Čo tvorí uhlík. Valenčné stavy atómu uhlíka

Jedným z najúžasnejších prvkov, ktoré môžu vytvárať obrovské množstvo zlúčenín organickej a anorganickej povahy, je uhlík. Tento prvok je vo svojich vlastnostiach taký nezvyčajný, že aj Mendelejev mu predpovedal veľkú budúcnosť, keď hovoríme o vlastnostiach, ktoré ešte neboli zverejnené.

Neskôr sa to prakticky potvrdilo. Stalo sa známym, že je to hlavný biogénny prvok našej planéty, ktorý je súčasťou absolútne všetkých živých bytostí. Okrem toho môže existovať vo formách, ktoré sú radikálne odlišné vo všetkých ohľadoch, ale zároveň pozostávajú iba z atómov uhlíka.

Vo všeobecnosti má táto štruktúra veľa funkcií a pokúsime sa s nimi vysporiadať v priebehu článku.

Uhlík: vzorec a postavenie v sústave prvkov

V periodickom systéme sa prvok uhlík nachádza v IV (podľa nového modelu v 14) skupine, hlavnej podskupine. Jeho sériové číslo je 6 a atómová hmotnosť 12.011. Označenie prvku znakom C označuje jeho názov v latinčine – carboneum. Existuje niekoľko rôznych foriem, v ktorých uhlík existuje. Preto je jeho vzorec odlišný a závisí od konkrétnej úpravy.

Pre písanie reakčných rovníc však samozrejme existuje špecifické označenie. Vo všeobecnosti, keď hovoríme o látke v čistej forme, je prijatý molekulárny vzorec uhlíka C bez indexovania.

História objavovania prvkov

Sám o sebe je tento prvok známy už od staroveku. Koniec koncov, jedným z najdôležitejších minerálov v prírode je uhlie. Preto pre starých Grékov, Rimanov a iné národnosti nebol tajomstvom.

Okrem tejto odrody sa používali aj diamanty a grafit. S posledným na dlhú dobu došlo k mnohým mätúcim situáciám, pretože často, bez analýzy zloženia, zlúčeniny ako:

• strieborné olovo;
• karbid železa;
• sulfid molybdénový.

Všetky boli natreté čiernou farbou, a preto boli považované za grafitové. Neskôr sa toto nedorozumenie vyjasnilo a táto forma uhlíka sa stala sama sebou.

Od roku 1725 získali diamanty veľký komerčný význam a v roku 1970 bola zvládnutá technológia ich umelého získavania. Od roku 1779, vďaka práci Karla Scheeleho, Chemické vlastnostiže uhlík vykazuje. To bol začiatok množstva dôležitých objavov v oblasti tohto prvku a stal sa základom pre objasnenie všetkých jeho najunikátnejších vlastností.

Izotopy uhlíka a distribúcia v prírode

Napriek tomu, že uvažovaný prvok je jedným z najdôležitejších biogénnych, jeho celkový obsah v hmote zemská kôra je 0,15 %. Je to spôsobené tým, že je vystavený neustálemu obehu, prirodzenému kolobehu v prírode.

Vo všeobecnosti existuje niekoľko minerálnych zlúčenín, ktoré obsahujú uhlík. Ide o také prirodzené plemená ako:

• dolomity a vápence;
• antracit;
• roponosná bridlica;
• zemný plyn;
• uhlie;
• olej;
• hnedé uhlie;
• rašelina;
• bitúmen.

Okrem toho netreba zabúdať ani na živé bytosti, ktoré sú len úložiskom zlúčenín uhlíka. Koniec koncov, tvorili bielkoviny, tuky, sacharidy, nukleových kyselín, a teda najdôležitejšie štrukturálne molekuly. Vo všeobecnosti pri prepočte suchej telesnej hmotnosti zo 70 kg pripadá 15 na čistý prvok. A tak je to s každým človekom, nehovoriac o zvieratách, rastlinách a iných tvoroch.

Ak vezmeme do úvahy aj vodu, teda hydrosféru ako celok a atmosféru, potom existuje zmes uhlík-kyslík vyjadrená vzorcom CO 2 . Dioxid alebo oxid uhličitý je jedným z hlavných plynov, ktoré tvoria vzduch. V tejto forme je hmotnostný podiel uhlíka 0,046%. Ešte viac rozpustený oxid uhličitý vo vodách oceánov.

