Elemendi omadus

6 C 1s 2 2s 2 2p 2

Isotoobid: 12C (98,892%); 13C (1,108%); 14 C (radioaktiivne)

Clark maapõues 0,48 massiprotsenti. Asukoha vormid:

vabas vormis (kivisüsi, teemandid);

karbonaatide koostises (CaCO 3, MgCO 3 jne);

fossiilsete kütuste (kivisüsi, nafta, gaas) koostises;

CO 2 kujul - atmosfääris (0,03 mahuprotsenti);

ookeanides - HCO 3 kujul - anioonid;

elusaine koostises (-18% süsinikku).

Süsinikuühendite keemia on põhimõtteliselt orgaaniline keemia. Anorgaanilise keemia käigus uuritakse järgmisi C-d sisaldavaid aineid: vaba süsinik, oksiidid (CO ja CO 2), süsihape, karbonaadid ja vesinikkarbonaadid.

Vaba süsinik. Allotroopia.

Vabas olekus moodustab süsinik 3 allotroopset modifikatsiooni: teemant, grafiit ja kunstlikult saadud karabiin. Need süsiniku modifikatsioonid erinevad kristall-keemilise struktuuri ja füüsikaliste omaduste poolest.

Teemant

Teemantkristallides on iga süsinikuaatom seotud tugevate kovalentsete sidemetega nelja teisega, mis asuvad selle ümber võrdsel kaugusel.

Kõik süsinikuaatomid on sp 3 hübridisatsiooni olekus. Teemandi aatomkristallvõre on tetraeedrilise struktuuriga.

Teemant on värvitu, läbipaistev, suure murdumisvõimega aine. Sellel on kõigist teadaolevatest ainetest kõrgeim kõvadus. Teemant on rabe, tulekindel, juhib halvasti soojust ja elektrit. Väikesed kaugused külgnevate süsinikuaatomite vahel (0,154 nm) määravad teemandi üsna suure tiheduse (3,5 g/cm 3 ).

Grafiit

Grafiidi kristallvõres on iga süsinikuaatom sp 2 hübridisatsiooni olekus ja moodustab kolm tugevat kovalentset sidet samas kihis paiknevate süsinikuaatomitega. Nende sidemete moodustumisel osaleb iga aatomi kolm elektroni, süsinik, ning neljandad valentselektronid moodustavad n-sidemeid ja on suhteliselt vabad (liikuvad). Need määravad grafiidi elektri- ja soojusjuhtivuse.

Samas tasapinnas kõrvuti asetsevate süsinikuaatomite vahelise kovalentse sideme pikkus on 0,152 nm ja C-aatomite vaheline kaugus erinevates kihtides on 2,5 korda suurem, seega on nendevahelised sidemed nõrgad.

Grafiit on läbipaistmatu, pehme, katsudes rasvane, hallikasmusta värvi metallilise läikega aine; juhib hästi soojust ja elektrit. Grafiidi tihedus on väiksem kui teemandil ja see jaguneb kergesti õhukesteks helvesteks.

Peenkristallilise grafiidi korrastamata struktuur on amorfse süsiniku erinevate vormide struktuuri aluseks, millest olulisemad on koks, pruun- ja mustsüsi, tahm ja aktiivsüsi.

Karabiin

See süsiniku allotroopne modifikatsioon saadakse atsetüleeni katalüütilise oksüdeerimise (dehüdropolükondensatsiooni) teel. Carbyne on ahelpolümeer, millel on kaks vormi:

C=C-C=C-... ja...=C=C=C=

Karbiinil on pooljuhtomadused.

Süsiniku keemilised omadused

Tavatemperatuuril on mõlemad süsiniku modifikatsioonid (teemant ja grafiit) keemiliselt inertsed. Grafiidi peenkristallilised vormid - koks, tahm, Aktiveeritud süsinik- reaktiivsemad, kuid reeglina pärast nende eelkuumutamist kõrgele temperatuurile.

C - aktiivne redutseerija:

1. Koostoime hapnikuga

C + O 2 \u003d CO 2 + 393,5 kJ (üle O 2)

2C + O 2 \u003d 2CO + 221 kJ (O 2 puudumisega)

Söe põletamine on üks olulisemaid energiaallikaid.

