Kaboni ni Atomu ya kaboni. Misa ya kaboni

2024 Mwandishi: Angel Austin | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 05:42

Mojawapo ya vipengele vya kustaajabisha zaidi vinavyoweza kuunda aina kubwa ya misombo ya kikaboni na isokaboni ni kaboni. Kipengele hiki si cha kawaida sana katika sifa zake hivi kwamba hata Mendeleev alitabiri mustakabali mzuri kwake, akizungumzia vipengele ambavyo bado havijafichuliwa.

Baadaye ilithibitishwa kiutendaji. Ilijulikana kuwa ni kipengele kikuu cha biogenic cha sayari yetu, ambayo ni sehemu ya viumbe vyote vilivyo hai. Kwa kuongeza, yenye uwezo wa kuwepo katika maumbo ambayo ni tofauti kabisa katika mambo yote, lakini wakati huo huo inajumuisha atomi za kaboni pekee.

Kwa ujumla, muundo huu una vipengele vingi, na tutajaribu kukabiliana navyo katika kipindi cha makala.

Kaboni: fomula na nafasi katika mfumo wa vipengele

Katika mfumo wa muda, kipengele cha kaboni kinapatikana katika kikundi cha IV (kulingana na muundo mpya katika 14), kikundi kidogo kikuu. Nambari yake ya serial ni 6, na uzito wake wa atomiki ni 12.011. Uteuzi wa kipengele na ishara C unaonyesha jina lake katika Kilatini - carboneum. Kuna aina nyingi tofauti za kaboni. Kwa hivyo fomula yake ni tofauti na inategemea urekebishaji maalum.

Hata hivyo, kwa kuandika milinganyo ya majibu, nukuu ni maalum,bila shaka kuwa. Kwa ujumla, wakati wa kuzungumza juu ya dutu katika umbo lake safi, fomula ya molekuli ya kaboni C inapitishwa, bila kuashiria.

Historia ya uvumbuzi wa kipengele

Kipengele hiki chenyewe kinajulikana tangu zamani. Baada ya yote, moja ya madini muhimu zaidi katika asili ni makaa ya mawe. Kwa hiyo, kwa Wagiriki wa kale, Warumi na mataifa mengine, hakuwa siri.

Kando na aina hii, almasi na grafiti pia zilitumika. Kulikuwa na hali nyingi za kutatanisha na za mwisho kwa muda mrefu, kwani mara nyingi, bila uchambuzi wa muundo, misombo kama hiyo ilichukuliwa kwa grafiti, kama vile:

lead ya fedha;
carbudi ya chuma;
molybdenum sulfide.

Zote zilipakwa rangi nyeusi na kwa hivyo zilizingatiwa kuwa grafiti. Baadaye, kutokuelewana huku kuliondolewa, na aina hii ya kaboni ikawa yenyewe.

Tangu mwaka wa 1725, almasi zimekuwa za umuhimu mkubwa kibiashara, na mwaka wa 1970, teknolojia ya kuzipata kwa njia isiyo halali imeboreshwa. Tangu 1779, kutokana na kazi ya Karl Scheele, mali ya kemikali ambayo maonyesho ya kaboni yamejifunza. Huu ulikuwa mwanzo wa mfululizo wa uvumbuzi muhimu katika uwanja wa kipengele hiki na ukawa msingi wa kutafuta sifa zake zote za kipekee.

Isotopu za kaboni na usambazaji katika asili

Licha ya ukweli kwamba elementi inayozungumziwa ni mojawapo ya viumbe hai muhimu zaidi, jumla ya maudhui yake katika wingi wa ganda la dunia ni 0.15%. Hii ni kutokana na ukweli kwamba inakabiliwa na mzunguko wa mara kwa mara, mzunguko wa asili katika asili.

Kwa ujumla, kuna kadhaamisombo ya madini yenye kaboni. Hizi ni mifugo asilia kama vile:

dolomite na chokaa;
anthracite;
sheli ya mafuta;
gesi asilia;
makaa;
mafuta;
lignite;
peat;
lami.

Kando na hili, tusisahau kuhusu viumbe hai, ambavyo ni hifadhi tu ya michanganyiko ya kaboni. Baada ya yote, waliunda protini, mafuta, wanga, asidi ya nucleic, ambayo ina maana ya molekuli muhimu zaidi za kimuundo. Kwa ujumla, katika ubadilishaji wa uzito wa mwili kavu kati ya kilo 70, 15 huanguka kwenye kipengele safi. Na ndivyo ilivyo kwa kila mtu, bila kusahau wanyama, mimea na viumbe vingine.