Atómová hmotnosť uhlíka ako prvku je 12,011. Je známe, že táto hodnota sa počíta ako aritmetický priemer medzi atómovými hmotnosťami všetkých izotopových druhov existujúcich v prírode, pričom sa berie do úvahy ich početnosť (v percentách). To je aj prípad predmetnej látky. Existujú tri hlavné izotopy, v ktorých sa uhlík nachádza. toto:

• 12 C - jeho hmotnostný zlomok je v prevažnej väčšine 98,93 %;
• 13C - 1,07 %;
• 14 C - rádioaktívny, polčas rozpadu 5700 rokov, stabilný beta žiarič.

V praxi určovania geochronologického veku vzoriek sa široko používa rádioaktívny izotop 14 C, ktorý je indikátorom kvôli dlhej dobe rozpadu.

Alotropické modifikácie prvku

Uhlík je prvok, ktorý existuje ako jednoduchá látka v niekoľkých formách. To znamená, že je schopný tvoriť najväčší počet dnes známych alotropných modifikácií.

1. Kryštalické variácie – existujú vo forme silných štruktúr s pravidelnými mriežkami atómového typu. Táto skupina zahŕňa odrody ako:

• diamanty;
• fullerény;
• grafity;
• karabíny;
• lonsdaleity;
• a rúrky.

Všetky sa líšia v mriežkach, v ktorých uzloch je atóm uhlíka. Preto úplne jedinečné, nie podobné vlastnosti, fyzikálne aj chemické.

2. Amorfné formy – sú tvorené atómom uhlíka, ktorý je súčasťou niektorých prírodných zlúčenín. To znamená, že nejde o čisté odrody, ale s nečistotami iných prvkov v malom množstve. IN túto skupinu zahŕňa:

• Aktívne uhlie;
• kameň a drevo;
• sadze;
• uhlíková nanopena;
• antracit;
• sklovitý uhlík;
• technický druh látky.

Spájajú ich aj štruktúrne znaky kryštálovej mriežky, ktoré vysvetľujú a prejavujú vlastnosti.

3. Zlúčeniny uhlíka vo forme zhlukov. Takáto štruktúra, v ktorej sú atómy zvnútra uzavreté v špeciálnej konformačnej dutine, naplnenej vodou alebo jadrami iných prvkov. Príklady:

• uhlíkové nanokuóny;
• astralény;
• dikarbón.

Fyzikálne vlastnosti amorfného uhlíka

Kvôli veľká rozmanitosť alotropných modifikácií, je ťažké vyčleniť nejaké všeobecné fyzikálne vlastnosti uhlíka. Je ľahšie hovoriť o konkrétnej forme. Napríklad amorfný uhlík má nasledujúce vlastnosti.

1. V srdci všetkých foriem sú jemnozrnné odrody grafitu.
2. Vysoká tepelná kapacita.
3. Dobré vodivé vlastnosti.
4. Hustota uhlíka je asi 2 g/cm3.
5. Pri zahriatí nad 1600 0 C dochádza k prechodu do grafitových foriem.

Odrody sadzí a kameňov sú široko používané technické účely. Nie sú prejavom modifikácie uhlíka v čistej forme, ale obsahujú ho vo veľmi veľkých množstvách.

Kryštalický uhlík

Existuje niekoľko možností, v ktorých je uhlík látkou, ktorá tvorí pravidelné kryštály iný druh kde sú atómy zapojené do série. V dôsledku toho sa vytvoria nasledujúce modifikácie.

1. - kubický, v ktorom sú spojené štyri štvorsteny. V dôsledku toho sú všetky kovalentné chemické väzby každého atómu maximálne nasýtené a silné. To vysvetľuje fyzikálne vlastnosti: hustota uhlíka je 3300 kg/m 3 . Vysoká tvrdosť, nízka tepelná kapacita, nedostatok elektrickej vodivosti - to všetko je výsledkom štruktúry kryštálovej mriežky. Existujú technicky získané diamanty. Vznikajú pri prechode grafitu na ďalšiu modifikáciu vplyvom vysokej teploty a určitého tlaku. Vo všeobecnosti je taká vysoká ako pevnosť - asi 3500 0 С.
2. Grafit. Atómy sú usporiadané podobne ako štruktúra predchádzajúcej látky, sú však nasýtené iba tri väzby a štvrtá sa stáva dlhšou a menej silnou, spája „vrstvy“ šesťuholníkových kruhov mriežky. V dôsledku toho sa ukazuje, že grafit je na dotyk jemná, mastná čierna látka. Má dobrú elektrickú vodivosť a má vysoký bod topenia - 3525 0 C. Je schopný sublimácie - sublimácie z pevného skupenstva do plynného skupenstva s obchádzaním kvapalného skupenstva (pri teplote 3700 0 C). Hustota uhlíka je 2,26 g/cm3, čo je oveľa menej ako hustota diamantu. Toto ich vysvetľuje rôzne vlastnosti. Vďaka vrstvenej štruktúre kryštálovej mriežky je možné použiť grafit na výrobu ceruziek. Pri prenášaní cez papier sa šupiny odlepia a zanechajú na papieri čiernu stopu.
3. fulerény. Otvorené boli až v 80. rokoch minulého storočia. Sú to modifikácie, v ktorých sú uhlíky prepojené do špeciálnej konvexnej uzavretej štruktúry s dutinou v strede. Navyše tvar kryštálu je mnohosten, správna organizácia. Počet atómov je párny. Najznámejšia forma fullerénu C 60 . Počas výskumu sa našli vzorky podobnej látky:

• meteority;
• spodné sedimenty;
• folgurity;
• šungity;
• kozmického priestoru, kde boli obsiahnuté vo forme plynov.

Všetky odrody kryštalického uhlíka majú veľký praktický význam, pretože majú množstvo technicky užitočných vlastností.

Chemická aktivita

Molekulový uhlík vykazuje nízku reaktivitu vďaka svojej stabilnej konfigurácii. Môže byť prinútený vstúpiť do reakcií iba tým, že dodá atómu dodatočnú energiu a prinúti elektróny vonkajšej úrovne, aby sa odparili. V tomto bode sa valencia stáva 4. Preto v zlúčeninách má oxidačný stav + 2, + 4, - 4.

Takmer všetky reakcie s jednoduché látky kovy aj nekovy tečú vplyvom vysokých teplôt. Príslušným prvkom môže byť tak oxidačné činidlo, ako aj redukčné činidlo. Posledne menované vlastnosti sú v ňom však obzvlášť výrazné a práve na tom je založené jeho využitie v hutníckom a inom priemysle.

Vo všeobecnosti schopnosť vstúpiť do chemickej interakcie závisí od troch faktorov:

• disperzia uhlíka;
• alotropická modifikácia;
• reakčná teplota.

V niektorých prípadoch teda dochádza k interakcii s nasledujúcimi látkami:

• nekovy (vodík, kyslík);
• kovy (hliník, železo, vápnik a iné);
• oxidy kovov a ich soli.

Nereaguje s kyselinami a zásadami, veľmi zriedkavo s halogénmi. Najdôležitejšou z vlastností uhlíka je schopnosť vytvárať medzi sebou dlhé reťazce. Môžu sa uzatvárať v cykle, vytvárať vetvy. Takto vznikajú organické zlúčeniny, ktoré sa dnes počítajú na milióny. Základom týchto zlúčenín sú dva prvky - uhlík, vodík. V kompozícii môžu byť zahrnuté aj ďalšie atómy: kyslík, dusík, síra, halogény, fosfor, kovy a iné.

Základné zlúčeniny a ich charakteristika

Je ich veľa rôzne spojenia obsahujúce uhlík. Vzorec najznámejšieho z nich je CO 2 - oxid uhličitý. Okrem tohto oxidu však existuje aj CO - monoxid resp oxid uhoľnatý ako aj suboxid C302.

Medzi soli, medzi ktoré patrí daný prvok Najbežnejšie sú uhličitany vápenaté a horečnaté. Uhličitan vápenatý má teda v názve niekoľko synoným, pretože sa v prírode vyskytuje vo forme:

• krieda;
• mramor;
• vápenec;
• dolomit.

Význam uhličitanov kovov alkalických zemín sa prejavuje v tom, že sú aktívnymi účastníkmi procesov tvorby stalaktitov a stalagmitov, ako aj podzemných vôd.

Kyselina uhličitá je ďalšou zlúčeninou, ktorá tvorí uhlík. Jeho vzorec je H2CO3. Vo svojej obvyklej forme je však mimoriadne nestabilný a v roztoku sa okamžite rozkladá na oxid uhličitý a vodu. Preto sú ako roztok známe iba jeho soli a nie samotné.

Halogenidy uhlíka - sa získavajú hlavne nepriamo, pretože k priamej syntéze dochádza len pri veľmi vysokých teplotách a s nízkym výťažkom produktu. Jeden z najbežnejších - CCL 4 - tetrachlórmetán. Toxická zlúčenina, ktorá pri vdýchnutí môže spôsobiť otravu. Získava sa radikálnymi fotochemickými substitučnými reakciami v metáne.