2. Koostoime fluori ja väävliga.

C + 2F 2 = CF 4 süsiniktetrafluoriid

C + 2S \u003d CS 2 süsinikdisulfiid

3. Koks on üks olulisemaid tööstuses kasutatavaid redutseerijaid. Metallurgias kasutatakse seda metallide tootmiseks oksiididest, näiteks:

ZS + Fe 2 O 3 \u003d 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. Kui süsinik interakteerub leelis- ja leelismuldmetallide oksiididega, ühineb redutseeritud metall süsinikuga, moodustades karbiidi. Näiteks: 3C + CaO \u003d CaC 2 + CO kaltsiumkarbiid

5. Koksi kasutatakse ka räni saamiseks:

2C + SiO 2 \u003d Si + 2CO

6. Koksi ülejäägiga tekib ränikarbiid (karborund) SiC.

"Vegaasi" saamine (tahkekütuse gaasistamine)

Veeauru juhtimisel läbi kuuma kivisöe saadakse CO ja H2 põlev segu, mida nimetatakse vesigaasiks:

C + H 2 O \u003d CO + H 2

7. Reaktsioonid oksüdeerivate hapetega.

Aktiivsüsi või aktiivsüsi taastab kuumutamisel kontsentreeritud hapetest NO 3 - ja SO 4 2 - anioonid:

C + 4HNO 3 \u003d CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2SO 4 \u003d CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

8. Reaktsioonid sulanitraatidega leelismetallid

KNO 3 ja NaNO 3 sulades põleb purustatud kivisüsi intensiivselt, moodustades pimestava leegi:

5C + 4KNO 3 \u003d 2K 2 CO 3 + ZCO 2 + 2N 2

C - madala aktiivsusega oksüdeeriv aine:

1. Soolataoliste karbiidide moodustumine koos aktiivsed metallid.

Süsiniku mittemetalliliste omaduste oluline nõrgenemine väljendub selles, et selle oksüdeeriva ainena toime avaldub palju vähemal määral kui redutseerivad funktsioonid.

2. Ainult reaktsioonides aktiivsete metallidega lähevad süsinikuaatomid negatiivselt laetud ioonideks C -4 ja (C \u003d C) 2-, moodustades soolataolisi karbiide:

ZS + 4Al \u003d Al 4 C 3 alumiiniumkarbiid

2C + Ca \u003d CaC 2 kaltsiumkarbiid

3. Ioontüüpi karbiidid on väga ebastabiilsed ühendid, nad lagunevad kergesti hapete ja vee toimel, mis viitab negatiivselt laetud süsiniku anioonide ebastabiilsusele:

Al 4 C 3 + 12H 2 O \u003d ZSN 4 + 4Al (OH) 3

CaC 2 + 2H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2

4. Kovalentsete ühendite moodustumine metallidega

Süsiniku ja siirdemetallide segude sulamites moodustuvad karbiidid valdavalt kovalentse sidemega. Nende molekulid on muutuva koostisega ja üldiselt on ained sulamitele lähedased. Sellised karbiidid on väga vastupidavad, on keemiliselt inertsed vee, hapete, leeliste ja paljude muude reaktiivide suhtes.

5. Koostoime vesinikuga

Kõrge T ja P korral nikkelkatalüsaatori juuresolekul ühineb süsinik vesinikuga:

C + 2HH 2 → CNN 4

Reaktsioon on väga pöörduv ja sellel pole praktilist tähtsust.

Teemandi struktuur (a) ja grafiit (b)

Süsinik(ladina keeles carboneum) - C, Mendelejevi perioodilise süsteemi IV rühma keemiline element, aatomnumber 6, aatommass 12.011. Looduses esineb seda teemandi, grafiidi või fullereeni kristallidena ja muudel kujul ning on osa orgaanilisest (kivisüsi, nafta, loomsed ja taimsed organismid jne) ja mitte orgaaniline aine(lubjakivi, söögisooda ja jne). Süsinik on laialt levinud, kuid selle sisaldus maakoores on vaid 0,19%.

Süsinikku kasutatakse laialdaselt lihtsate ainete kujul. Lisaks hinnalised teemandid, mis on teemaks ehted, suur tähtsus omavad tööstuslikke teemante - lihvimis- ja lõikeriistade valmistamiseks. Süsi ja muid süsiniku amorfseid vorme kasutatakse värvide eemaldamiseks, puhastamiseks, gaaside adsorptsiooniks, tehnoloogiavaldkondades, kus on vaja arenenud pinnaga adsorbente. Karbiidid, süsiniku ühendid metallidega, aga ka boori ja räniga (näiteks Al 4 C 3, SiC, B 4 C) on väga kõvad ning neid kasutatakse abrasiivsete ja lõikeriistade valmistamiseks. Süsinik esineb terastes ja sulamites elementaarses olekus ja karbiidide kujul. Terasvalandite pinna küllastumine süsinikuga at kõrge temperatuur(tsementeerimine) suurendab oluliselt pinna kõvadust ja kulumiskindlust.

Ajaloo viide

Grafiit, teemant ja amorfne süsinik on tuntud juba antiikajast. Ammu on teada, et grafiidiga saab märgistada ka muid materjale ja juba nimetus "grafiit", mis pärineb Kreeka sõna, mis tähendab "kirjutama", pakkus välja A. Werner aastal 1789. Grafiidi ajalugu on aga segane, sageli sarnase välisega ained. füüsikalised omadused, nagu molübdeniit (molübdeensulfiid), mida peeti kunagi grafiidiks. Grafiidi muude nimetuste hulgas on tuntud "must plii", "raudkarbiid", "hõbe plii".