Tukizingatia muundo wa hewa na maji, yaani, hidrosphere kwa ujumla wake na angahewa, basi kuna mchanganyiko wa carbon-oksijeni, unaoonyeshwa na fomula CO_{2. Dioksidi au dioksidi kaboni ni mojawapo ya gesi kuu zinazounda hewa. Ni katika fomu hii kwamba sehemu ya molekuli ya kaboni ni 0.046%. Hata kaboni dioksidi zaidi huyeyushwa katika maji ya bahari.}

Uzito wa atomiki wa kaboni kama kipengele ni 12.011. Inajulikana kuwa thamani hii inakokotolewa kama wastani wa hesabu kati ya uzito wa atomiki wa spishi zote za isotopiki zilizopo katika asili, kwa kuzingatia kuenea kwao (kama asilimia) Hii pia ni kesi kwa dutu inayohusika. Kuna isotopu tatu kuu ambazo kaboni hupatikana. Hii ni:

¹²С - sehemu yake ya wingi kwa wingi ni 98.93%;
¹³C -1.07%;
¹⁴C - mionzi, nusu ya maisha miaka 5700, mtoaji wa beta thabiti.

Katika mazoezi ya kubainisha umri wa kijiokronolojia wa sampuli, isotopu ya mionzi ¹⁴С hutumika sana, ambayo ni kiashirio kutokana na muda wake wa kuoza kwa muda mrefu.

Marekebisho ya allotropiki ya kipengele

Carbon ni kipengele ambacho kipo kama dutu rahisi katika miundo kadhaa. Hiyo ni, ina uwezo wa kutengeneza idadi kubwa zaidi ya marekebisho ya allotropiki inayojulikana leo.

1. Tofauti za fuwele - zipo kwa namna ya miundo yenye nguvu na lati za kawaida za aina ya atomiki. Kikundi hiki kinajumuisha aina kama vile:

almasi;
vijazo;
grafiti;
carbines;
lonsdaleites;
nyuzi na mirija ya kaboni.

Zote hutofautiana katika muundo wa kimiani kioo, katika vifundo ambavyo kuna atomi ya kaboni. Kwa hivyo sifa za kipekee kabisa, zisizofanana, za kimwili na za kemikali.

2. Fomu za amorphous - zinaundwa na atomi ya kaboni, ambayo ni sehemu ya misombo ya asili. Hiyo ni, hizi sio aina safi, lakini kwa uchafu wa vipengele vingine kwa kiasi kidogo. Kikundi hiki kinajumuisha:

kaboni iliyoamilishwa;
jiwe na mbao;
masizi;
carbon nanofoam;
anthracite;
kaboni ya glasi;
aina ya kiufundi ya dutu.

Pia zimeunganishwa na vipengelemiundo ya kimiani kioo, kueleza na kudhihirisha sifa.

3. Michanganyiko ya kaboni kwa namna ya makundi. Muundo kama huo ambao atomi zimefungwa kwenye shimo maalum la uunganisho kutoka ndani, limejaa maji au viini vya vitu vingine. Mifano:

nanokoni za kaboni;
astralens;
dicarbon.

Tabia halisi ya kaboni amofasi

Kwa sababu ya aina mbalimbali za marekebisho ya allotropiki, ni vigumu kutambua sifa zozote za kawaida za kaboni. Ni rahisi kuzungumza juu ya fomu maalum. Kwa mfano, kaboni ya amofasi ina sifa zifuatazo.

Kiini cha aina zote kuna aina zenye fuwele laini za grafiti.
Kiwango cha juu cha joto.
Sifa nzuri za upitishaji.
Uzito wa kaboni ni takriban 2 g/cm³.
Inapokanzwa zaidi ya 1600 ⁰C, mpito hadi fomu za grafiti hutokea.

Aina za masizi, mkaa na mawe hutumika sana kwa madhumuni ya viwanda. Sio onyesho la urekebishaji wa kaboni katika umbo lake safi, lakini huwa nayo kwa wingi sana.

kaboni ya fuwele

Kuna chaguo kadhaa ambazo kaboni ni dutu inayounda fuwele za kawaida za aina mbalimbali, ambapo atomi huunganishwa kwa mfululizo. Kwa hivyo, marekebisho yafuatayo yanaundwa.

