Na forma de quais compostos o carbono pode ser formado? Carbono - características do elemento e propriedades químicas

Características do elemento

6 C 1s 2 2s 2 2p 2

Isótopos: 12 C (98,892%); 13 C (1,108%); 14 C (radioativo)

Clarke na crosta terrestre tem 0,48% em massa. Formas de localização:

na forma livre (carvão, diamantes);

na composição de carbonatos (CaCO 3, MgCO 3, etc.);

como parte dos combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás);

na forma de CO 2 - na atmosfera (0,03% em volume);

no Oceano Mundial - na forma de HCO 3 - ânions;

na composição da matéria viva (-18% carbono).

A química dos compostos de carbono é principalmente química orgânica. As seguintes substâncias contendo C são estudadas no curso de química inorgânica: carbono livre, óxidos (CO e CO 2), ácido carbônico, carbonatos e bicarbonatos.

Carbono livre. Alotropia.

No estado livre, o carbono forma 3 modificações alotrópicas: diamante, grafite e carbino produzido artificialmente. Essas modificações do carbono diferem na estrutura química do cristal e nas características físicas.

Diamante

Num cristal de diamante, cada átomo de carbono está conectado por fortes ligações covalentes a quatro outros colocados ao seu redor a distâncias iguais.

Todos os átomos de carbono estão em estado de hibridização sp 3. A estrutura cristalina atômica do diamante tem uma estrutura tetraédrica.

O diamante é uma substância incolor, transparente e altamente refratária. Possui a maior dureza entre todas as substâncias conhecidas. O diamante é quebradiço, refratário e não conduz bem calor ou eletricidade. As pequenas distâncias entre os átomos de carbono vizinhos (0,154 nm) determinam a densidade bastante elevada do diamante (3,5 g/cm3).

Grafite

Na rede cristalina do grafite, cada átomo de carbono está em estado de hibridização sp 2 e forma três fortes ligações covalentes com átomos de carbono localizados na mesma camada. Três elétrons de cada átomo de carbono participam da formação dessas ligações, e os quartos elétrons de valência formam n-ligações e são relativamente livres (móveis). Eles determinam a condutividade elétrica e térmica do grafite.

O comprimento da ligação covalente entre átomos de carbono vizinhos no mesmo plano é de 0,152 nm, e a distância entre os átomos de C em diferentes camadas é 2,5 vezes maior, portanto as ligações entre eles são fracas.

A grafite é uma substância opaca, macia, gordurosa ao toque, de cor cinza-preta com brilho metálico; conduz bem calor e eletricidade. A grafite tem uma densidade mais baixa em comparação com o diamante e divide-se facilmente em flocos finos.

A estrutura desordenada da grafite cristalina fina está subjacente à estrutura de várias formas de carbono amorfo, das quais as mais importantes são coque, carvões marrons e pretos, fuligem e carvão ativado.

Carabina

Esta modificação alotrópica do carbono é obtida pela oxidação catalítica (desidropolicondensação) do acetileno. Carbyne é um polímero de cadeia que vem em duas formas:

С=С-С=С-... e...=С=С=С=

Carbyne tem propriedades semicondutoras.

Propriedades químicas do carbono

Em temperaturas normais, ambas as modificações do carbono (diamante e grafite) são quimicamente inertes. As formas cristalinas finas de grafite - coque, fuligem, carvão ativado - são mais reativas, mas, via de regra, após serem pré-aquecidas a alta temperatura.

C - agente redutor ativo:

1. Interação com oxigênio

C + O 2 = CO 2 + 393,5 kJ (em excesso de O 2)

2C + O 2 = 2CO + 221 kJ (com falta de O 2)

A combustão do carvão é uma das fontes de energia mais importantes.

2. Interação com flúor e enxofre.

C + 2F 2 = CF 4 tetrafluoreto de carbono

C + 2S = dissulfeto de carbono CS 2

3. O coque é um dos agentes redutores mais importantes utilizados na indústria. Na metalurgia, é utilizado para obter metais a partir de óxidos, por exemplo:

ZS + Fe 2 O 3 = 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. Quando o carbono interage com óxidos de metais alcalinos e alcalino-terrosos, o metal reduzido combina-se com o carbono para formar um carboneto. Por exemplo: 3S + CaO = CaC 2 + CO carboneto de cálcio

5. O coque também é usado para produzir silício:

2C + SiO 2 = Si + 2СО

6. Se houver excesso de coque, forma-se carboneto de silício (carborundum) SiC.

Produção de “gás de água” (gaseificação de combustível sólido)

Ao passar o vapor de água pelo carvão quente, obtém-se uma mistura inflamável de CO e H 2, chamada gás de água:

C + H 2 O = CO + H 2

7. Reações com ácidos oxidantes.

Quando aquecido, o carvão ativado ou carvão reduz os ânions NO 3 - e SO 4 2- dos ácidos concentrados:

C + 4HNO 3 = CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O

8. Reações com nitratos de metais alcalinos fundidos

Nos derretimentos de KNO 3 e NaNO 3, o carvão triturado queima intensamente com a formação de uma chama deslumbrante:

5C + 4KNO 3 = 2K 2 CO 3 + ZCO 2 + 2N 2

C - agente oxidante pouco ativo:

1. Formação de carbonetos semelhantes a sal com metais ativos.

Um enfraquecimento significativo das propriedades não metálicas do carbono é expresso no fato de que suas funções como agente oxidante se manifestam em muito menor grau do que suas funções redutoras.

