Karbon dioksit, karbon monoksit, karbon dioksit, karbon dioksit olarak bildiğimiz aynı maddenin isimleridir. Peki bu gazın özellikleri nelerdir ve uygulamaları nelerdir?
Karbondioksit ve fiziksel özellikleri
Karbondioksit, karbon ve oksijenden oluşur. Karbondioksitin formülü CO₂'dir. Doğada, organik maddenin yanması veya çürümesi sırasında oluşur. Hava ve mineral kaynaklarda gaz içeriği de oldukça yüksektir. ek olarak, insanlar ve hayvanlar da nefes verdiklerinde karbondioksit salmaktadır.
Pirinç. 1. Karbondioksit molekülü.
Karbondioksit tamamen renksiz bir gazdır ve gözle görülemez. Ayrıca kokusu yoktur. Bununla birlikte, yüksek konsantrasyonu ile bir kişi hiperkapni, yani boğulma geliştirebilir. Karbondioksit eksikliği de sağlık sorunlarına neden olabilir. Bu gazın eksikliğinin bir sonucu olarak, ters boğulma durumu gelişebilir - hipokapni.
Karbondioksit düşük sıcaklık koşullarına yerleştirilirse, -72 derecede kristalleşir ve kar gibi olur. Bu nedenle katı haldeki karbondioksite "kuru kar" denir.
Pirinç. 2. Kuru kar karbondioksittir.
Karbondioksit havadan 1,5 kat daha yoğundur. Yoğunluğu 1,98 kg/m³'tür.Karbondioksit molekülündeki kimyasal bağ kovalent polardır. Polardır çünkü oksijenin elektronegatiflik değeri daha yüksektir.
Maddelerin çalışmasında önemli bir kavram, moleküler ve molar kütledir. Karbondioksitin molar kütlesi 44'tür. Bu sayı, molekülü oluşturan atomların göreli atom kütlelerinin toplamından oluşur. Bağıl atom kütlelerinin değerleri D.I. tablosundan alınmıştır. Mendeleev ve tam sayılara yuvarlandı. Buna göre, CO₂'nin molar kütlesi = 12+2*16.
Karbondioksit içindeki elementlerin kütle fraksiyonlarını hesaplamak için, bir maddedeki her bir kimyasal elementin kütle fraksiyonlarını hesaplamak için formülü takip etmek gerekir.
n atom veya molekül sayısıdır.
A r bir kimyasal elementin bağıl atom kütlesidir.
Bay maddenin bağıl moleküler ağırlığıdır.
Karbondioksitin bağıl moleküler ağırlığını hesaplayın.
Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0.27 veya %27 Karbondioksit iki oksijen atomu içerdiğinden, n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0.73 veya %73
Cevap: w(C) = 0.27 veya %27; w(O) = 0,73 veya %73
Karbondioksitin kimyasal ve biyolojik özellikleri
Karbondioksit asidik bir oksit olduğundan asidik özelliklere sahiptir ve suda çözündüğünde karbonik asit oluşturur:
CO₂+H₂O=H₂CO₃
Alkalilerle reaksiyona girerek karbonat ve bikarbonat oluşumuna neden olur. Bu gaz yanıcı değildir. İçinde yalnızca magnezyum gibi bazı aktif metaller yanar.
Isıtıldığında, karbondioksit karbon monoksit ve oksijene dönüşür:
2CO₃=2CO+O₃.
Diğer asidik oksitler gibi, bu gaz da diğer oksitlerle kolayca reaksiyona girer:
СaO+Co₃=CaCO₃.
Karbondioksit, tüm organik maddelerin bir bileşenidir. Bu gazın doğada sirkülasyonu üretici, tüketici ve ayrıştırıcıların yardımıyla gerçekleşir. Yaşam sürecinde, bir kişi günde yaklaşık 1 kg karbondioksit üretir. Nefes aldığımızda oksijen alırız, ancak şu anda alveollerde karbondioksit oluşur. Bu noktada bir değişim gerçekleşir: oksijen kana girer ve karbondioksit dışarı çıkar.
Alkol üretimi sırasında karbondioksit oluşur. Ayrıca bu gaz nitrojen, oksijen ve argon üretiminde bir yan üründür. Karbondioksitin koruyucu görevi gördüğü ve yangın söndürücülerde sıvı formunda karbondioksit bulunduğu gıda endüstrisinde karbondioksit kullanımı gereklidir.
Pirinç. 3. Yangın söndürücü.
Ne öğrendik?
Karbondioksit normal şartlar altında renksiz ve kokusuz olan bir maddedir. Yaygın adı olan karbondioksite ek olarak, karbon monoksit veya karbon dioksit olarak da adlandırılır.
Konu testi
Rapor Değerlendirmesi
Ortalama puanı: 4.3. Alınan toplam puan: 116.