Diamond. Muundo ni ujazo, ambayo tetrahedra nne zimeunganishwa. Matokeo yake, vifungo vyote vya kemikali vya covalent vya kila atomiiliyojaa kwa kiwango cha juu na ya kudumu. Hii inaelezea sifa za kimwili: msongamano wa kaboni ni 3300 kg/m³. Ugumu wa juu, uwezo mdogo wa joto, ukosefu wa conductivity ya umeme - yote haya ni matokeo ya muundo wa latiti ya kioo. Kuna almasi zilizopatikana kitaalamu. Wao huundwa wakati wa mpito wa grafiti kwa urekebishaji unaofuata chini ya ushawishi wa joto la juu na shinikizo fulani. Kwa ujumla, kiwango cha kuyeyuka cha almasi ni cha juu kama nguvu - takriban 3500 ⁰C.
Grafiti. Atomi zimepangwa sawa na muundo wa dutu iliyopita, hata hivyo, vifungo vitatu tu vimejaa, na ya nne inakuwa ndefu na isiyo na nguvu, inaunganisha "tabaka" za pete za hexagonal za latiti. Matokeo yake, zinageuka kuwa grafiti ni laini, greasi nyeusi dutu kwa kugusa. Ina conductivity nzuri ya umeme na ina kiwango cha juu myeyuko - 3525 ⁰C. Ina uwezo wa usablimishaji - usablimishaji kutoka kwa hali ngumu hadi hali ya gesi, kupita hali ya kioevu (kwa joto la 3700 ⁰С). Uzito wa kaboni ni 2.26 g/cm^3, ambayo ni ya chini sana kuliko ile ya almasi. Hii inaelezea sifa zao tofauti. Kutokana na muundo wa layered wa kimiani kioo, inawezekana kutumia grafiti kwa ajili ya utengenezaji wa miongozo ya penseli. Unapotelezeshwa kwenye karatasi, mabamba huondoka na kuacha alama nyeusi kwenye karatasi.
Vimelea. Walifunguliwa tu katika miaka ya 80 ya karne iliyopita. Ni marekebisho ambayo kaboni huunganishwa katika muundo maalum uliofungwa wa convex, ambao una katikatiutupu. Na fomu ya kioo - polyhedron, shirika sahihi. Idadi ya atomi ni sawa. Aina maarufu zaidi ya fullerene ni С₆₀. Sampuli za dutu sawa zilipatikana wakati wa utafiti:

vimondo;
mashapo ya chini;
folgurite;
shungite;
anga ya nje, ambapo iko katika umbo la gesi.

Aina zote za kaboni ya fuwele zina umuhimu mkubwa wa kiutendaji, kwa kuwa zina idadi ya vipengele muhimu katika uhandisi.

Shughuli tena

Kaboni ya molekuli huonyesha utendakazi mdogo kutokana na usanidi wake thabiti. Inaweza kulazimishwa kuingia katika athari tu kwa kutoa nishati ya ziada kwa atomi na kulazimisha elektroni za kiwango cha nje kuyeyuka. Katika hatua hii, valency inakuwa 4. Kwa hiyo, katika misombo, ina hali ya oxidation ya + 2, + 4, - 4.

Kwa kawaida miitikio yote yenye dutu rahisi, metali na zisizo metali, huendelea chini ya ushawishi wa halijoto ya juu. Kipengele kinachohusika kinaweza kuwa wakala wa vioksidishaji na wakala wa kupunguza. Walakini, sifa za mwisho hutamkwa ndani yake, na huu ndio msingi wa matumizi yake katika tasnia ya metallurgiska na zingine.

Kwa ujumla, uwezo wa kuingia katika mwingiliano wa kemikali unategemea mambo matatu:

mtawanyiko wa kaboni;
marekebisho ya allotropiki;
joto la kuitikia.

Kwa hivyo, katika hali zingine kuna mwingiliano na yafuatayodutu:

zisizo za metali (hidrojeni, oksijeni);
metali (alumini, chuma, kalsiamu na zingine);
oksidi za metali na chumvi zake.

Haifanyi kazi pamoja na asidi na alkali, mara chache sana pamoja na halojeni. Muhimu zaidi wa mali ya kaboni ni uwezo wa kuunda minyororo ndefu na kila mmoja. Wanaweza kufunga katika mzunguko, kuunda matawi. Hivi ndivyo uundaji wa misombo ya kikaboni, ambayo leo inafikia mamilioni. Msingi wa misombo hii ni vipengele viwili - kaboni, hidrojeni. Atomu zingine pia zinaweza kujumuishwa: oksijeni, nitrojeni, salfa, halojeni, fosforasi, metali na zingine.

Michanganyiko kuu na sifa zake

Kuna misombo mingi tofauti iliyo na kaboni. Fomula ya maarufu zaidi kati yao ni CO₂ - dioksidi kaboni. Hata hivyo, pamoja na oksidi hii, pia kuna CO - monoksidi au monoksidi kaboni, pamoja na suboxide C₃O₂.