2. Somente em reações com metais ativos os átomos de carbono se transformam em íons carregados negativamente C -4 e (C=C) 2-, formando carbonetos semelhantes a sal:

ZS + 4Al = Al 4 C 3 carboneto de alumínio

2C + Ca = CaC 2 carboneto de cálcio

3. Os carbonetos iônicos são compostos muito instáveis, decompõem-se facilmente sob a ação de ácidos e água, o que indica a instabilidade dos ânions de carbono com carga negativa:

Al4C3 + 12H2O = ZSN4 + 4Al(OH)3

CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2

4. Formação de compostos covalentes com metais

Em fundidos de misturas de carbono com metais de transição, os carbonetos são formados predominantemente com um tipo de ligação covalente. Suas moléculas têm composição variável e as substâncias como um todo se aproximam das ligas. Tais carbonetos são altamente estáveis, são quimicamente inertes em relação à água, ácidos, álcalis e muitos outros reagentes.

5. Interação com hidrogênio

Em T e P elevados, na presença de um catalisador de níquel, o carbono combina-se com o hidrogênio:

C + 2НН 2 → СНН 4

A reação é altamente reversível e não tem significado prático.

O carbono (C) é o sexto elemento da tabela periódica com peso atômico 12. O elemento é um não metal e possui um isótopo de 14 C. A estrutura do átomo de carbono é a base de toda química orgânica, uma vez que todas as substâncias orgânicas incluem moléculas de carbono .

átomo de carbono

A posição do carbono na tabela periódica de Mendeleev:

• sexto número de série;
• quarto grupo;
• segundo período.

Arroz. 1. Posição do carbono na tabela periódica.

Com base nos dados da tabela, podemos concluir que a estrutura do átomo do elemento carbono inclui duas camadas nas quais estão localizados seis elétrons. A valência do carbono incluído nas substâncias orgânicas é constante e igual a IV. Isso significa que o nível eletrônico externo possui quatro elétrons e o nível interno possui dois.

Dos quatro elétrons, dois ocupam um orbital 2s esférico e os dois restantes ocupam um orbital haltere 2p. Num estado excitado, um elétron do orbital 2s vai para um dos orbitais 2p. Quando um elétron se move de um orbital para outro, há gasto de energia.

Assim, um átomo de carbono excitado possui quatro elétrons desemparelhados. Sua configuração pode ser expressa pela fórmula 2s 1 2p 3. Isto torna possível formar quatro ligações covalentes com outros elementos. Por exemplo, numa molécula de metano (CH4), o carbono forma ligações com quatro átomos de hidrogénio - uma ligação entre os orbitais s do hidrogénio e do carbono e três ligações entre os orbitais p do carbono e os orbitais s do hidrogénio.

A estrutura do átomo de carbono pode ser representada como +6C) 2) 4 ou 1s 2 2s 2 2p 2.

Arroz. 2. Estrutura do átomo de carbono.

Propriedades físicas

O carbono ocorre naturalmente na forma de rochas. Várias modificações alotrópicas do carbono são conhecidas:

• grafite;
• diamante;
• carabina;
• carvão;
• fuligem.

Todas essas substâncias diferem na estrutura de sua rede cristalina. A substância mais dura, o diamante, tem a forma cúbica do carbono. Em altas temperaturas, o diamante se transforma em grafite com estrutura hexagonal.

Arroz. 3. Redes cristalinas de grafite e diamante.

Propriedades quimicas

A estrutura atômica do carbono e sua capacidade de anexar quatro átomos de outra substância determinam as propriedades químicas do elemento. O carbono reage com metais para formar carbonetos:

• Ca + 2C → CaC 2;
• Cr + C → CrC;
• 3Fe + C → Fe 3 C.

Também reage com óxidos metálicos:

• 2ZnO + C → 2Zn + CO 2 ;
• PbO + C → Pb + CO;
• SnO 2 + 2C → Sn + 2CO.

Em altas temperaturas, o carbono reage com não metais, em particular com hidrogênio, formando hidrocarbonetos:

C + 2H 2 → CH 4.

Com o oxigênio, o carbono forma dióxido de carbono e monóxido de carbono:

• C + O 2 → CO 2;
• 2C + O 2 → 2СО.