1779. aastal leidis K. Scheele, et grafiiti saab õhuga oksüdeerida, moodustades süsihappegaasi. Esimest korda leidsid teemandid kasutust Indias ja Brasiilias omandasid vääriskivid kaubandusliku tähtsuse 1725. aastal; hoiused sisse Lõuna-Aafrika avati 1867. aastal.

20. sajandil Peamised teemantide tootjad on Lõuna-Aafrika Vabariik, Zaire, Botswana, Namiibia, Angola, Sierra Leone, Tansaania ja Venemaa. Tehisteemante, mille tehnoloogia loodi 1970. aastal, toodetakse tööstuslikel eesmärkidel.

Omadused

Tuntud on neli süsiniku kristalset modifikatsiooni:

• grafiit,
• teemant,
• karabiin,
• lonsdaleite.

Grafiit- hallikasmust, läbipaistmatu, katsudes rasvane, ketendav, väga pehme metallilise läikega mass. Toatemperatuuril ja normaalrõhul (0,1 MN/m2 ehk 1 kgf/cm2) on grafiit termodünaamiliselt stabiilne.

Teemant- väga tahke kristalne aine. Kristallidel on kuubikujuline näokeskne võre. Toatemperatuuril ja normaalrõhul on teemant metastabiilne. Teemandi märgatavat muutumist grafiidiks täheldatakse temperatuuril üle 1400 °C vaakumis või inertses atmosfääris. Atmosfäärirõhul ja temperatuuril umbes 3700 ° C grafiit sublimeerub.

Vedelsütt on võimalik saada rõhul üle 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) ja temperatuuril üle 3700°C. Tahket süsinikku (koks, tahm, süsi) iseloomustab ka korrastamata struktuuriga olek - nn "amorfne" süsinik, mis ei ole iseseisev modifikatsioon; selle struktuur põhineb peeneteralise grafiidi struktuuril. Mõnede "amorfse" süsiniku sortide kuumutamine ilma õhuta üle 1500–1600 ° C põhjustab nende muutumise grafiidiks.

"Amorfse" süsiniku füüsikalised omadused sõltuvad väga tugevalt osakeste dispersioonist ja lisandite olemasolust. "Amorfse" süsiniku tihedus, soojusmahtuvus, soojusjuhtivus ja elektrijuhtivus on alati kõrgemad kui grafiidil.

Karabiin saadud kunstlikult. See on musta värvi peenkristalliline pulber (tihedus 1,9-2 g / cm 3). Ehitatud pikkadest aatomiahelatest Koos asetatakse üksteisega paralleelselt.

Lonsdaleite leitud meteoriitidest ja saadud kunstlikult; selle struktuur ja omadused ei ole lõplikult kindlaks tehtud.

Süsiniku omadused
aatomnumber		6
Aatommass		12,011
Isotoobid:	stabiilne	12, 13
	ebastabiilne	8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
Sulamistemperatuur		3550 °C
Keemistemperatuur		4200°С
Tihedus		1,9–2,3 g / cm3 (grafiit) 3,5–3,53 g / cm 3 (teemant)
Kõvadus (Mohs)		1-2
Maakoore sisaldus (mass)		0,19%
Oksüdatsiooniseisundid		-4; +2; +4

Sulamid

Teras

Koksi kasutatakse metallurgias redutseerijana. Süsi - sepis, püssirohu saamiseks (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), gaaside absorbeerimiseks (adsorptsioon), samuti igapäevaelus. Tahma kasutatakse kummist täiteainena, mustade värvide - trükivärvi ja -värvi valmistamiseks, samuti kuivades galvaanilistes elementides. Klaasjas süsinikku kasutatakse väga agressiivse keskkonna jaoks mõeldud seadmete tootmiseks, samuti lennunduses ja astronautikas.

Aktiivsüsi imab gaasidest ja vedelikest kahjulikke aineid: need täidavad gaasimaske, puhastussüsteeme, seda kasutatakse meditsiinis mürgistuste korral.

Süsinik on kõigi orgaaniliste ainete alus. Iga elusorganism koosneb suures osas süsinikust. Süsinik on elu alus. Elusorganismide süsinikuallikaks on tavaliselt atmosfäärist või veest pärinev CO 2. Fotosünteesi tulemusena satub see bioloogilisse toiduahelad, milles elusolendid söövad üksteist või üksteise jäänuseid ja eraldavad seeläbi süsinikku oma keha ehitamiseks. bioloogiline tsükkel süsinik oksüdeerub ja lastakse uuesti atmosfääri või maetakse söe või õlina.