Kömür, kurum ve kurum şeklindeki karbon (İngiliz Karbonu, Fransız Karbonu, Alman Kohlenstoff) çok eski zamanlardan beri insanlık tarafından bilinmektedir; yaklaşık 100 bin yıl önce atalarımız ateşe hakim olduklarında her gün kömür ve isle uğraşıyorlardı. Muhtemelen, çok erken insanlar karbon - elmas ve grafitin allotropik modifikasyonlarının yanı sıra fosil kömürü ile tanıştılar. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, karbonlu maddelerin yanması, insanı ilgilendiren ilk kimyasal süreçlerden biriydi. Yanan madde yok olduğundan, ateş tarafından tüketildiğinden, yanma maddenin bir ayrışma süreci olarak kabul edildi ve bu nedenle kömür (veya karbon) bir element olarak kabul edilmedi. Element, yanmaya eşlik eden bir fenomen olan ateşti; antik çağ unsurlarının öğretilerinde, ateş genellikle unsurlardan biri olarak görülür. XVII - XVIII yüzyılların başında. Becher ve Stahl tarafından öne sürülen flojiston teorisi ortaya çıktı. Bu teori, yanma sırasında buharlaşan özel bir temel maddenin - ağırlıksız bir sıvı - flojistonun her yanıcı gövdesinde varlığını kabul etti. Çok miktarda kömür yakarken sadece az miktarda kül kaldığından, phlogistics, kömürün neredeyse saf flojiston olduğuna inanıyordu. Bu, özellikle, kömürün "flojistik" etkisinin, "kireç" ve cevherlerden metalleri geri kazanma yeteneğinin açıklamasıydı. Daha sonra phlogistics, Réaumur, Bergman ve diğerleri, kömürün temel bir madde olduğunu anlamaya başladılar. Bununla birlikte, ilk kez "saf kömür", kömür ve diğer maddelerin hava ve oksijen içinde yakılması sürecini inceleyen Lavoisier tarafından kabul edildi. Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet ve Fourcroix'in "Kimyasal Adlandırma Yöntemi" (1787) adlı kitabında, Fransız "saf kömür" (charbone pur) yerine "karbon" (karbon) adı göründü. Aynı ad altında, karbon, Lavoisier'in "Temel Kimya Ders Kitabı"ndaki "Basit Cisimler Tablosu"nda görünür. 1791'de İngiliz kimyager Tennant, serbest karbonu ilk elde eden kişiydi; fosfor buharını kalsine tebeşir üzerinden geçirerek kalsiyum fosfat ve karbon oluşumuna neden oldu. Bir elmasın güçlü bir şekilde ısıtıldığında kalıntı bırakmadan yandığı uzun zamandır bilinmektedir. 1751'de, Fransız kralı Francis, yakma deneyleri için bir elmas ve bir yakut vermeyi kabul etti, ardından bu deneyler bile moda oldu. Sadece elmasın yandığı ve yakutun (krom katkılı alüminyum oksit) yanıcı merceğin odağında uzun süreli ısınmaya zarar vermeden dayandığı ortaya çıktı. Lavoisier, büyük bir yanıcı makine yardımıyla elmas yakma konusunda yeni bir deney kurdu ve elmasın kristal karbon olduğu sonucuna vardı. Simya döneminde karbon grafitin ikinci allotropu, değiştirilmiş bir kurşun parlaklık olarak kabul edildi ve plumbago olarak adlandırıldı; Pott sadece 1740'ta grafitte herhangi bir kurşun safsızlığının olmadığını keşfetti. Scheele grafiti (1779) inceledi ve bir flojistik olarak onu özel bir kükürt kütlesi, bağlı "hava asidi" (CO 2 ,) ve büyük miktarda flojiston içeren özel bir mineral kömürü olarak değerlendirdi.
Yirmi yıl sonra Guiton de Morveau, hafifçe ısıtarak elması grafite ve ardından karbonik aside dönüştürdü.
Carboneum'un uluslararası adı lat'den geliyor. karbon (kömür). Kelime çok eski bir kökene sahiptir. Krema ile karşılaştırılır - yakmak; destanların kökü, cal, rusça gar, gal, gol, Sanskritçe sta kaynatmak, pişirmek demektir. "Karbo" kelimesi, diğer Avrupa dillerindeki (karbon, kömür, vb.) karbon adlarıyla ilişkilidir. Alman Kohlenstoff, Kohle - kömürden (Eski Alman kolo, İsveç kylla - ısıtmak için) gelir. Eski Rus ugorati veya ugarati (yanma, kavurma), bir hedefe olası bir geçişle kök gar veya dağlara sahiptir; Eski Rus yug'l'da kömür veya aynı kökenli kömür. Elmas (Diamante) kelimesi eski Yunancadan geliyor - yok edilemez, sert, sert ve grafit Yunancadan geliyor - yazıyorum.
Karbon (C) tipik bir metal olmayandır; periyodik sistemde, ana alt grup olan IV grubunun 2. periyodundadır. Sıra numarası 6, Ar = 12.011 amu, nükleer yük +6.Fiziksel özellikler: karbon birçok allotropik modifikasyon oluşturur: elmas en sert maddelerden biri grafit, kömür, kurum.
Bir karbon atomunun 6 elektronu vardır: 1s 2 2s 2 2p 2 . Son iki elektron ayrı p-orbitallerinde bulunur ve eşleşmemiştir. Prensip olarak, bu çift bir yörüngeyi işgal edebilir, ancak bu durumda elektronikler arası itme büyük ölçüde artar. Bu nedenle biri 2p x, diğeri ise 2p y alır. , veya 2p z-orbitalleri.
