Fizikalne in kemijske lastnosti ogljika

Ekološko življenje na Zemlji predstavljajo ogljikove spojine. Element je del glavnih sestavin celičnih struktur: beljakovin, ogljikovih hidratov in maščob, prav tako pa je osnova snovi dednosti - deoksiribonukleinske kisline. V anorganski naravi je ogljik eden najpogostejših elementov, ki tvorijo skorjo in atmosfero planeta. Organska kemija kot del kemijske znanosti je v celoti posvečena lastnostim kemičnega elementa ogljika in njegovih spojin. Naš članek bo obravnaval fizikalno-kemijske lastnosti ogljika in značilnosti njegovih lastnosti.

Mesto elementa v periodičnem sistemu

Podskupina ogljika je glavna podskupina skupine IV, ki poleg ogljika vključuje tudi silicij, germanij, kositer in svinec. Vsi našteti elementi imajo enako strukturo zunanjega energetskega nivoja, na katerem se nahajajo štirje elektroni. To povzroča podobnost njihovih kemijskih lastnosti. V običajnem stanju so elementi podskupine bivalentni, in ko postanejo njihovi atomi vzbujeni, imajo valenco, ki je enaka 4. Fizikalne in kemijske lastnosti ogljika so odvisne od stanja elektronskih lupin njegovega atoma. Tako v reakciji s kisikom element, katerega delci so v nepokritem stanju, tvori indiferentni oksid CO. Atomi ogljika v vzbujenem stanju se oksidirajo v ogljikov dioksid, ki kaže kisle lastnosti.

Oblike ogljika v naravi

Diamant, grafit in karbin so tri alotropne spremembe ogljika kot preproste snovi. Prozorni kristali z visoko stopnjo loma svetlobnih žarkov, ki so v naravi najtežje spojine, so diamanti. Slabo prenašajo toploto in so dielektriki. Kristalna rešetka je atomska, zelo obstojna. V njem je vsak atom elementa obdan s štirimi drugimi delci, ki tvorijo pravilen tetraeder.

Popolnoma drugačne fizikalno-kemijske lastnosti ogljika, ki tvori grafit. Gre za mastno, temno sivo kristalinično snov. Ima večplastno strukturo, razdalje med plasti atomov so precej velike, medtem ko so njihove privlačne sile šibke. Zato se snov, ko jo stisnemo na grafitno palico, razcepi na tanke luske. Na papirju pustijo temno oznako. Grafit je prevoden in nekoliko slabši od kovin v električni prevodnosti.

Sposobnost vodenja električnega toka je pojasnjena s strukturo kristalne snovi. V njem so ogljikovi delci vezani na druge tri z močnimi kovalentnimi kemičnimi vezmi. Četrti valentni elektron vsakega atoma ostane prost in se lahko premika v debelini snovi. Usmerjeno gibanje negativno nabitih delcev povzroča pojav električnega toka. Grafitne aplikacije so različne. Torej se uporablja za izdelavo elektrod v elektrotehniki in za izvedbo procesa elektrolize, s pomočjo katere dobijo npr. Alkalijske kovine v čisti obliki. Grafit je našel uporabo v jedrskih reaktorjev nadzorovati hitrost verižnih reakcij, ki se odvijajo v njih kot moderator nevtronov. Znano je, da snov uporablja kot skrilasto palico ali mazivo v tlačnih delih mehanizmov.

Kaj je karbin?

Črni kristalinični prah s steklastim sijajem je karbin. Sintetizirana je bila sredi 20. stoletja v Rusiji. Snov je boljša v trdoti od grafita, kemično pasivna, ima lastnosti polprevodnika in je najbolj stabilna modifikacija ogljika. Spojina je trajnejša od grafita. Obstajajo tudi oblike ogljika, katerih kemijske lastnosti se med seboj razlikujejo. To so saje, oglje in koks.

Različne lastnosti ogljikovih alotropnih modifikacij so razložene s strukturo njihovih kristalnih mrež. Je ognjevarna snov brez barve ali vonja. V organskih topilih je netopen, vendar je sposoben tvoriti trdne raztopine - zlitine, na primer z železom.