Radioaktiivse isotoobi 14 C kasutamine aitas kaasa molekulaarbioloogia edule valkude biosünteesi ja ülekande mehhanismide uurimisel pärilikku teavet. Süsiniku sisaldavates orgaanilistes jäänustes 14 C eriaktiivsuse määramine võimaldab hinnata nende vanust, mida kasutatakse paleontoloogias ja arheoloogias.

Allikad

Keemilised elemendid ja materjalid
Keemilised elemendid	Lämmastik. Argoon. Vesinik. Heelium. Raud . Kaltsium. Hapnik. Räni. Magneesium. Mangaan.

Orgaanilist elu Maal esindavad süsinikuühendid. Element on osa põhikomponentidest rakustruktuurid: valgud, süsivesikud ja rasvad ning moodustab ka pärilikkuse aine - desoksüribonukleiinhappe aluse. Anorgaanilises looduses on süsinik üks levinumaid moodustuvaid elemente maapõue ja planeedi atmosfäär. Orgaaniline keemia keemiateaduse osana on täielikult pühendatud keemilise elemendi süsiniku ja selle ühendite omadustele. Meie artiklis käsitletakse süsiniku füüsikalis-keemilisi omadusi ja selle omaduste omadusi.

Elemendi koht Mendelejevi perioodilises süsteemis

Süsiniku alarühm on IV rühma põhialarühm, kuhu lisaks süsinikule kuuluvad ka räni, germaanium, tina ja plii. Kõigil loetletud elementidel on ühesugune välise energiataseme struktuur, millel paiknevad neli elektroni. See määrab nende keemiliste omaduste sarnasuse. Normaalses olekus on alarühma elemendid kahevalentsed ja kui nende aatomid lähevad ergastatud olekusse, on nende valents võrdne 4-ga. Keemilised omadused süsinik sõltub selle aatomi elektronkihtide olekust. Seega reaktsioonis hapnikuga moodustab element, mille osakesed on ergastamata olekus, ükskõikse oksiidi CO. Ergastatud olekus süsinikuaatomid oksüdeeritakse süsinikdioksiidiks, millel on happelised omadused.

Süsiniku vormid looduses

Teemant, grafiit ja karabiin on süsiniku kui lihtsa aine kolm allotroopset modifikatsiooni. Selged kristallid koos kõrge kraad valguskiirte murdumine, mis on looduses kõige kõvemad ühendid – need on teemandid. Need on halvad soojusjuhid ja dielektrikud. Kristallvõre on aatomiline, väga tugev. Selles on elemendi iga aatomit ümbritsetud nelja teise osakesega, moodustades korrapärase tetraeedri.

Süsinikku moodustava grafiidi täiesti erinevad füüsikalis-keemilised omadused. See on katsudes rasvane tumehalli värvi kristalne aine. Sellel on kihiline struktuur, aatomite kihtide vahelised kaugused on üsna suured, samas kui nende külgetõmbejõud on nõrgad. Seetõttu kihistub aine grafiitvardale vajutades õhukesteks helvesteks. Nad jätavad paberile tumeda jälje. Grafiit on soojusjuhtiv ja elektrijuhtivuse poolest veidi halvem kui metallid.

Elektrivoolu juhtimise võimet seletatakse aine kristalli struktuuriga. Selles seotakse süsinikuosakesed tugevate kovalentsete sidemete abil kolme teisega. keemilised sidemed. Iga aatomi neljas valentselektron jääb vabaks ja on võimeline liikuma aine paksuses. Negatiivse laenguga osakeste suunatud liikumine ja põhjustab välimust elektrivool. Grafiidi kasutusvaldkonnad on mitmekesised. Seega kasutatakse seda elektroodide valmistamiseks elektrotehnikas ja elektrolüüsiprotsessis, millega saadakse näiteks puhtaid leelismetalle. Grafiit on leidnud rakendust tuumareaktorites, et kontrollida neis toimuvate ahelreaktsioonide kiirust neutronite moderaatorina. On teada, et ainet kasutatakse kiltkivivarrastena või määrdeainetena mehhanismide hõõrduvates osades.

Mis on karbiin?

Klaasja läikega must kristalne pulber on karabiin. See sünteesiti 20. sajandi keskel Venemaal. Aine ületab kõvaduse poolest grafiiti, on keemiliselt passiivne, omab pooljuhi omadusi ja on süsiniku kõige stabiilsem modifikatsioon. Ühendus on tugevam kui grafiit. On ka selliseid süsiniku vorme, mille keemilised omadused erinevad üksteisest. Need on tahm, süsi ja koks.

Erinevad omadused süsiniku allotroopsed modifikatsioonid on seletatavad nende kristallvõre struktuuriga. See on tulekindel aine, värvitu ja lõhnatu. AT orgaanilised lahustid lahustumatud, kuid on võimelised moodustama tahkeid lahuseid - sulameid, näiteks rauaga.