O monóxido de carbono também é formado quando interage com a água.

Propriedades físicas: o carbono forma muitas modificações alotrópicas: diamante- uma das substâncias mais duras grafite, carvão, fuligem.

Um átomo de carbono tem 6 elétrons: 1s 2 2s 2 2p 2 . Os dois últimos elétrons estão localizados em orbitais p separados e não estão emparelhados. Em princípio, este par poderia ocupar o mesmo orbital, mas neste caso a repulsão interelétron aumenta muito. Por esta razão, um deles leva 2p x, e o outro, 2p y , ou orbitais 2p z.

A diferença na energia dos subníveis s e p da camada externa é pequena, de modo que o átomo entra facilmente em um estado excitado, no qual um dos dois elétrons do orbital 2s passa para um livre. 2 esfregar. Um estado de valência aparece com a configuração 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . É este estado do átomo de carbono que é característico da rede do diamante - arranjo espacial tetraédrico de orbitais híbridos, comprimento e energia de ligações idênticos.

Este fenômeno é conhecido por ser chamado sp 3 -hibridização, e as funções emergentes são sp 3 -híbridas . A formação de quatro ligações sp 3 fornece ao átomo de carbono um estado mais estável do que três r-r- e uma conexão s-s. Além da hibridização sp 3, a hibridização sp 2 e sp também é observada no átomo de carbono . No primeiro caso, ocorre sobreposição mútua e- e dois orbitais p. São formados três orbitais híbridos sp 2 equivalentes, localizados no mesmo plano em um ângulo de 120° entre si. O terceiro orbital p permanece inalterado e direcionado perpendicularmente ao plano sp2.

Durante a hibridização sp, os orbitais s e p se sobrepõem. Um ângulo de 180° surge entre os dois orbitais híbridos equivalentes que são formados, enquanto os dois orbitais p de cada átomo permanecem inalterados.

Alotropia do carbono. Diamante e grafite

Em um cristal de grafite, os átomos de carbono estão localizados em planos paralelos, ocupando os vértices de hexágonos regulares. Cada átomo de carbono está conectado a três ligações híbridas sp 2 vizinhas. A ligação entre planos paralelos é realizada devido às forças de van der Waals. Os orbitais p livres de cada átomo são direcionados perpendicularmente aos planos das ligações covalentes. A sua sobreposição explica a ligação π adicional entre os átomos de carbono. Assim, a partir o estado de valência em que os átomos de carbono de uma substância estão localizados determina as propriedades desta substância.

Propriedades químicas do carbono

Os estados de oxidação mais característicos são: +4, +2.

Em baixas temperaturas o carbono é inerte, mas quando aquecido sua atividade aumenta.

Carbono como agente redutor:

- com oxigênio
C 0 + O 2 – t° = CO 2 dióxido de carbono
com falta de oxigênio - combustão incompleta:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O monóxido de carbono

- com flúor
C + 2F 2 = CF 4

- com vapor de água
C 0 + H 2 O – 1200° = C +2 O + H 2 água gás

- com óxidos metálicos. É assim que o metal é fundido a partir do minério.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2

- com ácidos - agentes oxidantes:
C 0 + 2H 2 SO 4 (conc.) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (conc.) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- forma dissulfeto de carbono com enxofre:
C + 2S 2 = CS 2.

Carbono como agente oxidante:

- forma carbonetos com alguns metais

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- com hidrogênio - metano (bem como uma grande quantidade de compostos orgânicos)

C0 + 2H2 = CH4

— com o silício, forma carborundo (a 2000 °C em forno elétrico):

Encontrando carbono na natureza

O carbono livre ocorre na forma de diamante e grafite. Na forma de compostos, o carbono é encontrado em minerais: giz, mármore, calcário - CaCO 3, dolomita - MgCO 3 *CaCO 3; hidrocarbonatos - Mg(HCO 3) 2 e Ca(HCO 3) 2, CO 2 faz parte do ar; O carbono é o principal componente dos compostos orgânicos naturais - gás, petróleo, carvão, turfa, e faz parte de substâncias orgânicas, proteínas, gorduras, carboidratos, aminoácidos que constituem os organismos vivos.

Compostos inorgânicos de carbono

Nem os íons C 4+ nem C 4- são formados durante quaisquer processos químicos convencionais: os compostos de carbono contêm ligações covalentes de polaridades diferentes.

Monóxido de carbono CO

Monóxido de carbono; incolor, inodoro, pouco solúvel em água, solúvel em solventes orgânicos, tóxico, ponto de ebulição = -192°C; tpl. = -205ºC.

Recibo
1) Na indústria (em geradores de gás):
C + O 2 = CO 2

2) Em laboratório - decomposição térmica de ácido fórmico ou oxálico na presença de H 2 SO 4 (conc.):
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O

Propriedades quimicas

Em condições normais, o CO é inerte; quando aquecido - um agente redutor; óxido não formador de sal.