Dış katmanın s- ve p-alt seviyelerinin enerjileri arasındaki fark küçüktür, bu nedenle atom oldukça kolay bir şekilde uyarılmış bir duruma geçer, burada 2s-orbitalinden iki elektrondan biri serbest duruma geçer. 2r. 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 konfigürasyonuna sahip bir değerlik durumu ortaya çıkar . Elmas kafesin özelliği olan karbon atomunun bu halidir - hibrit orbitallerin tetrahedral uzamsal düzenlemesi, aynı uzunluk ve bağ enerjisi.
Bu fenomene denildiği bilinmektedir. sp 3 -hibridizasyon, ve ortaya çıkan fonksiyonlar sp 3 -hybrid'dir . Dört sp3 bağının oluşumu, karbon atomuna üçten daha kararlı bir durum sağlar. rr- ve bir s-s-bağ. Sp3 hibritleşmesine ek olarak, karbon atomunda sp2 ve sp hibridizasyonu da gözlenir. . İlk durumda, karşılıklı bir örtüşme vardır. s- ve iki p-orbital. Aynı düzlemde birbirine 120 ° açıyla yerleştirilmiş üç eşdeğer sp 2 - hibrit yörünge oluşur. Üçüncü yörünge p değişmez ve düzleme dik olarak yönlendirilir. sp2.
sp hibridizasyonunda, s ve p orbitalleri örtüşür. Oluşan iki eşdeğer hibrit orbital arasında 180°'lik bir açı oluşurken, atomların her birinin iki p-orbitali değişmeden kalır.
Karbonun allotropisi. elmas ve grafit
Bir grafit kristalinde, karbon atomları, içlerinde düzenli altıgenlerin köşelerini işgal eden paralel düzlemlerde bulunur. Karbon atomlarının her biri, üç bitişik sp2 hibrit bağına bağlıdır. Paralel düzlemler arasında, van der Waals kuvvetleri nedeniyle bağlantı gerçekleştirilir. Atomların her birinin serbest p-orbitalleri, kovalent bağların düzlemlerine dik olarak yönlendirilir. Örtüşmeleri, karbon atomları arasındaki ek π-bağını açıklar. yani karbon atomlarının bir maddede bulunduğu değerlik durumu, bu maddenin özellikleri.
Karbonun kimyasal özellikleri
En karakteristik oksidasyon durumları: +4, +2.
Düşük sıcaklıklarda karbon inerttir, ancak ısıtıldığında aktivitesi artar.
İndirgeyici ajan olarak karbon:
- oksijen ile
C 0 + O 2 - t ° \u003d CO2 karbon dioksit
oksijen eksikliği ile - eksik yanma:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O karbon monoksit
- flor ile
C + 2F 2 = CF 4
- buhar ile
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 su gazı
— metal oksitlerle. Bu şekilde metal cevherden eritilir.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2
- asitlerle - oksitleyici ajanlar:
C 0 + 2H 2 SO 4 (kons.) \u003d C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (kons.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O
- kükürt ile karbon disülfür oluşturur:
C + 2S 2 \u003d CS 2.
Oksitleyici bir ajan olarak karbon:
- bazı metallerle karbürler oluşturur
4Al + 3C 0 \u003d Al 4 C 3
Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4
- hidrojen - metan ile (ayrıca çok miktarda organik bileşik)
C0 + 2H2 \u003d CH4
- silikon ile karborundum oluşturur (bir elektrikli fırında 2000 ° C'de):
Doğada karbon bulmak
Serbest karbon, elmas ve grafit olarak oluşur. Bileşikler şeklinde karbon minerallerde bulunur: tebeşir, mermer, kireçtaşı - CaCO 3, dolomit - MgCO 3 * CaCO 3; bikarbonatlar - Mg (HCO 3) 2 ve Ca (HCO 3) 2, CO2 havanın bir parçasıdır; karbon, doğal organik bileşiklerin ana bileşenidir - gaz, yağ, kömür, turba, canlı organizmaların bir parçası olan organik maddelerin, proteinlerin, yağların, karbonhidratların, amino asitlerin bir parçasıdır.
inorganik karbon bileşikleri
Herhangi bir geleneksel kimyasal işlemde ne C4+ ne de C4 iyonları oluşmaz: karbon bileşiklerinde farklı polariteye sahip kovalent bağlar vardır.
Karbon monoksit (II) BÖYLE
Karbonmonoksit; renksiz, kokusuz, suda az çözünür, organik çözücülerde çözünür, zehirli, bp = -192°C; t metrekare = -205°C.
Fiş
1) Endüstride (gaz jeneratörlerinde):
C + O2 = CO2
2) Laboratuvarda - H2S04 (kons.) varlığında formik veya oksalik asidin termal ayrışması:
HCOOH = H2O + CO
H 2 C 2 O 4 \u003d CO + CO 2 + H 2 O
Kimyasal özellikler
Olağan koşullar altında, CO etkisizdir; ısıtıldığında - indirgeyici ajan; tuz oluşturmayan oksit.
