz powiedzieć bardziej szczegółowo o najsłynniejszych modyfikacjach substancji, takich jak węgiel.

Grafit jest rodzimym minerałem o strukturze warstwowej. Oto jego cechy:

• Jest świetnym dyrygentem.
• Jest to stosunkowo miękka substancja ze względu na niską twardość.
• Podgrzewany pod nieobecność powietrza jest odporny.
• Nie topi się.
• Do dotyku gruby, śliski.
• W grafit naturalny zawiera 10-12% zanieczyszczeń. Z reguły są to tlenki żelaza i gliny.

Jeśli mówimy o właściwościach chemicznych, warto zauważyć, że z solami i metale alkaliczne ta substancja tworzy tak zwane związki włączające. Nawet grafit w wysokiej temperaturze reaguje z tlenem, płonąc dwutlenek węgla. Ale kontakt z kwasami nieutleniającymi nie wiąże się z żadnym skutkiem - ta substancja po prostu się w nich nie rozpuszcza.

Zastosuj grafit w najbardziej różnych sferach. Stosuje się go do produkcji płytek okładzinowych i tygli topiących, do produkcji elementów grzejnych i elektrod. Bez udziału grafitu niemożliwe jest uzyskanie syntetycznych diamentów. Odgrywa również rolę moderatora neutronów w reaktorach jądrowych. I oczywiście zrobione są z niego pręty do ołówków, ingerujące w kaolin. A to tylko część obszarów, w których jest używana.

Diamond

Jest to metastabilny minerał, który może istnieć przez nieograniczony czas, co w pewnym stopniu wynika z siły i gęstości węgla. Diament jest najtwardszą substancją w skali Mohsa, łatwo tnie szkło.

Ma wysoką przewodność cieplną, dyspersję, współczynnik załamania światła. Jest trwały i aby go stopić, potrzebujesz temperatury 4000 ° C i ciśnienia około 11 GPa. Jego cechą jest luminescencja, zdolność do świecenia w różnych kolorach.

Jest to rzadka, choć powszechna substancja. Wiek niektórych minerałów, według niektórych badań, może wynosić od 100 milionów do 2,5 miliarda lat. Znaleziono diamenty pochodzenia pozaziemskiego, być może nawet przed słońcem.

Ten minerał znalazł zastosowanie w biżuterii. Szlifowany diament, zwany diamentem, jest drogi, ale jego status klejnotów i piękna sprawił, że stał się jeszcze bardziej popularny. Nawiasem mówiąc, ta substancja jest również używana do produkcji siekaczy, wiertarek, noży itp. Ze względu na wyjątkową twardość minerał jest stosowany w wielu gałęziach przemysłu.

Carbin

Kontynuując temat tego, czym jest węgiel, musimy powiedzieć kilka słów na temat jego modyfikacji, na przykład karbin. Wygląda jak czarny krystaliczny proszek, ma właściwości półprzewodnikowe. Uzyskane sztucznie na początku lat 60. przez radzieckich naukowców.

Osobliwością tej substancji jest wzrost przewodnictwa pod wpływem światła. Dlatego zaczęto go stosować w ogniwach fotowoltaicznych.

Grafen

To pierwszy na świecie dwuwymiarowy kryształ. Modyfikacja ta ma większą sztywność mechaniczną niż grafit i rekordowo wysoką przewodność cieplną, która wynosi ~ 5 • 10 ³ W • m ^-1 • K -. Nośniki grafenu mają wysoką mobilność, dlatego substancja ma szanse na jego zastosowanie w różnych zastosowaniach. Uważa się, że może stać się przyszłością nanoelektroniki, a nawet zastąpić krzem w układach scalonych.

Grafen otrzymuje się sztucznie w laboratoriach naukowych. W tym celu konieczne jest uciekanie się do mechanicznego odrywania warstw grafitu od wysoce zorientowanej substancji. Uzyskaj próbki wysokiej jakości z konieczną mobilnością nośników.

Jego właściwości nie zostały w pełni zbadane, ale naukowcy zauważyli już coś interesującego. Na przykład w grafenie nie występuje krystalizacja skrzydeł. W podwójnej warstwie materii zachowanie elektronów przypomina tę charakterystyczną cechę ciekłych kryształów. Jeśli obserwujemy parametry rozszczepiania kryształu, uda nam się uzyskać nanostrukturę podobną do pudełka grafenowego.

Toksyczność

Ten temat wart jest uwagi na zakończenie opowieści o tym, czym jest węgiel. Faktem jest, że substancja ta jest uwalniana do atmosfery wraz z gazami spalinowymi samochodów. A także podczas spalania węgla, podziemnego zgazowania i wielu innych procesów.

Zwiększona zawartość tej substancji w powietrzu prowadzi do zwiększenia liczby chorób. W szczególności dotyczy to płuc i górnych dróg oddechowych. Ale efekt toksyczny wynika z interakcji natury promieniowania z β-cząstkami, co prowadzi do zmiany składu chemicznego cząsteczki i właściwości substancji.