1) com oxigênio

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) com óxidos metálicos

C +2 O + CuO = Cu + C +4 O 2

3) com cloro (na luz)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (fosgênio)

4) reage com derretimentos alcalinos (sob pressão)

CO + NaOH = HCOONa (formato de sódio)

5) forma carbonilas com metais de transição

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Monóxido de carbono (IV) CO2

Dióxido de carbono, incolor, inodoro, solubilidade em água - 0,9V CO 2 dissolve-se em 1V H 2 O (em condições normais); mais pesado que o ar; t°pl = -78,5°C (CO 2 sólido é denominado “gelo seco”); não suporta combustão.

Recibo

1. Decomposição térmica de sais de ácido carbônico (carbonatos). Queima de calcário:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

1. A ação de ácidos fortes sobre carbonatos e bicarbonatos:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2

QuímicopropriedadesCO2
Óxido ácido: Reage com óxidos básicos e bases para formar sais de ácido carbônico

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

Em temperaturas elevadas pode apresentar propriedades oxidantes

C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Reação qualitativa

Turbulência da água com cal:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (precipitado branco) + H 2 O

Ele desaparece quando o CO 2 passa pela água de cal por um longo período, porque carbonato de cálcio insolúvel se transforma em bicarbonato solúvel:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2

Ácido carbônico e seussal

H2CO3 - Um ácido fraco, existe apenas em solução aquosa:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Dibásico:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Sais ácidos - bicarbonatos, bicarbonatos
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Sais médios - carbonatos

Todas as propriedades dos ácidos são características.

Carbonatos e bicarbonatos podem se transformar:

2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3

Carbonatos metálicos (exceto metais alcalinos) descarboxilam quando aquecidos para formar um óxido:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2

Reação qualitativa- “fervura” sob a influência de um ácido forte:

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2

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

Carbonetos

Carboneto de cálcio:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2.

O acetileno é liberado quando carbonetos de zinco, cádmio, lantânio e cério reagem com a água:

2LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Seja 2 C e Al 4 C 3 se decompõem com água para formar metano:

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

Na tecnologia, são utilizados carbonetos de titânio TiC, tungstênio W 2 C (ligas duras), silício SiC (carborundo - como abrasivo e material para aquecedores).

Cianeto

obtido aquecendo refrigerante em uma atmosfera de amônia e monóxido de carbono:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

O ácido cianídrico HCN é um importante produto da indústria química e é amplamente utilizado em síntese orgânica. Sua produção global chega a 200 mil toneladas por ano. A estrutura eletrônica do ânion cianeto é semelhante ao monóxido de carbono (II); tais partículas são chamadas de isoeletrônicas:

C = Ó: [:C = N:] –

Os cianetos (solução aquosa 0,1-0,2%) são usados ​​​​na mineração de ouro:

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

Ao ferver soluções de cianeto com enxofre ou derreter sólidos, eles formam tiocianatos:
KCN + S = KSCN.

Quando cianetos de metais pouco ativos são aquecidos, obtém-se cianeto: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. Soluções de cianeto são oxidadas a cianatos:

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

O ácido ciânico existe em duas formas:

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

Em 1828, Friedrich Wöhler (1800-1882) obteve uréia a partir de cianato de amônio: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 evaporando uma solução aquosa.

Este evento é geralmente considerado como a vitória da química sintética sobre a "teoria vitalística".

Existe um isômero de ácido ciânico - ácido explosivo

H-O-N=C.
Seus sais (fulminato mercúrico Hg(ONC) 2) são utilizados em dispositivos de ignição de impacto.

Síntese ureia(uréia):

CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. A 130 0 C e 100 atm.

A uréia é uma amida do ácido carbônico e também existe o seu “análogo do nitrogênio” – a guanidina.

Carbonatos

Os compostos inorgânicos de carbono mais importantes são os sais de ácido carbônico (carbonatos). H 2 CO 3 é um ácido fraco (K 1 = 1,3 10 -4; K 2 = 5 10 -11). Suportes de buffer de carbonato balanço de dióxido de carbono na atmosfera. Os oceanos do mundo têm uma enorme capacidade tampão porque são um sistema aberto. A principal reação tampão é o equilíbrio durante a dissociação do ácido carbônico:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - .

Quando a acidez diminui, ocorre absorção adicional de dióxido de carbono da atmosfera com a formação de ácido:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .

À medida que a acidez aumenta, as rochas carbonáticas (conchas, giz e sedimentos calcários no oceano) dissolvem-se; isso compensa a perda de íons hidrocarbonato:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (sólido) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Carbonatos sólidos se transformam em bicarbonatos solúveis. É este processo de dissolução química do excesso de dióxido de carbono que neutraliza o “efeito estufa” - aquecimento global devido à absorção da radiação térmica da Terra pelo dióxido de carbono. Cerca de um terço da produção mundial de refrigerante (carbonato de sódio Na 2 CO 3) é usado na produção de vidro.