1) oksijen ile
2C +2 O + O 2 \u003d 2C +4 O 2
2) metal oksitlerle
C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O 2
3) klorlu (ışıkta)
CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (fosgen)
4) alkali eriyiklerle reaksiyona girer (basınç altında)
CO + NaOH = HCOONa (sodyum format)
5) geçiş metalleri ile karboniller oluşturur
Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4
Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5
Karbon monoksit (IV) CO2
Karbondioksit, renksiz, kokusuz, suda çözünürlük - 0.9V CO2, 1V H2O'da çözünür (normal koşullar altında); Havadan ağır; t°pl.= -78.5°C (katı CO2 "kuru buz" olarak adlandırılır); yanmayı desteklemez.
Fiş
- Karbonik asit tuzlarının (karbonatlar) termal ayrışması. Kireçtaşı ateşleme:
CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2
- Güçlü asitlerin karbonatlar ve bikarbonatlar üzerindeki etkisi:
CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H20 + CO2
NaHC03 + HCl \u003d NaCl + H20 + CO2
KimyasalözellikleriCO2
Asit oksit: bazik oksitler ve bazlarla reaksiyona girerek karbonik asit tuzları oluşturur
Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3
2NaOH + CO2 \u003d Na2C03 + H20
NaOH + CO2 \u003d NaHC03
Yüksek sıcaklıklarda oksitleyici özellikler sergileyebilir
C +4 O 2 + 2Mg - t ° \u003d 2Mg +2 O + C 0
kalitatif reaksiyon
Kireç suyunun bulanıklığı:
Ca (OH) 2 + CO2 \u003d CaC03 ¯ (beyaz çökelti) + H 2 O
Kireçli sudan uzun süre CO2 geçirildiğinde yok olur çünkü. çözünmeyen kalsiyum karbonat, çözünür bikarbonata dönüştürülür:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2
karbonik asit ve onuntuz
H2CO3 — Zayıf asit, sadece sulu çözeltide bulunur:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3
Çift taban:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Asit tuzları - bikarbonatlar, bikarbonatlar
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Orta tuzlar - karbonatlar
Asitlerin tüm özellikleri karakteristiktir.
Karbonatlar ve bikarbonatlar birbirine dönüştürülebilir:
2NaHCO 3 - t ° \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d 2NaHCO 3
Metal karbonatlar (alkali metaller hariç) ısıtıldığında bir oksit oluşturmak üzere dekarboksilat:
CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2
kalitatif reaksiyon- güçlü bir asidin etkisi altında "kaynama":
Na 2 CO 3 + 2HCl \u003d 2NaCl + H 2 O + CO 2
CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2
karbürler
kalsiyum karbür:
CaO + 3C = CaC2 + CO
CaC 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2.
Çinko, kadmiyum, lantan ve seryum karbürler su ile reaksiyona girdiğinde asetilen açığa çıkar:
2 LaC 2 + 6 H 2 O \u003d 2La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.
Be 2 C ve Al 4 C 3, metan oluşturmak üzere su ile ayrıştırılır:
Al 4 C3 + 12 H20 \u003d 4 Al (OH) 3 \u003d 3 CH 4.
Teknolojide titanyum karbürler TiC, tungsten W 2 C (sert alaşımlar), silikon SiC (karborundum - aşındırıcı ve ısıtıcılar için malzeme olarak) kullanılmaktadır.
siyanür
sodanın amonyak ve karbon monoksit atmosferinde ısıtılmasıyla elde edilir:
Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2
Hidrosiyanik asit HCN, organik sentezde yaygın olarak kullanılan önemli bir kimya endüstrisi ürünüdür. Dünya üretimi yılda 200 bin tona ulaşıyor. Siyanür anyonunun elektronik yapısı karbon monoksite (II) benzer, bu tür parçacıklara izoelektronik denir:
C = O:[:C = N:]-
Altın madenciliğinde siyanürler (%0.1-0.2 sulu çözelti) kullanılır:
2 Au + 4 KCN + H20 + 0.5 O2 \u003d 2 K + 2 KOH.
Siyanür çözeltileri kükürt ile kaynatıldığında veya katılar kaynaştığında, tiyosiyanatlar:
KCN + S = KSCN.
Düşük aktif metallerin siyanürleri ısıtıldığında siyanür elde edilir: Hg (CN) 2 \u003d Hg + (CN) 2. siyanür çözeltileri oksitlenir siyanatlar:
2KCN + O2 = 2KOCN.
Siyanik asit iki şekilde bulunur:
H-N=C=0; H-O-C = N:
1828'de Friedrich Wöhler (1800-1882) amonyum siyanattan üre elde etti: NH4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 sulu bir çözeltiyi buharlaştırarak.
Bu olay genellikle sentetik kimyanın "hayati teori" üzerindeki zaferi olarak görülür.
Bir siyanik asit izomeri var - fulminik asit
H-O-N=C.
Tuzları (cıva fulminat Hg(ONC) 2) darbeli ateşleyicilerde kullanılır.
sentez üre(karbamid):
CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O. 130 0 C ve 100 atm'de.