Kati ya chumvi zilizo na kipengele hiki, zinazojulikana zaidi ni kalsiamu na kabonati ya magnesiamu. Kwa hivyo, kalsiamu kabonati ina visawe kadhaa kwa jina, kwani hutokea kwa asili katika mfumo:

chaki;
marumaru;
chokaa;
dolomite.

Umuhimu wa carbonates za metali ya alkali unaonyeshwa kwa ukweli kwamba wao ni washiriki hai katika uundaji wa stalactites na stalagmites, pamoja na maji ya chini ya ardhi.

Asidi ya kaboni ni kiwanja kingine kinachounda kaboni. Formula yake niH₂CO₃. Walakini, katika hali yake ya kawaida, haina msimamo na mara moja hutengana kuwa kaboni dioksidi na maji katika suluhisho. Kwa hivyo, chumvi zake pekee ndizo zinazojulikana, na sio yenyewe, kama suluhisho.

Halidi za kaboni - hupatikana hasa kwa njia zisizo za moja kwa moja, kwa kuwa usanisi wa moja kwa moja hufanyika tu kwa halijoto ya juu sana na kwa mazao ya chini ya bidhaa. Mojawapo ya zinazojulikana zaidi - CCL₄ - tetrakloridi kaboni. Kiwanja cha sumu ambacho kinaweza kusababisha sumu ikiwa kitapumuliwa. Imepatikana kwa athari ya uingizwaji mkali wa picha wa atomi za hidrojeni katika methane.

Kabidi za metali ni misombo ya kaboni ambayo huonyesha hali ya oxidation ya 4. Kuwepo kwa uhusiano na boroni na silicon pia kunawezekana. Sifa kuu ya carbides ya baadhi ya metali (alumini, tungsten, titanium, niobium, tantalum, hafnium) ni nguvu ya juu na conductivity bora ya umeme. Boroni CARBIDE ₄С ni mojawapo ya dutu ngumu zaidi baada ya almasi (9.5 kulingana na Mohs). Michanganyiko hii hutumika katika uhandisi, na pia katika tasnia ya kemikali, kama vyanzo vya utengenezaji wa hidrokaboni (calcium carbudi na maji husababisha uundaji wa asetilini na hidroksidi ya kalsiamu).

Aloi nyingi za metali zimetengenezwa kwa kutumia kaboni, na hivyo kuongeza kwa kiasi kikubwa ubora na sifa zake za kiufundi (chuma ni aloi ya chuma na kaboni).

Uangalifu maalum unastahili misombo mingi ya kikaboni ya kaboni, ambamo ni kipengele cha msingi kinachoweza kuunganishwa na atomi sawa katika minyororo mirefu ya miundo mbalimbali. Hizi ni pamoja na:

alkanes;
alkenes;
viwanja;
protini;
kabu;
asidi nucleic;
pombe;
asidi kaboksili na aina nyingine nyingi za dutu.

Matumizi ya kaboni

Umuhimu wa misombo ya kaboni na marekebisho yake ya allotropiki katika maisha ya binadamu ni ya juu sana. Unaweza kutaja sekta chache zaidi za kimataifa ili kuweka wazi kuwa hii ni kweli.

Kipengele hiki huunda aina zote za nishati ya asili ambayo mtu hupokea nishati.
Sekta ya metallurgiska hutumia kaboni kama wakala thabiti zaidi wa kupunguza kupata metali kutoka kwa misombo yake. Kaboni pia hutumika sana hapa.
Ujenzi na tasnia ya kemikali hutumia kiasi kikubwa cha misombo ya kaboni ili kuunganisha dutu mpya na kupata bidhaa zinazohitajika.

Pia unaweza kutaja sekta kama hizi za uchumi kama:

sekta ya nyuklia;
vito;
vifaa vya kiufundi (vilainishi, crucibles zinazostahimili joto, penseli, n.k.);
uamuzi wa umri wa kijiolojia wa miamba - kifuatiliaji cha mionzi ¹⁴С;
carbon ni adsorbent bora, ambayo huifanya kufaa kwa ajili ya kutengenezea vichujio.

Mzunguko katika asili

Wingi wa kaboni inayopatikana katika asili imejumuishwa katika mzunguko usiobadilika ambao huzunguka kila sekunde ulimwenguni. Kwa hivyo, chanzo cha angahewa cha kaboni - CO₂, humezwa.mimea na hutolewa na viumbe vyote vilivyo hai katika mchakato wa kupumua. Mara moja katika anga, inafyonzwa tena, na hivyo mzunguko hauacha. Wakati huo huo, kufa kwa mabaki ya kikaboni husababisha kutolewa kwa kaboni na mlundikano wake duniani, kutoka hapo ndipo inapofyonzwa tena na viumbe hai na kutolewa kwenye angahewa kwa namna ya gesi.