Süsiniku keemilised omadused

Olenevalt ainest, millega süsinik reageerib, võib sellel olla kaks omadust: nii redutseeriv kui oksüdeeriv aine. Näiteks koksi sulatamisel metallidega saadakse nende ühendid – karbiidid. Reaktsioonis vesinikuga tekivad süsivesinikud. Need on orgaanilised ühendid, näiteks metaan, etüleen, atsetüleen, milles nagu metallide puhul on süsiniku oksüdatsiooniaste -4. Taastumine keemilised reaktsioonid süsinik, mille omadusi me uurime, avaldub selle koostoimes hapniku, halogeenide, vee ja aluseliste oksiididega.

Süsiniku oksiidid

Põletades kivisütt madala hapnikusisaldusega õhus, vingugaas- kahevalentse süsiniku oksiid. See on värvitu, lõhnatu ja väga mürgine. Hingamise ajal koos vere hemoglobiiniga jaotub süsinikmonooksiid kogu ulatuses Inimkeha, põhjustades mürgistuse ja seejärel surma lämbumise tõttu. Klassifikatsioonis asendab aine ükskõikseid oksiide, ei reageeri veega ning sellele ei vasta alus ega hape. 4 valentsiga süsiniku keemilised omadused erinevad eelnevalt käsitletud omadustest.

Süsinikdioksiid

Värvitu gaasiline aine läheb temperatuuril 15 °C ja rõhul ühe atmosfääriga tahkeks faasiks. Seda nimetatakse kuivaks jääks. CO 2 molekulid on mittepolaarsed, kuigi kovalentne side hapniku ja süsinikuaatomite vahel on polaarne. Ühend kuulub happeliste oksiidide hulka. Veega suheldes moodustab see süsihapet. Tuntud on süsinikdioksiidi ja lihtainete reaktsioonid: metallid ja mittemetallid, näiteks magneesiumi, kaltsiumi või koksiga. Nendes mängib see oksüdeeriva aine rolli.

Kvalitatiivne reaktsioon süsinikdioksiidile

Veendumaks, et uuritav gaas on tõesti süsinikmonooksiid CO 2, tehakse anorgaanilises keemias järgmine katse: aine lastakse läbi läbipaistva lubjavee lahuse. Valge kaltsiumkarbonaadi sademe sadestumisest tingitud lahuse hägususe jälgimine kinnitab süsihappegaasi molekulide olemasolu reaktiivi segus. Gaasi edasisel läbimisel läbi kaltsiumhüdroksiidi lahuse lahustub CaCO 3 sade, kuna see muutub kaltsiumvesinikkarbonaadiks, vees lahustuvaks soolaks.

Süsiniku roll kõrgahjuprotsessis

Süsiniku keemilisi omadusi kasutatakse tööstuslik tootmine raud selle maakidest: magnetiline, punane või pruun rauamaak. Peamised neist on süsiniku ja oksiidide – süsinikmonooksiidi ja süsinikdioksiidi – redutseerivad omadused. Kõrgahjus toimuvaid protsesse võib kujutada järgmise reaktsioonide jadana:

• Esiteks põleb koks temperatuurini 1850 °C kuumutatud õhuvoolus süsihappegaasi moodustumisega: C + O 2 = CO 2.
• Läbides kuuma süsiniku, redutseeritakse see süsinikmonooksiidiks: CO 2 + C = 2CO.
• Süsinikoksiid reageerib rauamaagiga, mille tulemuseks on raudoksiid: 3Fe 2 O 3 + CO \u003d 2Fe 3 O 4 + CO 2, Fe 3 O 4 + CO \u003d 3FeO + CO 2.
• Raua tootmise reaktsioon on järgmisel kujul: FeO + CO \u003d Fe + CO 2

Sularaud lahustab endas süsiniku ja vingugaasi segu, mille tulemusena tekib aine – tsementiit.

Kõrgahjus sulatatud malm sisaldab lisaks rauale kuni 4,5% süsinikku ja muid lisandeid: mangaani, fosforit, väävlit. Teras, mis erineb malmist mitmel viisil, näiteks valtsimis- ja sepistamisvõime poolest, sisaldab süsinikku ainult 0,3–1,7%. Leitud terastooted lai rakendus peaaegu kõigis tööstusharudes: masinaehitus, metallurgia, meditsiin.

Oma artiklis saime teada, millistes süsiniku ja selle ühendite keemilistes omadustes kasutatakse erinevaid valdkondi inimtegevus.

Selles raamatus esineb sõna "süsinik" üsna sageli: lugudes rohelisest lehest ja rauast, plastist ja kristallidest ning paljudes teistes lugudes. Süsinik - "kandev kivisüsi" - üks hämmastavamaid keemilised elemendid. Selle ajalugu on elu tekkimise ja arengu ajalugu Maal, sest see on osa kogu elust Maal.