Üre, bir karbonik asit amididir, ayrıca "azot analoğu" - guanidin de vardır.
karbonatlar
Karbonun en önemli inorganik bileşikleri, karbonik asit tuzlarıdır (karbonatlar). H2C03 zayıf bir asittir (K 1 \u003d 1.3 10 -4; K 2 \u003d 5 10 -11). Karbonat tampon destekler karbondioksit dengesi atmosferde. Okyanuslar, açık bir sistem oldukları için büyük bir tampon kapasitesine sahiptir. Ana tampon reaksiyonu, karbonik asidin ayrışması sırasındaki dengedir:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.
Asitlikte bir azalma ile, asit oluşumu ile atmosferden ek karbondioksit emilimi meydana gelir:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.
Asitlikte bir artış ile karbonat kayaları (okyanustaki kabuklar, tebeşir ve kireçtaşı birikintileri) çözülür; bu, hidrokarbonat iyonlarının kaybını telafi eder:
H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -
CaCO 3 (tv) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-
Katı karbonatlar çözünür hidrokarbonlara dönüştürülür. "Sera etkisine" - Dünya'nın termal radyasyonunun karbon dioksit tarafından emilmesinden kaynaklanan küresel ısınmaya - karşı koyan bu fazla karbondioksitin kimyasal olarak çözünmesi sürecidir. Dünya soda üretiminin yaklaşık üçte biri (sodyum karbonat Na 2 CO 3) cam üretiminde kullanılmaktadır.
Karbon(Latin Carboneum), C, Mendeleev periyodik sisteminin IV. Grubunun kimyasal bir elementi, atom numarası 6, atom kütlesi 12.011. İki kararlı izotop bilinmektedir: 12 C (%98.892) ve 13 C (% 1.108). Radyoaktif izotoplardan en önemlisi, yarı ömrü olan 14 C'dir (T EQ f (1; 2) = 5.6×10 3 yıl). 14 N nitrojen izotopu üzerindeki kozmik radyasyon nötronlarının etkisi altında üst atmosferde sürekli olarak küçük miktarlarda 14 C (kütlece yaklaşık % 2 × 10 -10) oluşur.Yaşları 14 C izotopunun spesifik aktivitesi ile belirlenir. biyojenik kökenli kalıntılarda. 14 C yaygın olarak kullanılır izleyici.
Tarih referansı. W. eski zamanlardan beri bilinmektedir. Kömür, cevherlerden metalleri geri kazanmaya hizmet etti, elmas - değerli bir taş olarak. Çok sonraları, potalar ve kalemler yapmak için grafit kullanıldı.
1778 yılında K. program, grafiti güherçile ile ısıtmak, bu durumda, güherçile ile kömürü ısıtırken olduğu gibi, karbondioksitin salındığını buldu. Elmasın kimyasal bileşimi, A.'nın deneyleri sonucunda belirlendi. Lavoisier(1772), havada elmas yanması çalışması ve S. kiracı(1797), eşit miktarda elmas ve kömürün oksitlendiğinde eşit miktarda karbondioksit verdiğini kanıtladı. U., 1789'da Lavoisier tarafından kimyasal bir element olarak kabul edildi. U., carbo - kömürden Latince carboneum adını aldı.
doğada dağılım. Yerkabuğundaki ortalama U. içeriği ağırlıkça 2,3 × %10-2'dir (1 × 10 -2 ultrabazik, 1 × 10 -2 - temel, 2 × 10 -2 - orta, 3 × 10 - 2 - içinde asit kayalar). U. yerkabuğunun üst kısmında (biyosfer) birikir: canlı maddede %18 U., odun %50, kömür %80, yağ %85, antrasit %96. U. litosferinin önemli bir kısmı kalker ve dolomitte yoğunlaşmıştır.
U.'nun kendi minerallerinin sayısı 112'dir; son derece fazla sayıda organik bileşik U. - hidrokarbonlar ve bunların türevleri.
Organik madde tarafından emilen ve çözünmeyen karbonatlar şeklinde çökeltilen diğer birçok elementin yerkabuğunda birikmesiyle bağlantılı olarak, vb. CO2 ve karbonik asit, yer kabuğunda önemli bir jeokimyasal rol oynar. Volkanizma sırasında çok miktarda CO2 salınır - Dünya tarihinde biyosfer için ana karbondioksit kaynağıydı.
Yerkabuğundaki ortalama içerikle karşılaştırıldığında, insanlık, ana enerji kaynağı olduğu için, derinliklerden (kömür, petrol, doğal gaz) olağanüstü büyük miktarlarda mineral yağ çıkarır.