O carbono é talvez o principal e mais surpreendente elemento químico da Terra, pois com sua ajuda se forma uma quantidade colossal de diversos compostos, tanto inorgânicos quanto orgânicos. O carbono é a base de todos os seres vivos; podemos dizer que o carbono, juntamente com a água e o oxigênio, é a base da vida em nosso planeta! O carbono tem uma variedade de formas que não são semelhantes nem em suas propriedades físico-químicas nem na aparência. Mas é tudo carbono!

História da descoberta do carbono

O carbono é conhecido pela humanidade desde os tempos antigos. Grafite e carvão foram usados ​​pelos antigos gregos, e os diamantes encontraram uso na Índia. É verdade que compostos de aparência semelhante eram frequentemente confundidos com grafite. No entanto, o grafite teve uso generalizado nos tempos antigos, principalmente para escrita. Até o seu nome vem da palavra grega “grapho” - “eu escrevo”. O grafite agora é usado em lápis. Os diamantes começaram a ser comercializados pela primeira vez no Brasil na primeira metade do século XVIII, desde então muitas jazidas foram descobertas, e em 1970 foi desenvolvida a tecnologia para produção artificial de diamantes. Esses diamantes artificiais são utilizados na indústria, enquanto os naturais, por sua vez, são utilizados em joias.

Carbono na natureza

A quantidade mais significativa de carbono é coletada na atmosfera e na hidrosfera na forma de dióxido de carbono. A atmosfera contém cerca de 0,046% de carbono, e uma quantidade ainda maior está dissolvida no Oceano Mundial.

Além disso, como vimos acima, o carbono é a base dos organismos vivos. Por exemplo, um corpo humano de 70 kg contém cerca de 13 kg de carbono! Está apenas em uma pessoa! E o carbono também é encontrado em todas as plantas e animais. Então considere...

Ciclo do carbono na natureza

Modificações alotrópicas do carbono

O carbono é um elemento químico único que forma as chamadas modificações alotrópicas, ou, mais simplesmente, várias formas. Essas modificações são divididas em cristalinas, amorfas e na forma de aglomerados.

As modificações cristalinas têm uma rede cristalina regular. Este grupo inclui: diamante, fulerita, grafite, lonsdaleíta, fibras e tubos de carbono. A grande maioria das modificações cristalinas do carbono estão em primeiro lugar no ranking “Os materiais mais duros do mundo”.

As formas amorfas são formadas por carbono com pequenas misturas de outros elementos químicos. Os principais representantes deste grupo: carvão (pedra, madeira, ativado), fuligem, antracite.

Os compostos mais complexos e de alta tecnologia são os compostos de carbono na forma de clusters. Os aglomerados são uma estrutura especial na qual os átomos de carbono estão dispostos de forma a formar uma forma oca, que é preenchida por dentro com átomos de outros elementos, por exemplo, água. Não há muitos representantes neste grupo; inclui nanocones de carbono, astralens e dicarbon.

Aplicação de carbono

O carbono e seus compostos são de grande importância na vida humana. Os principais tipos de combustível da Terra – gás natural e petróleo – são formados a partir do carbono. Os compostos de carbono são amplamente utilizados nas indústrias química e metalúrgica, construção, engenharia mecânica e medicina. Modificações alotrópicas na forma de diamantes são usadas em joias, fulerita e lonsdaleíta na ciência de foguetes. Vários lubrificantes para mecanismos, equipamentos técnicos e muito mais são feitos de compostos de carbono. Actualmente, a indústria não pode prescindir do carbono; ele é utilizado em todo o lado!

Carbono(lat. Carboneum), C, elemento químico do grupo IV do sistema periódico de Mendeleev, número atômico 6, massa atômica 12,011. Dois isótopos estáveis ​​são conhecidos: 12 C (98,892%) e 13 C (1,108%). Dos isótopos radioativos, o mais importante é o 14 C com meia-vida (T ½ = 5,6 · 10 3 anos). Pequenas quantidades de 14 C (cerca de 2,10 -10% em massa) são constantemente formadas nas camadas superiores da atmosfera sob a influência de nêutrons da radiação cósmica no isótopo de nitrogênio 14 N. A atividade específica do isótopo 14 C em resíduos de origem biogênica determina sua idade. O 14 C é amplamente utilizado como traçador isotópico.

Referência histórica. O carbono é conhecido desde os tempos antigos. O carvão serviu para restaurar metais de minérios, diamante - como pedra preciosa. Muito mais tarde, o grafite começou a ser usado na fabricação de cadinhos e lápis.