Kuidas süsinik välja näeb?

Teeme mõned katsed. Võtke suhkur ja soojendage seda ilma õhuta. Esmalt sulab, muutub pruuniks ja seejärel muutub mustaks ja muutub kivisöeks, vabastades vett. Kui nüüd seda kivisütt kuumutada juuresolekul, põleb see jäägitult ja muutub . Niisiis, suhkur koosnes kivisöest ja veest (suhkrut, muide, nimetatakse süsivesikuteks) ja "suhkru" kivisöest - see on ilmselt puhas süsinik sest süsihappegaas on süsiniku ja hapniku kombinatsioon. Nii et süsinik on must, pehme pulber.

Võtame halli pehme grafiitkivi, mis on teile hästi tuntud tänu pliiatsitele. Kui seda kuumutada hapnikus, põleb see samuti jääkideta, kuigi veidi aeglasemalt kui kivisüsi, ja süsihappegaas jääb seadmesse, kus see põles. Nii et grafiit on ka puhas süsinik? Muidugi, aga see pole veel kõik.

Kui teemanti kuumutatakse samas aparaadis hapnikus, tekib läbipaistev sädelev kalliskivi, mis on kõigist mineraalidest kõige kõvem, põleb see ka süsinikdioksiidiks. Kui soojendate teemanti ilma hapniku juurdepääsuta, muutub see grafiidiks ja väga kiiresti kõrged rõhud ja temperatuuridel on võimalik saada teemanti grafiidist.

Nii on kivisüsi, grafiit ja teemant erinevaid vormeühe ja sama elemendi – süsiniku – olemasolu.

Veelgi üllatavam on süsiniku võime "osa võtta" tohutul hulgal erinevatest ühenditest (sellepärast esineb selles raamatus sõna "süsinik" nii sageli).

Perioodilise süsteemi 104 elementi moodustavad enam kui neljakümne tuhande uuritud ühendi. Ja juba on teada üle miljoni ühendi, mille aluseks on süsinik!

Selle mitmekesisuse põhjuseks on see, et süsinikuaatomid võivad ühineda nii omavahel kui ka teiste aatomitega. tugev side, moodustades kompleksi kettide, rõngaste ja muude kujunditena. Ükski tabelis olev element peale süsiniku pole selleks võimeline.

Süsinikuaatomitest saab ehitada lõpmatu arv figuure ja seega ka lõpmatu arv võimalikke ühendeid. See võib olla väga lihtsad ained, näiteks valgustusgaas metaan, mille molekulis on neli aatomit seotud ühe süsinikuaatomiga ja mis on nii keerukad, et nende molekulide struktuur pole veel kindlaks tehtud. Selliste ainete hulka kuuluvad

Süsinik (C) on tüüpiline mittemetall; sisse perioodiline süsteem on IV rühma, põhialagrupi 2. perioodil. Järjearv 6, Ar = 12,011 amu, tuumalaeng +6.

Füüsikalised omadused: süsinik moodustab palju allotroopseid modifikatsioone: teemantüks kõvemaid aineid grafiit, kivisüsi, tahm.

Süsinikuaatomil on 6 elektroni: 1s 2 2s 2 2p 2 . Viimased kaks elektroni asuvad eraldi p-orbitaalidel ja on paarita. Põhimõtteliselt võiks see paar hõivata ühe orbitaali, kuid sel juhul suureneb elektronidevaheline tõukejõud tugevalt. Sel põhjusel võtab üks neist 2p x ja teine ​​kas 2p x , või 2p z-orbitaalid.

Väliskihi s- ja p-alatasandite energiate erinevus on väike, seetõttu läheb aatom üsna kergesti ergastatud olekusse, kus üks kahest 2s-orbitaali elektronist läheb üle vabaks. 2r. Valentsseisund tekib konfiguratsiooniga 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Just see süsinikuaatomi olek on iseloomulik teemantvõrele - tetraeedrile ruumiline paigutus hübriidorbitaalid, sama pikkus ja sideme energia.

Seda nähtust nimetatakse teatavasti sp 3 -hübridisatsioon, ja saadud funktsioonid on sp 3 -hübriid . Nelja sp 3 sideme moodustumine annab süsinikuaatomile stabiilsema oleku kui kolm rr- ja üks s-s-side. Lisaks sp 3 hübridisatsioonile täheldatakse sp 2 ja sp hübridisatsiooni ka süsinikuaatomi juures . Esimesel juhul toimub vastastikune kattumine s- ja kaks p-orbitaali. Moodustub kolm ekvivalentset sp 2 - hübriidorbitaali, mis asuvad samal tasapinnal üksteise suhtes 120 ° nurga all. Kolmas orbitaal p on muutumatu ja on suunatud tasapinnaga risti sp2.