U. döngüsü büyük jeokimyasal öneme sahiptir (aşağıdaki Vücuttaki Karbon ve Sanat. Maddelerin dolaşımı).
U. ayrıca uzayda yaygın olarak dağılmıştır; Güneş'te hidrojen, helyum ve oksijenden sonra 4. sırada yer alır.
Fiziksel ve kimyasal özellikler. U.'nun dört kristal modifikasyonu bilinmektedir: grafit, elmas, karabina ve lonsdaleit. Grafit, metalik bir parlaklığa sahip, gri-siyah, opak, dokunuşa yağlı, pullu, çok yumuşak bir kütledir. Altıgen yapıdaki kristallerden yapılmıştır: a=2.462Å, c=6.701Å. Oda sıcaklığında ve normal basınçta (0,1 MN / m2, veya 1 kgf / cm2) grafit termodinamik olarak kararlıdır. Elmas çok sert, kristal bir maddedir. Kristaller kübik yüz merkezli bir kafese sahiptir: bir = 3.560 A. Oda sıcaklığında ve normal basınçta, elmas yarı kararlıdır (elmas ve grafitin yapısı ve özellikleri hakkında ayrıntılı bilgi için ilgili makalelere bakın). Vakumda veya atıl bir atmosferde 1400 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda elmasın grafite gözle görülür bir dönüşümü gözlemlenir. Atmosferik basınçta ve yaklaşık 3700 ° C sıcaklıkta grafit süblimleşir. Sıvı U. 10.5'in üzerindeki basınçlarda elde edilebilir MN/m2(105 kgf / cm2) ve 3700 °C'nin üzerindeki sıcaklıklar. Sert W için ( kok, kurum, odun kömürü) düzensiz bir yapıya sahip bir durum da karakteristiktir - bağımsız bir modifikasyonu temsil etmeyen "amorf" U. olarak adlandırılır; yapısı, ince taneli grafit yapısına dayanmaktadır. Bazı "amorf" W. çeşitlerinin 1500-1600 ° C'nin üzerinde hava olmadan ısıtılması, grafite dönüşmelerine neden olur. "Amorf" W.'nin fiziksel özellikleri, büyük ölçüde parçacıkların inceliğine ve safsızlıkların varlığına bağlıdır. "Amorf" karbonun yoğunluğu, ısı kapasitesi, termal iletkenliği ve elektriksel iletkenliği her zaman grafitinkinden daha yüksektir. Karbin yapay olarak elde edildi. Siyah renkli (yoğunluk 1.9-2 g/cm3) ince kristalli bir tozdur. Birbirine paralel istiflenmiş uzun C atom zincirlerinden yapılmıştır. Lonsdaleite meteoritlerde bulunur ve yapay olarak elde edilir; yapısı ve özellikleri nihai olarak belirlenmemiştir.
U atomunun dış elektron kabuğunun konfigürasyonu. 2s 2 2p 2 . U., dış elektron kabuğunun durum 2'ye uyarılması nedeniyle dört kovalent bağın oluşumu ile karakterize edilir. sp3. Bu nedenle, U. elektronları hem çekme hem de verme konusunda eşit derecede yeteneklidir. Kimyasal bağ şu şekilde gerçekleşebilir: sp 3 -, sp 2 - ve sp- 4, 3 ve 2 koordinasyon sayılarına karşılık gelen hibrit orbitaller. Değerlik elektronlarının sayısı U. ve değerlik orbitallerinin sayısı aynıdır; Bu, U atomları arasındaki bağın kararlılığının nedenlerinden biridir.
U. atomlarının güçlü ve uzun zincirler ve döngülerin oluşumu ile birbirleriyle birleşebilme yeteneği, üzerinde çalışılan çok sayıda çeşitli U. bileşiklerinin ortaya çıkmasına neden olmuştur. organik Kimya.
Bileşiklerde, U. oksidasyon durumları -4 sergiler; +2; +4. Atom yarıçapı 0.77Â, kovalent yarıçaplar 0.77Â, 0.67Â, 0.60Â sırasıyla tekli, ikili ve üçlü bağlarda; iyon yarıçapı C4- 2.60Â, C4+ 0.20Â. Normal koşullar altında U. kimyasal olarak inerttir; yüksek sıcaklıklarda birçok elementle birleşerek güçlü indirgeme özellikleri sergiler. Seride kimyasal aktivite azalır: "amorf" U., grafit, elmas; atmosferik oksijen ile etkileşim (yanma) sırasıyla 300-500 °C, 600-700 °C ve 850-1000 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda karbondioksit CO2 ve karbon monoksit CO oluşumu ile gerçekleşir.
