Физичке и хемијске особине угљеника

Органски живот на Земљи је представљен угљеничним једињењима. Елемент је дио главних компоненти станичних структура: протеина, угљикохидрата и масти, а чини и основу супстанције насљедности - деоксирибонуклеинске киселине. У неорганској природи угљеник је један од најчешћих елемената који чине кору и атмосферу планете. Органска хемија као део хемијске науке потпуно је посвећена особинама хемијског елемента угљеника и његових једињења. У чланку ћемо размотрити физичко-хемијске карактеристике угљеника и карактеристике његових својстава.

Место елемента у периодичном систему

Карбонска подгрупа је главна подгрупа ИВ групе, која поред угљеника укључује и силицијум, германијум, коситар и олово. Сви наведени елементи имају исту структуру екстерног енергетског нивоа, на којој се налазе четири електрона. То доводи до сличности њихових хемијских својстава. У уобичајеном стању, елементи подгрупе су бивалентни, а када њихови атоми постану узбуђени, они показују валенцију једнаку 4. Физичка и хемијска својства угљеника зависе од стања електронских љуски његовог атома. Тако, у реакцији са кисеоником, елемент чије су честице у неизраженом стању формира индиферентни оксид ЦО. Атоми угљеника у побуђеном стању су оксидовани у угљен диоксид, који показује киселинска својства.

Карбонске форме у природи

Дијамант, графит и карбин су три алотропне модификације угљеника као једноставне супстанце. Прозирни кристали са високим степеном преламања светлосних зрака, који су најтежа једињења у природи, су дијаманти. Они слабо проводе топлоту и они су диелектрици. Кристална решетка је атомска, веома издржљива. У њему је сваки атом елемента окружен са четири друге честице, формирајући правилан тетраедар.

Потпуно различите физичко-хемијске особине угљеника које формирају графит. То је масна, тамносива кристална супстанца. Има слојевиту структуру, удаљености између слојева атома су прилично велике, а њихове привлачне силе су слабе. Стога, када се притисне на графитну шипку, супстанца се раздваја на танке љуске. На папиру остављају тамну ознаку. Графит је водљив и мало инфериорнији од метала у електричној проводљивости.

Способност вођења електричне струје објашњава се структуром кристалне супстанце. У њему се честице угљеника везују за остале три помоћу јаких ковалентних хемијских веза. Четврти валентни електрон сваког атома остаје слободан и може се кретати у дебљини супстанце. Усмјерено кретање негативно набијених честица узрокује појаву електричне струје. Графитне апликације су различите. Дакле, користи се за производњу електрода у електротехници и за извођење процеса електролизе, помоћу којих добијају, на пример, алкалне метале у чистом облику. Графит је нашао апликацију у нуклеарних реактора да контролише брзину ланчане реакције која се одвија у њима као модератор неутрона. Познато је да се супстанца користи као шипка или лубрикант у трљањем делова механизама.

Шта је карбин?

Црни кристални прах са стакластим сјајем је карбин. Синтетизован је средином 20. века у Русији. Супстанца је супериорна у тврдоћи према графиту, хемијски пасивна, има својства полупроводника и најстабилнија је модификација угљеника. Једињење је издржљивије од графита. Постоје и облици угљеника чија се хемијска својства међусобно разликују. То су чађи, угљен и кокс.

Различите карактеристике угљеничних алотропних модификација објашњавају се структуром њихових кристалних решетки. То је ватростална супстанца без боје или мириса. Не топива у органским растварачима, али је способна да формира чврсте растворе - легуре, на пример, са гвожђем.

Хемијска својства угљеника

У зависности од супстанце са којом угљеник реагује, она може показивати двострука својства: и редукциони агенс и оксидациони агенс. На пример, спајање кокса са металима, добијање њихових једињења - карбида. Угљоводоници се формирају у реакцији са водоником. Јесте органска једињења на пример, метан, етилен, ацетилен, у којима, као иу случају метала, има угљеник оксидационо стање једнако -4. Смањивање хемијских реакција угљеника, чија својства проучавамо, манифестују се током његове интеракције са кисеоником, халогеном, водом и основни оксиди.

Карбонски оксиди

Спаљивање угља у ваздуху са ниским кисеоником производи угљен моноксид, бивалентни угљен диоксид. Безбојан је, без мириса и високо токсичан. У комбинацији са хемоглобином у крви током дисања, угљен моноксид се шири по целом људском телу, узрокујући тровање, а затим и смрт од гушења. У класификацији, супстанца заузима мјесто индиферентних оксида, не реагира с водом, нити јој база нити киселина одговарају. Хемијска својства угљеника са валенцијом од 4 разликују се од претходно разматраних карактеристика.

Угљен диоксид

Безбојна гасовита супстанца на температури од 15 ° Ц и притисак једне атмосфере претвара се у чврсту фазу. Зове се суви лед. Молекули ЦО ₂ су неполарни, иако је ковалентна веза између атома кисеоника и угљеника поларна. Веза се односи на киселе оксиде. У интеракцији са водом, он формира карбонатну киселину. Постоје реакције између угљен-диоксида и једноставних супстанци: метали и неметали, на пример, магнезијум, калцијум или кокс. У њима он игра улогу оксидационог агенса.

Квалитативна реакција на угљен диоксид

Да би се осигурало да је испитни гас заиста угљен моноксид ЦО ₂ , следећи експеримент се изводи у неорганској хемији: супстанца се пропушта кроз бистру отопину вапнене воде. Посматрање замућености раствора услед таложења белог талога калцијум карбоната потврђује присуство молекула угљен диоксида у мешавини реагенса. После даљег пролаза гаса кроз раствор калцијум хидроксида, ЦаЦО3 талог се раствара услед његове конверзије у калцијум бикарбонат, у води растворну со.

Улога угљеника у домену процеса

Хемијска својства угљеника се користе у индустријској производњи гвожђа из његових руда: магнетне, црвене или браон жељезне руде. Главна међу њима биће редуцирање својстава угљеника и оксида - угљен моноксида и угљен диоксид. Процеси који се одвијају у високој пећи могу се представити као следећи низ реакција:

• Прво, кокс гори у струји ваздуха загрејаног на 1.850 ° Ц да би се формирао угљен диоксид: Ц + О ₂ = ЦО ₂ .
• Пролазећи кроз топли угљен, редукује се на угљен моноксид: ЦО ₂ + Ц = 2ЦО.
• Угљен моноксид реагује са жељезном рудом, што резултира жељезним оксидом: 3Фе ₂ О ₃ + ЦО = 2Фе ₃ О ₄ + ЦО ₂ ↑, Фе ₃ О ₄ + ЦО = 3ФеО + ЦО ₂ .
• Реакција добијања гвожђа ће имати следећи облик: ФеО + ЦО = Фе + ЦО ₂

Растопљено гвожђе раствара у себи мешавину угљеника и угљен моноксида, испада да је супстанца - цементит.

Жељезо, топено у високој пећи, осим гвожђа, садржи до 4,5% угљеника и других нечистоћа: мангана, фосфора, сумпора. Челик, који се разликује од ливеног гвожђа бројним карактеристикама, на пример, његова способност да се ваља и кује, има у свом саставу само 0,3 до 1,7% угљеника. Производи од челика се широко користе у готово свим индустријама: машинству, металургији, медицини.

У нашем чланку смо сазнали које се хемијске особине угљеника и његових једињења користе у различитим сферама људске активности.