Sp-hübridisatsiooni korral s- ja p-orbitaalid kattuvad. Kahe moodustunud samaväärse hübriidorbitaali vahele tekib 180° nurk, samas kui kummagi aatomi kaks p-orbitaali jäävad muutumatuks.

Süsiniku allotroopia. teemant ja grafiit

Grafiidikristallides paiknevad süsinikuaatomid paralleelsetes tasandites, hõivates neis korrapäraste kuusnurkade tipud. Iga süsinikuaatom on seotud kolme külgneva sp2 hübriidsidemega. Paralleelsete tasandite vahel toimub ühendus van der Waalsi jõudude mõjul. Iga aatomi vabad p-orbitaalid on suunatud kovalentsete sidemete tasanditega risti. Nende kattumine selgitab täiendavat π-sidet süsinikuaatomite vahel. Nii et alates valentsseisund, milles süsinikuaatomid on aines, sõltuvad selle aine omadused.

Süsiniku keemilised omadused

Kõige iseloomulikumad oksüdatsiooniastmed: +4, +2.

Kell madalad temperatuurid süsinik on inertne, kuid kuumutamisel selle aktiivsus suureneb.

Süsinik kui redutseerija:

- hapnikuga
C 0 + O 2 - t ° \u003d CO 2 süsinikdioksiid
hapnikupuudusega - mittetäielik põlemine:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O süsinikmonooksiid

- fluoriga
C + 2F 2 = CF 4

- auruga
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 vesigaas

— metallioksiididega. Sel viisil sulatatakse maagist metall.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2

- hapetega - oksüdeerivad ained:
C 0 + 2H 2 SO 4 (konts.) \u003d C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (konts.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- moodustab väävliga süsinikdisulfiidi:
C + 2S 2 \u003d CS 2.

Süsinik oksüdeeriva ainena:

- moodustab mõnede metallidega karbiide

4Al + 3C 0 \u003d Al 4 C 3

Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4

- vesinikuga - metaaniga (nagu ka tohutul hulgal orgaanilisi ühendeid)

C 0 + 2H 2 \u003d CH 4

- räniga moodustab karborundi (2000 ° C juures elektriahjus):

Süsiniku leidmine loodusest

Vaba süsinik esineb teemantide ja grafiitidena. Ühendite kujul leidub süsinikku mineraalides: kriit, marmor, lubjakivi - CaCO 3, dolomiit - MgCO 3 *CaCO 3; bikarbonaadid - Mg (HCO 3) 2 ja Ca (HCO 3) 2, CO 2 on osa õhust; süsinik on peamine lahutamatu osa looduslikud orgaanilised ühendid - gaas, nafta, kivisüsi, turvas, on osa elusorganismide orgaanilistest ainetest, valkudest, rasvadest, süsivesikutest, aminohapetest.

Anorgaanilised süsinikuühendid

Ei C 4+ ioonid ega C 4- ei ole ühegi normi all keemilised protsessid ei teki: süsinikuühendites on erineva polaarsusega kovalentseid sidemeid.

Süsinikoksiid (II) NII

Vingugaas; värvitu, lõhnatu, vees halvasti lahustuv, orgaanilistes lahustites lahustuv, mürgine, bp = -192°C; t sq. = -205 °C.

Kviitung
1) Tööstuses (gaasigeneraatorites):
C + O 2 = CO 2

2) Laboris - sipelg- või oksaalhappe termiline lagundamine H 2 SO 4 (konts.) juuresolekul:
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 \u003d CO + CO 2 + H 2 O

Keemilised omadused

Kell normaalsetes tingimustes CO on inertne; kuumutamisel - redutseerija; mittesoola moodustav oksiid.

1) hapnikuga

2C +2 O + O 2 \u003d 2C +4 O 2

2) metalloksiididega

C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O 2

3) klooriga (valguses)

CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (fosgeen)

4) reageerib leelissulamitega (rõhu all)

CO + NaOH = HCOONa (naatriumformiaat)

5) moodustab siirdemetallidega karbonüüle

Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5

Süsinikmonooksiid (IV) CO2

Süsinikdioksiid, värvitu, lõhnatu, lahustuv vees - 0,9 V CO 2 lahustub 1 V H 2 O-s (at normaalsetes tingimustes); õhust raskem; t°pl.= -78,5°C (tahket CO 2 nimetatakse "kuivaks jääks"); ei toeta põlemist.