Kemijske lastnosti ogljika

Odvisno od snovi, s katero reagira ogljik, lahko kaže dvojne lastnosti: tako redukcijsko sredstvo kot oksidacijsko sredstvo. Na primer, fusing koks s kovinami, dobili svoje spojine - karbidi. Ogljikovodiki nastanejo v reakciji z vodikom. To je organske spojine na primer metan, etilen, acetilen, v katerih ima ogljik, kot v primeru kovin, ogljik oksidacijsko stanje enaka -4. Zmanjševanje kemičnih reakcij ogljika, katerih lastnosti proučujemo, se kažejo v njeni interakciji s kisikom, halogeni, vodo in osnovne okside.

Ogljikovi oksidi

Gorljivi premog v zraku z nizko vsebnostjo kisika proizvaja ogljikov monoksid, bivalentni ogljikov dioksid. Je brezbarven, brez vonja in zelo strupen. V kombinaciji z hemoglobinom v krvi med dihanjem se ogljikov monoksid razširi po celotnem človeškem telesu, kar povzroča zastrupitev in nato smrt zaradi zadušitve. V razvrstitvi snov zavzema neenakomerne okside, ne reagira z vodo, ne odgovarja niti baza niti kislina. Kemijske lastnosti ogljika z valenco 4 se razlikujejo od predhodno upoštevanih lastnosti.

Ogljikov dioksid

Brezbarvna plinasta snov pri temperaturi 15 ° C in tlaku ene atmosfere se spremeni v trdno fazo. Imenuje se suh led. Molekule CO ₂ so nepolarne, čeprav je kovalentna vez med atomi kisika in ogljikom polarna. Povezava se nanaša na kisle okside. V interakciji z vodo tvori karbonatno kislino. Med ogljikovim dioksidom in preprostimi snovmi obstajajo reakcije: kovine in nekovine, na primer magnezij, kalcij ali koks. V njih igra vlogo oksidacijskega sredstva.

Kvalitativna reakcija na ogljikov dioksid

Da bi zagotovili, da je preskusni plin dejansko ogljikov monoksid CO ₂ , se v anorganski kemiji izvede naslednji poskus: snov prehaja skozi bistro raztopino apnene vode. Opazovanje motnosti raztopine zaradi obarjanja bele oborine kalcijevega karbonata potrjuje prisotnost molekul ogljikovega dioksida v zmesi reagentov. Po nadaljnjem prehodu plina skozi raztopino kalcijevega hidroksida se oborina CaC03 raztopi zaradi pretvorbe v kalcijev bikarbonat, vodotopno sol.

Vloga ogljika v domenskem procesu

Kemične lastnosti ogljika se uporabljajo pri industrijski proizvodnji železa iz njegovih rud: magnetna, rdeča ali rjava železova ruda. Glavna med njimi bodo redukcijske lastnosti ogljika in oksidov - ogljikovega monoksida in. T ogljikov dioksid. Postopke, ki se pojavljajo v plavžni peči, lahko predstavimo kot naslednje zaporedje reakcij:

• Najprej, koks gori v zraku, ki se segreje na 1.850 ° C, da nastane ogljikov dioksid: C + O2 = CO ₂ .
• Skozi vroč ogljik se reducira na ogljikov monoksid: CO ₂ + C = 2CO.
• Ogljikov monoksid reagira z železovo rudo, kar ima za posledico železov oksid: 3Fe ₂ O ₃ + CO = 2Fe ₃ O ₄ + CO ₂ Fe, Fe ₃ O ₄ + CO = 3FeO + CO ₂ .
• Reakcija pridobivanja železa ima naslednjo obliko: FeO + CO = Fe + CO ₂

Taljeno železo raztopi v sebi mešanico ogljika in ogljikovega monoksida, izkaže, da je snov - cementit.

Železo, taljeno v plavžu, razen železa, vsebuje do 4,5% ogljika in drugih nečistoč: mangan, fosfor, žveplo. Jeklo, ki se od litega železa razlikuje po številnih značilnostih, na primer z možnostjo valjanja in kovanja, ima v svoji sestavi le 0,3 do 1,7% ogljika. Izdelki iz jekla se pogosto uporabljajo v skoraj vseh panogah: strojništvo, metalurgija, medicina.

V našem prispevku smo ugotovili, katere kemijske lastnosti ogljika in njegovih spojin se uporabljajo na različnih področjih človekove dejavnosti.