CO 2 oluşturmak üzere suda çözünür karbonik asit. 1906 yılında Ö. Dieller U. C 3 O 2 suboksit aldı. Tüm U. formları alkalilere ve asitlere karşı dirençlidir ve yalnızca çok güçlü oksitleyici maddeler (krom karışımı, konsantre HNO3 ve KClO3 karışımı, vb.) tarafından yavaşça oksitlenir. "Amorf" W., ısıtıldığında oda sıcaklığında flor, grafit ve elmas ile reaksiyona girer. U.'nin klorla doğrudan bağlantısı bir elektrik arkında gerçekleşir; U. brom ve iyot ile reaksiyona girmez, bu nedenle çok sayıda karbon halojenürler dolaylı olarak sentezlenir. COX2 (burada X bir halojendir) genel formülünün oksihalojenürlerinden kloroksit COCl2 ( fosgen). Hidrojen elmasla etkileşime girmez; grafit ve "amorf" U. ile katalizörlerin (Ni, Pt) varlığında yüksek sıcaklıklarda reaksiyona girer: 600-1000 ° C'de, 1500-2000 ° C'de esas olarak metan CH4 oluşur - asetilen C2H2 , ürünlerde etan C2H6 gibi başka hidrokarbonlar da bulunabilir. , benzen C6H6. Kükürtün "amorf" elmaslar ve grafitle etkileşimi 700-800 °C'de, elmasla 900-1000 °C'de başlar; her durumda karbon disülfid CS2 oluşur. Dr. Kükürt içeren U. bileşikleri (CS tiyooksit, C3S2 tiyon oksit, COS sülfür oksit ve CSCl2 tiyofosgen) dolaylı olarak elde edilir. CS2 metal sülfitlerle etkileşime girdiğinde, tiyokarbonatlar oluşur - zayıf tiyokarbonik asit tuzları. U.'nin siyan (CN) 2 elde etmek için nitrojen ile etkileşimi, nitrojen atmosferinde karbon elektrotları arasında bir elektrik boşalması geçirildiğinde meydana gelir. U.'nin azot içeren bileşikleri arasında, hidrojen siyanür HCN büyük pratik öneme sahiptir (bkz. hidrosiyanik asit) ve sayısız türevleri: siyanürler, halo-gentianes, nitriller, vb. 1000 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, U. birçok metalle etkileşime girerek karbürler. Tüm karbon dioksit formları, ısıtıldığında, serbest metallerin (Zn, Cd, Cu, Pb, vb.) veya karbürlerin (CaC 2 , Mo 2 C, WO, TaC, vb.) oluşumuyla metal oksitleri azaltır. U. 600-800 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda su buharı ve karbondioksit ile reaksiyona girer (bkz. Yakıtların gazlaştırılması). Grafitin ayırt edici bir özelliği, 300-400 °C'ye kadar orta derecede ısıtıldığında alkali metaller ve halojenürler ile etkileşime girme yeteneğidir. bağlantı bağlantıları C 8 Me, C 24 Me, C 8 X yazın (burada X halojendir, Me metaldir). Grafit inklüzyon bileşikleri, HNO3, H2S04, FeCl3 ve diğerleri (örneğin, grafit bisülfat C24S04H2) ile bilinmektedir. Tüm U. formları yaygın inorganik ve organik çözücülerde çözünmez, ancak bazı erimiş metallerde (örneğin Fe, Ni, Co) çözünür.
ABD'nin ulusal ekonomik önemi, dünyada tüketilen tüm birincil enerji kaynaklarının %90'ından fazlasının organik kaynaklardan gelmesi gerçeğiyle belirlenir. yakıt, nükleer enerjinin yoğun gelişimine rağmen, öncü rolü önümüzdeki on yıllar boyunca devam edecek. Çıkarılan yakıtın sadece %10'u hammadde olarak kullanılır. temel organik sentez ve petrokimya sentezi, almak plastikler ve benzeri.
U. ve bileşiklerinin alınması ve kullanımı hakkında ayrıca bkz. Elmas, Grafit, kola, Kurum, Karbon Refrakterler, karbon dioksit, Karbonmonoksit, karbonatlar.
B.A. Popovkin.
U. vücutta. U., dünyadaki yaşamın temelini oluşturan en önemli biyojenik element, organizmaların inşasında yer alan ve hayati faaliyetlerini sağlayan çok sayıda organik bileşiğin yapısal birimidir ( biyopolimerler, ayrıca çok sayıda düşük moleküler biyolojik olarak aktif madde - vitaminler, hormonlar, aracılar, vb.). Organizmalar için gerekli enerjinin önemli bir kısmı, U'nun oksidasyonu nedeniyle hücrelerde oluşur. Dünyadaki yaşamın ortaya çıkışı, modern bilimde karbon bileşiklerinin karmaşık bir evrim süreci olarak kabul edilir (bkz. hayatın kökeni).
U.'nun canlı doğadaki benzersiz rolü, toplamda periyodik sistemin başka hiçbir unsurunun sahip olmadığı özelliklerinden kaynaklanmaktadır. U. atomları arasında ve ayrıca U. ve diğer elementler arasında güçlü kimyasal bağlar oluşur, ancak bunlar nispeten hafif fizyolojik koşullar altında kırılabilir (bu bağlar tek, çift veya üçlü olabilir). Karbonun diğer karbon atomları ile dört eşdeğer değerlik bağı oluşturma yeteneği, çeşitli tiplerde karbon iskeletlerinin (doğrusal, dallı ve döngüsel) oluşturulmasını mümkün kılar. Sadece üç elementin - C, O ve H - toplam canlı organizma kütlesinin% 98'ini oluşturması önemlidir. Bu, canlı doğada belirli bir ekonomi sağlar: neredeyse sınırsız yapısal karbon bileşikleri çeşitliliği ile, az sayıda kimyasal bağ türü, organik maddelerin parçalanması ve sentezi için gerekli enzimlerin sayısını önemli ölçüde azaltmayı mümkün kılar. U. atomunun yapısal özellikleri, çeşitli türlerin temelini oluşturur. izomerizm organik bileşikler (optik izomerizm yeteneğinin amino asitlerin, karbonhidratların ve bazı alkaloitlerin biyokimyasal evriminde belirleyici olduğu ortaya çıktı).