Karbidy kovov sú zlúčeniny uhlíka, v ktorých vykazuje oxidačný stav 4. Možné sú aj asociácie s bórom a kremíkom. Hlavnou vlastnosťou karbidov niektorých kovov (hliník, volfrám, titán, niób, tantal, hafnium) je vysoká pevnosť a vynikajúca elektrická vodivosť. Karbid bóru B 4 C je jedným z najviac pevné látky po diamante (9,5 podľa Mohsa). Tieto zlúčeniny sa využívajú v strojárstve, ale aj v chemickom priemysle ako zdroje na výrobu uhľovodíkov (karbid vápnika s vodou vedie k tvorbe acetylénu a hydroxidu vápenatého).

Mnohé zliatiny kovov sa vyrábajú s použitím uhlíka, čím sa výrazne zvyšuje ich kvalita a technické údaje(oceľ je zliatina železa a uhlíka).

Osobitnú pozornosť si zasluhujú mnohé organické zlúčeniny uhlíka, v ktorých je uhlík základným prvkom schopným spájať sa s rovnakými atómami do dlhých reťazcov rôznych štruktúr. Tie obsahujú:

• alkány;
• alkény;
• arény;
• proteíny;
• uhľohydráty;
• nukleové kyseliny;
• alkoholy;
• karboxylové kyseliny a mnoho ďalších tried látok.

Aplikácia uhlíka

Význam zlúčenín uhlíka a ich alotropných modifikácií v živote človeka je veľmi vysoký. Môžete vymenovať niekoľko najglobálnejších odvetví, aby bolo jasné, že je to pravda.

1. Tento prvok tvorí všetky druhy organického paliva, z ktorého človek získava energiu.
2. Hutnícky priemysel využíva uhlík ako najsilnejšie redukčné činidlo na získavanie kovov z ich zlúčenín. Aj tu sa hojne využívajú uhličitany.
3. Stavebné a chemický priemysel spotrebujú obrovské množstvo uhlíkových zlúčenín na syntézu nových látok a získanie potrebných produktov.

Môžete tiež pomenovať také odvetvia hospodárstva ako:

• jadrový priemysel;
• obchod so šperkami;
• Technické vybavenie(mazivá, tepelne odolné tégliky, ceruzky atď.);
• určenie geologického veku hornín - rádioaktívny indikátor 14 C;
• uhlík je vynikajúci adsorbent, čo umožňuje jeho použitie na výrobu filtrov.

Cyklistika v prírode

Hmotnosť uhlíka nájdená v prírode je súčasťou konštantného cyklu, ktorý sa cyklicky vykonáva každú sekundu glóbus. Atmosférický zdroj uhlíka - CO 2 - je teda absorbovaný rastlinami a uvoľňovaný všetkými živými bytosťami v procese dýchania. Keď sa dostane do atmosféry, opäť sa absorbuje, a tak sa kolobeh nezastaví. Odumieranie organických zvyškov zároveň vedie k uvoľňovaniu uhlíka a jeho hromadeniu v zemi, odkiaľ je potom opäť absorbovaný živými organizmami a uvoľnený do atmosféry vo forme plynu.

Schopnosť uhlíka tvoriť polymérne reťazce vedie k obrovskej triede zlúčenín na báze uhlíka nazývaných organické, ktoré sú oveľa početnejšie ako anorganické a sú štúdiom organickej chémie.

Príbeh

Na prelome XVII-XVIII storočia. objavila sa teória flogistónu, ktorú predložili Johann Becher a Georg Stahl. Táto teória rozpoznala prítomnosť v každom horľavom telese špeciálnej elementárnej látky – beztiažovej tekutiny – flogistónu, ktorá sa pri spaľovaní vyparuje. Keďže pri spaľovaní veľkého množstva uhlia zostáva len malé množstvo popola, flogistici sa domnievali, že uhlie je takmer čistý flogistón. Toto bolo vysvetlenie najmä pre „flogistický“ účinok uhlia, jeho schopnosť obnovovať kovy z „vápna“ a rúd. Neskorší flogistici, Réaumur, Bergman a ďalší, už začali chápať, že uhlie je elementárna látka. Po prvýkrát však „čisté uhlie“ ako také uznal Antoine Lavoisier, ktorý študoval proces spaľovania uhlia a iných látok vo vzduchu a kyslíku. V Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet a Fourcroix, The Method chemická nomenklatúra„(1787) sa namiesto francúzskeho „čisté uhlie“ (charbone pur) objavil názov „carbon“ (carbone). Pod rovnakým názvom sa uhlík objavuje v „Tabuľke jednoduchých telies“ v Lavoisierovej „Elementárnej učebnici chémie“.

pôvod mena

Na začiatku 19. storočia sa v ruskej chemickej literatúre niekedy používal výraz „uhlie“ (Sherer, 1807; Severgin, 1815); od roku 1824 zaviedol Solovyov názov „uhlík“. Uhlíkové zlúčeniny majú časť vo svojom názve sacharid (on)- z lat. carbō (gen. p. carbonis) „uhlie“.