Em 1778, K. Scheele, aquecendo grafite com salitre, descobriu que neste caso, como no aquecimento de carvão com salitre, é liberado dióxido de carbono. A composição química do diamante foi estabelecida a partir dos experimentos de A. Lavoisier (1772) no estudo da combustão do diamante no ar e dos estudos de S. Tennant (1797), que comprovou que quantidades iguais de diamante e carvão produzem iguais quantidades de dióxido de carbono durante a oxidação. O carbono foi reconhecido como elemento químico em 1789 por Lavoisier. O carbono recebeu seu nome latino carboneum de carbo - carvão.

Distribuição de carbono na natureza. O conteúdo médio de carbono na crosta terrestre é de 2,3 10 -2% em massa (1 10 -2 em ultrabásico, 1 10 -2 em básico, 2 10 -2 em médio, 3 10 -2 em rochas ácidas). O carbono acumula-se na parte superior da crosta terrestre (biosfera): na matéria viva 18% Carbono, madeira 50%, carvão 80%, petróleo 85%, antracite 96%. Uma parte significativa do carbono da litosfera está concentrada em calcários e dolomitas.

O número de minerais próprios do carbono é 112; O número de compostos orgânicos de carbono – hidrocarbonetos e seus derivados – é excepcionalmente grande.

O acúmulo de carbono na crosta terrestre está associado ao acúmulo de muitos outros elementos que são absorvidos pela matéria orgânica e precipitados na forma de carbonatos insolúveis, etc. O CO 2 e o ácido carbônico desempenham um papel geoquímico importante na crosta terrestre. Uma enorme quantidade de CO 2 é liberada durante o vulcanismo - na história da Terra esta foi a principal fonte de carbono para a biosfera.

Comparado com o conteúdo médio da crosta terrestre, a humanidade extrai Carbono do subsolo (carvão, petróleo, gás natural) em quantidades excepcionalmente grandes, uma vez que estes fósseis são a principal fonte de energia.

O ciclo do Carbono é de grande importância geoquímica.

O carbono também está difundido no espaço; no Sol, ocupa o 4º lugar, depois do hidrogênio, hélio e oxigênio.

Propriedades físicas do carbono. São conhecidas diversas modificações cristalinas do Carbono: grafite, diamante, carbino, lonsdaleíta e outras. A grafite é uma massa cinza-preta, opaca, gordurosa ao toque, escamosa, muito macia e com brilho metálico. Construído a partir de cristais de estrutura hexagonal: a = 2,462Å, c = 6,701Å. À temperatura ambiente e pressão normal (0,1 Mn/m2 ou 1 kgf/cm2), a grafite é termodinamicamente estável. O diamante é uma substância cristalina muito dura. Os cristais têm uma rede cúbica de face centrada: a = 3,560Å. À temperatura ambiente e pressão normal, o diamante é metaestável. Uma notável transformação do diamante em grafite é observada em temperaturas acima de 1400 °C no vácuo ou em atmosfera inerte. À pressão atmosférica e a uma temperatura de cerca de 3700 °C, a grafite sublima. O Carbono Líquido pode ser obtido em pressões acima de 10,5 Mn/m2 (105 kgf/cm2) e temperaturas acima de 3700 °C. O Carbono Sólido (coque, fuligem, carvão vegetal) também é caracterizado por um estado com estrutura desordenada - o chamado Carbono “amorfo”, que não representa uma modificação independente; Sua estrutura é baseada na estrutura da grafite cristalina fina. O aquecimento de algumas variedades de carbono “amorfo” acima de 1500-1600 °C sem acesso ao ar provoca a sua transformação em grafite. As propriedades físicas do carbono “amorfo” dependem muito da dispersão das partículas e da presença de impurezas. A densidade, capacidade térmica, condutividade térmica e condutividade elétrica do carbono “amorfo” são sempre superiores às do grafite. Carbyne é obtido artificialmente. É um pó preto cristalino fino (densidade 1,9-2 g/cm3). Construído a partir de longas cadeias de átomos de C dispostos paralelamente entre si. Lonsdaleíta é encontrada em meteoritos e obtida artificialmente.

Propriedades químicas do carbono. A configuração da camada eletrônica externa do átomo de carbono é 2s 2 2p 2. O carbono é caracterizado pela formação de quatro ligações covalentes, devido à excitação da camada eletrônica externa para o estado 2sp 3. Portanto, o carbono é igualmente capaz de atrair e doar elétrons. A ligação química pode ser realizada devido aos orbitais híbridos sp 3 -, sp 2 - e sp-, que correspondem aos números de coordenação 4, 3 e 2. O número de elétrons de valência do Carbono e o número de orbitais de valência são iguais; esta é uma das razões para a estabilidade da ligação entre os átomos de carbono.

A capacidade única dos átomos de carbono de se conectarem entre si para formar cadeias e ciclos fortes e longos levou ao surgimento de um grande número de diferentes compostos de carbono estudados na química orgânica.