A.I.'nin genel kabul görmüş hipotezine göre. oparina Dünya üzerindeki ilk organik bileşikler abiyojenik kökenliydi. Dünyanın birincil atmosferinde bulunan metan (CH4) ve hidrojen siyanür (HCN), UV kaynakları olarak görev yaptı. Yaşamın ortaya çıkmasıyla birlikte, biyosferin tüm organik maddesinin oluşması nedeniyle tek inorganik U. kaynağı, karbon dioksit(CO 2) atmosferde bulunan, ayrıca doğal sularda çözünen HCO - 3 şeklindedir. U.'nin asimilasyonu (asimilasyonu) için en güçlü mekanizma (CO 2 şeklinde) - fotosentez- her yerde yeşil bitkiler tarafından gerçekleştirilir (yılda yaklaşık 100 milyar ton CO2 asimile edilir). Dünya'da, CO2'nin asimilasyonun evrimsel olarak daha eski bir yolu da vardır. kemosentez; bu durumda, kemosentetik mikroorganizmalar güneşin radyan enerjisini değil, inorganik bileşiklerin oksidasyon enerjisini kullanır. Çoğu hayvan, U.'yi hazır organik bileşikler şeklinde yiyeceklerle birlikte tüketir. Organik bileşiklerin asimilasyon yöntemine bağlı olarak, ayırt etmek gelenekseldir. ototrofik organizmalar ve heterotrofik organizmalar. Tek kaynak olarak U kullanan protein ve diğer besin maddelerinin biyosentezi için mikroorganizmaların kullanılması. hidrokarbonlar petrol önemli modern bilimsel ve teknik sorunlardan biridir.
Kuru madde bakımından canlı organizmalarda U. içeriği: su bitkileri ve hayvanlarında %34,5-40, karasal bitki ve hayvanlarda %45,4-46.5 ve bakterilerde %54'tür. Organizmaların yaşamı boyunca, esas olarak doku solunumu CO2'nin dış ortama salınmasıyla organik bileşiklerin oksidatif bir ayrışması vardır. U. ayrıca bir metabolizmanın daha zor son ürünlerinin bir parçası olarak tahsis edilir. Hayvanların ve bitkilerin ölümünden sonra, U.'nin bir kısmı mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilen bozunma süreçleri sonucunda tekrar CO2'ye dönüştürülür. Böylece, doğada U. döngüsü oluşur (bkz. Maddelerin dolaşımı). U.'nun önemli bir kısmı mineralleşir ve U fosili tortularını oluşturur: kömür, petrol, kireçtaşı ve diğerleri. . CaCO 3'ün bir parçası olarak, U. birçok omurgasızın (örneğin yumuşakça kabukları) dış iskeletini oluşturur ve ayrıca mercanlarda, kuş yumurta kabuklarında ve diğerlerinde bulunur. dönem, daha sonra biyolojik evrim sürecinde güçlü hale geldi. antimetabolitler metabolizma.
U.'nin kararlı izotoplarına ek olarak, radyoaktif 14C doğada yaygındır (insan vücudunda yaklaşık 0.1 mikroküri içerir). Biyolojik ve tıbbi araştırmalarda U. izotoplarının kullanılmasıyla, metabolizma ve U.'nun doğadaki döngüsü çalışmalarındaki birçok büyük başarı ilişkilidir (bkz. izotop izleyiciler). Böylece, bir radyokarbon etiketinin yardımıyla, bitkiler ve hayvan dokuları tarafından H 14 CO - 3'ün sabitlenme olasılığı kanıtlandı, fotosentez reaksiyonlarının sırası belirlendi, amino asitlerin değişimi incelendi, biyolojik olarak aktif birçok biyosentez yolu bileşikler izlendi, vb. 14C'nin kullanılması, moleküler biyolojinin protein biyosentez mekanizmalarını ve kalıtsal bilgilerin iletimini incelemedeki başarısına katkıda bulunmuştur. Karbonlu organik kalıntılarda 14C'nin spesifik aktivitesinin belirlenmesi, paleontoloji ve arkeolojide kullanılan yaşlarının değerlendirilmesini mümkün kılar.
N.N. Chernov.
Aydınlatılmış.: Shafranovsky I.I., Almazy, M. - L., 1964; Ubbelode A.R., Lewis F.A., Graphite ve onun kristalli bileşikleri, çev. İngilizce'den, M., 1965; Remi G., Anorganik kimya dersi, çev. Almanca'dan, cilt 1, M., 1972; Perelman A. I., Hiperjenez bölgesindeki elementlerin jeokimyası, M., 1972; Nekrasov B.V., Fundamentals of General Chemistry, 3. baskı, M., 1973; Akhmetov N.S., Anorganik Kimya, 2. baskı, M., 1975; Vernadsky V.I., Jeokimya üzerine Denemeler, 6. baskı, M., 1954; Roginsky S.Z., Shnol S.E., Biyokimyada İzotoplar, M., 1963; Biyokimyanın Ufukları, çev. İngilizce'den, M., 1964; Evrimsel ve teknik biyokimyanın sorunları, M., 1964; Calvin M., Kimyasal evrim, çev. İngilizce'den, M., 1971; Levy A., Sikevits F., Hücrenin yapısı ve işlevleri, çev. İngilizceden, 1971, Ch. 7; Biyosfer, çev. İngilizceden, M., 1972.