Kviitung

1. Süsihappe soolade (karbonaatide) termiline lagunemine. Paekivi põletamine:

CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2

1. Tugevate hapete toime karbonaatidele ja vesinikkarbonaatidele:

CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2

KeemilineomadusedCO2
Happeoksiid: reageerib aluseliste oksiidide ja alustega, moodustades süsihappesooli

Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 \u003d NaHCO 3

Kell kõrgendatud temperatuur võib avaldada oksüdeerivaid omadusi

C +4 O 2 + 2Mg - t ° \u003d 2Mg +2 O + C 0

Kvalitatiivne reaktsioon

Lubjavee hägusus:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯( valge sade) + H2O

See kaob, kui CO 2 lastakse pikema aja jooksul läbi lubjavee, sest. lahustumatu kaltsiumkarbonaat muudetakse lahustuvaks vesinikkarbonaadiks:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2

süsihape ja sellesoola

H2CO3 — Nõrk hape, esineb ainult vesilahuses:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Kahekordne alus:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Happesoolad - vesinikkarbonaadid, vesinikkarbonaadid
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Keskmise soolad - karbonaadid

Iseloomulikud on kõik hapete omadused.

Karbonaate ja vesinikkarbonaate saab muuta üksteiseks:

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

Metallkarbonaadid (va leelismetallid) dekarboksüleerivad kuumutamisel oksiidiks:

CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2

Kvalitatiivne reaktsioon- "keetmine" tugeva happe toimel:

Na 2 CO 3 + 2HCl \u003d 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

Karbiidid

kaltsiumkarbiid:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

Atsetüleen vabaneb tsingi, kaadmiumi, lantaani ja tseeriumkarbiidide reageerimisel veega:

2 LaC2 + 6 H2O \u003d 2La (OH) 3 + 2 C 2 H2 + H 2.

Be 2 C ja Al 4 C 3 lagunevad vee toimel, moodustades metaani:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O \u003d 4 Al (OH) 3 \u003d 3 CH 4.

Tehnoloogias kasutatakse titaankarbiide TiC, volfram W 2 C (kõvad sulamid), räni SiC (karborund - abrasiivina ja küttekehade materjalina).

tsüaniidid

saadakse sooda kuumutamisel ammoniaagi ja süsinikmonooksiidi atmosfääris:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Vesiniktsüaniidhape HCN on oluline keemiatööstuse toode, mida kasutatakse laialdaselt orgaanilises sünteesis. Selle maailmatoodang ulatub 200 tuhande tonnini aastas. Tsüaniidianiooni elektrooniline struktuur on sarnane süsinikmonooksiidiga (II), selliseid osakesi nimetatakse isoelektroonilisteks:

C = O:[:C = N:]-

Tsüaniidid (0,1-0,2% vesilahus) kasutatakse kullakaevanduses:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 \u003d 2 K + 2 KOH.

Kui tsüaniidilahuseid keedetakse väävliga või kui tahked ained sulatatakse, tiotsüanaadid:
KCN + S = KSCN.

Kui madala aktiivsusega metallide tsüaniide kuumutatakse, saadakse tsüaniid: Hg (CN) 2 \u003d Hg + (CN) 2. tsüaniidi lahused oksüdeeritakse tsüanaadid:

2KCN + O2 = 2KOCN.

Tsüaanhape esineb kahes vormis:

H-N=C=O; H-O-C = N:

1828. aastal sai Friedrich Wöhler (1800-1882) ammooniumtsüanaadist karbamiidi: NH 4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 vesilahuse aurustamisega.

Seda sündmust peetakse tavaliselt sünteetilise keemia võiduks "vitalistliku teooria" üle.

Seal on tsüaanhappe isomeer - fulmiinhape

H-O-N=C.
Selle sooli (elavhõbeda fulminaat Hg(ONC) 2) kasutatakse löögisüütajates.

Süntees uurea(karbamiid):

CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O. Temperatuuril 130 0 C ja 100 atm.

Karbamiid on süsihappe amiid, seal on ka selle "lämmastiku analoog" - guanidiin.

Karbonaadid

Kõige olulisemad süsiniku anorgaanilised ühendid on süsihappe soolad (karbonaadid). H 2 CO 3 on nõrk hape (K 1 \u003d 1,3 10 -4; K 2 \u003d 5 10 -11). Karbonaatpuhvri toed süsinikdioksiidi tasakaal atmosfääris. Ookeanidel on tohutu puhvermaht, kuna need on avatud süsteem. Peamine puhverreaktsioon on tasakaal süsihappe dissotsiatsiooni ajal:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

Happesuse vähenemisega toimub süsinikdioksiidi täiendav neeldumine atmosfäärist koos happe moodustumisega:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

Happesuse suurenemisega lahustuvad karbonaatkivimid (ookeani kestad, kriit ja lubjakivi ladestused); see kompenseerib süsivesinike ioonide kadu:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (tv.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Tahked karbonaadid muudetakse lahustuvateks süsivesinikeks. Just see liigse süsinikdioksiidi keemilise lahustamise protsess neutraliseerib "kasvuhooneefekti" - Globaalne soojenemine Maa soojuskiirguse neeldumise tõttu süsihappegaasi poolt. Klaasi valmistamisel kasutatakse ligikaudu kolmandik maailma sooda (naatriumkarbonaat Na 2 CO 3) toodangust.