Nos compostos, o carbono exibe um estado de oxidação de -4; +2; +4. Raio atômico 0,77Å, raios covalentes 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å, respectivamente, em ligações simples, duplas e triplas; raio iônico C 4- 2,60Å, C 4+ 0,20Å. Em condições normais, o carbono é quimicamente inerte; em altas temperaturas, combina-se com muitos elementos, exibindo fortes propriedades redutoras. A atividade química diminui na seguinte ordem: Carbono “amorfo”, grafite, diamante; a interação com o oxigênio do ar (combustão) ocorre, respectivamente, em temperaturas acima de 300-500 °C, 600-700 °C e 850-1000 °C com formação de monóxido de carbono (IV) CO 2 e monóxido de carbono (II) CO.

O CO 2 se dissolve em água para formar ácido carbônico. Em 1906, O. Diels obteve subóxido de carbono C 3 O 2. Todas as formas de carbono são resistentes a álcalis e ácidos e são oxidadas lentamente apenas por agentes oxidantes muito fortes (mistura de cromo, mistura de HNO 3 concentrado e KClO 3 e outros). O carbono "amorfo" reage com o flúor à temperatura ambiente, com grafite e diamante - quando aquecido. A combinação direta de carbono com cloro ocorre em um arco elétrico; O carbono não reage com o bromo e o iodo, portanto numerosos halogenetos de carbono são sintetizados indiretamente. Dos oxihaletos de fórmula geral COX 2 (onde X é um halogênio), o mais conhecido é o cloróxido COCl (fosgênio). O hidrogênio não interage com o diamante; reage com grafite e carbono “amorfo” em altas temperaturas na presença de catalisadores (Ni, Pt): a 600-1000 °C forma-se principalmente metano CH 4, a 1500-2000 ° C - acetileno C 2 H 2; Outros hidrocarbonetos também podem estar presentes nos produtos, por exemplo, etano C 2 H 6, benzeno C 6 H 6. A interação do enxofre com o carbono “amorfo” e a grafite começa em 700-800 °C, com o diamante em 900-1000 °C; em todos os casos, forma-se dissulfeto de carbono CS 2. Outros compostos de carbono contendo enxofre (tióxido CS, óxido de tiona C 3 S 2, óxido de enxofre COS e tiofosgênio CSCl 2) são obtidos indiretamente. Quando o CS 2 interage com sulfetos metálicos, formam-se tiocarbonatos - sais de ácido tiocarbônico fraco. A interação do carbono com o nitrogênio para produzir cianogênio (CN) 2 ocorre quando uma descarga elétrica passa entre eletrodos de carbono em uma atmosfera de nitrogênio. Entre os compostos de carbono contendo nitrogênio, o cianeto de hidrogênio HCN (ácido prússico) e seus numerosos derivados: cianetos, halogenianetos, nitrilas e outros são de importância prática. Em temperaturas acima de 1000 °C, o carbono reage com muitos metais, dando carbonetos. Todas as formas de Carbono, quando aquecidas, reduzem os óxidos metálicos com formação de metais livres (Zn, Cd, Cu, Pb e outros) ou carbonetos (CaC 2, Mo 2 C, WC, TaC e outros). O carbono reage a temperaturas acima de 600-800 °C com vapor de água e dióxido de carbono (gaseificação do combustível). Uma característica distintiva da grafite é a capacidade, quando moderadamente aquecida a 300-400 °C, de interagir com metais alcalinos e halogenetos para formar compostos de inclusão do tipo C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (onde X é halogênio, Eu sou metal). São conhecidos compostos de inclusões de grafite com HNO 3, H 2 SO 4, FeCl 3 e outros (por exemplo, bissulfato de grafite C 24 SO 4 H 2). Todas as formas de carbono são insolúveis em solventes inorgânicos e orgânicos comuns, mas são solúveis em alguns metais fundidos (por exemplo, Fe, Ni, Co).

A importância económica nacional do Carbono é determinada pelo facto de mais de 90% de todas as fontes primárias de energia consumidas no mundo provirem de combustíveis orgânicos, cujo papel dominante continuará nas próximas décadas, apesar do intenso desenvolvimento da energia nuclear. Apenas cerca de 10% do combustível extraído é utilizado como matéria-prima para síntese orgânica básica e síntese petroquímica, para produção de plásticos e outros.

Carbono no corpo. O carbono é o elemento biogênico mais importante que forma a base da vida na Terra, uma unidade estrutural de um grande número de compostos orgânicos envolvidos na construção dos organismos e garantindo suas funções vitais (biopolímeros, bem como inúmeras substâncias biologicamente ativas de baixo peso molecular - vitaminas, hormônios, mediadores e outros). Uma parte significativa da energia necessária aos organismos é formada nas células devido à oxidação do carbono. O surgimento da vida na Terra é considerado na ciência moderna como um processo complexo de evolução dos compostos de carbono.

O papel único do Carbono na natureza viva se deve às suas propriedades, que em conjunto não são possuídas por nenhum outro elemento da tabela periódica. Fortes ligações químicas são formadas entre os átomos de carbono, bem como entre o carbono e outros elementos, que, no entanto, podem ser quebradas sob condições fisiológicas relativamente suaves (essas ligações podem ser simples, duplas e triplas). A capacidade do carbono de formar 4 ligações de valência equivalentes com outros átomos de carbono cria a oportunidade de construir esqueletos de carbono de vários tipos - lineares, ramificados, cíclicos. É significativo que apenas três elementos - C, O e H - representem 98% da massa total dos organismos vivos. Isto alcança uma certa eficiência na natureza viva: com uma diversidade estrutural quase ilimitada de compostos de carbono, um pequeno número de tipos de ligações químicas permite reduzir significativamente o número de enzimas necessárias para a decomposição e síntese de substâncias orgânicas. As características estruturais do átomo de carbono estão na base de vários tipos de isomerismo em compostos orgânicos (a capacidade de isomerismo óptico revelou-se decisiva na evolução bioquímica de aminoácidos, carboidratos e alguns alcalóides).

De acordo com a hipótese geralmente aceita de A.I. Oparin, os primeiros compostos orgânicos na Terra eram de origem abiogênica. As fontes de carbono foram o metano (CH 4) e o cianeto de hidrogênio (HCN), contidos na atmosfera primária da Terra. Com o surgimento da vida, a única fonte de Carbono inorgânico, a partir da qual se forma toda a matéria orgânica da biosfera, é o monóxido de carbono (IV) (CO 2), localizado na atmosfera, e também dissolvido nas águas naturais na forma de HCO3. O mecanismo mais poderoso para a assimilação (assimilação) de carbono (na forma de CO 2) - a fotossíntese - é realizado em todos os lugares pelas plantas verdes (cerca de 100 bilhões de toneladas de CO 2 são assimiladas anualmente). Na Terra, existe um método evolutivamente mais antigo de assimilação de CO 2 através da quimiossíntese; neste caso, os microrganismos quimiossintéticos utilizam não a energia radiante do Sol, mas a energia de oxidação de compostos inorgânicos. A maioria dos animais consome carbono com alimentos na forma de compostos orgânicos prontos. Dependendo do método de assimilação dos compostos orgânicos, costuma-se distinguir entre organismos autotróficos e organismos heterotróficos. O uso de microrganismos que utilizam hidrocarbonetos de petróleo como única fonte de carbono para a biossíntese de proteínas e outros nutrientes é um dos importantes problemas científicos e técnicos modernos.

O teor de carbono nos organismos vivos calculado com base na matéria seca é: 34,5-40% em plantas e animais aquáticos, 45,4-46,5% em plantas e animais terrestres e 54% em bactérias. Durante a vida dos organismos, principalmente devido à respiração dos tecidos, ocorre a decomposição oxidativa de compostos orgânicos com liberação de CO 2 no ambiente externo. O carbono também é liberado como parte de produtos finais metabólicos mais complexos. Após a morte de animais e plantas, parte do Carbono é novamente convertida em CO 2 como resultado de processos de decomposição realizados por microrganismos. É assim que ocorre o ciclo do carbono na natureza. Uma parte significativa do Carbono é mineralizada e forma depósitos de Carbono fóssil: carvão, petróleo, calcário e outros. Além da função principal - fonte de Carbono - o CO 2, dissolvido em águas naturais e fluidos biológicos, participa na manutenção da acidez do ambiente ideal para os processos vitais. Como parte do CaCO 3, o carbono forma o exoesqueleto de muitos invertebrados (por exemplo, conchas de moluscos) e também é encontrado em corais, cascas de ovos de pássaros e outros compostos de carbono como HCN, CO, CCl 4, que predominaram no primário. atmosfera da Terra no período pré-biológico, posteriormente, no processo de evolução biológica, transformaram-se em fortes antimetabólitos do metabolismo.

Além dos isótopos estáveis ​​de carbono, o 14 C radioativo é difundido na natureza (o corpo humano contém cerca de 0,1 microcurie). O uso de isótopos de carbono em pesquisas biológicas e médicas está associado a muitas conquistas importantes no estudo do metabolismo e do ciclo do carbono na natureza. Assim, com o auxílio de um marcador de radiocarbono, foi comprovada a possibilidade de fixação do H 14 CO 3 - pelos tecidos vegetais e animais, foi estabelecida a sequência das reações da fotossíntese, foi estudado o metabolismo dos aminoácidos, as vias de biossíntese de muitos biologicamente ativos compostos foram rastreados, etc. O uso do 14 C contribuiu para o sucesso da biologia molecular no estudo dos mecanismos de biossíntese de proteínas e transmissão de informações hereditárias. A determinação da atividade específica do 14 C em resíduos orgânicos contendo carbono permite avaliar sua idade, que é utilizada em paleontologia e arqueologia.