Fyzikálne vlastnosti

Uhlík existuje v mnohých alotropných modifikáciách s veľmi rôznorodými fyzikálne vlastnosti. Rozmanitosť modifikácií je spôsobená schopnosťou uhlíka vytvárať chemické väzby rôznych typov.

Izotopy uhlíka

Prírodný uhlík pozostáva z dvoch stabilných izotopov – 12C (98,93 %) a 13C (1,07 %) a jedného rádioaktívneho izotopu 14C (β-emitor, T ½ = 5730 rokov), koncentrovaných v atmosfére a v hornej časti zeme štekať. Neustále sa tvorí v spodných vrstvách stratosféry v dôsledku pôsobenia neutrónov kozmického žiarenia na jadrá dusíka reakciou: 14 N (n, p) 14 C, a tiež od polovice 50. rokov 20. storočia ako človek -vyrobený produkt jadrových elektrární a ako výsledok testovania vodíkových bômb.

Alotropické modifikácie uhlíka

Kryštalický uhlík

amorfný uhlík

• fosílne uhlie: antracit a fosílne uhlie.
• Uhoľný koks, ropný koks atď.

V praxi sú amorfné formy uvedené vyššie spravidla chemickými zlúčeninami s vysokým obsahom uhlíka a nie čistou alotropnou formou uhlíka.

klastrové formy

Štruktúra

Kvapalný uhlík existuje len pri určitom vonkajšom tlaku. Trojité body: grafit - kvapalina - para T= 4130 tis. R= 10,7 MPa a grafit - diamant - kvapalina T≈ 4000 K, R≈ 11 GPa. Rovnovážny čiarový grafit - kvapalina vo fáze R, T-diagram má kladný sklon, ktorý sa pri priblížení k trojitému bodu grafit - diamant - kvapalina stáva negatívnym, čo súvisí s jedinečnými vlastnosťami atómov uhlíka vytvárať molekuly uhlíka pozostávajúce z rôzneho počtu atómov (od dvoch do sedem). Sklon rovnovážnej čiary diamant-kvapalina pri absencii priamych experimentov pri veľmi vysokých teplotách (>4000-5000 K) a tlakoch (>10-20 GPa), dlhé roky bola považovaná za negatívnu. Priame experimenty vykonané japonskými výskumníkmi a spracovanie získaných experimentálnych údajov, berúc do úvahy anomálnu vysokoteplotnú tepelnú kapacitu diamantu, ukázali, že sklon rovnovážnej čiary diamant-kvapalina je pozitívny, t.j. diamant je ťažší ako jeho kvapalina ( ponorí sa do taveniny a nebude plávať ako ľad vo vode).

Ultrajemné diamanty (nanodiamanty)

V 80. rokoch minulého storočia sa v ZSSR zistilo, že v podmienkach dynamického zaťaženia materiálov obsahujúcich uhlík môžu vznikať štruktúry podobné diamantu, ktoré sa nazývajú ultrajemné diamanty (UDD). V súčasnosti sa čoraz častejšie používa pojem „nanodiamanty“. Veľkosť častíc v takýchto materiáloch je niekoľko nanometrov. Podmienky pre vznik UDD je možné realizovať pri detonácii výbušnín s výrazne negatívnou kyslíkovou bilanciou, napríklad zmesí TNT s RDX. Takéto podmienky je možné realizovať aj pri dopadoch nebeských telies o povrch Zeme v prítomnosti materiálov obsahujúcich uhlík (organické látky, rašelina, uhlie atď.). V zóne pádu tunguzského meteoritu sa teda v lesnom odpade našli UDD.

Karabína

Kryštalická modifikácia uhlíka hexagonálnej syngónie s reťazovou štruktúrou molekúl sa nazýva karabín. Reťazce sú buď polyénové (−C≡C−) alebo polykumulénové (=C=C=). Je známych niekoľko foriem karabíny, ktoré sa líšia počtom atómov v jednotkovej bunke, veľkosťou buniek a hustotou (2,68-3,30 g/cm³). Karbín sa v prírode vyskytuje vo forme minerálu chaoit (biele žilky a inklúzie v grafite) a získava sa umelo – oxidačnou dehydropolykondenzáciou acetylénu, pôsobením laserového žiarenia na grafit, z uhľovodíkov alebo CCl 4 v nízkoteplotnej plazme.

Karabína je čierny jemnozrnný prášok (hustota 1,9-2 g/cm³) s polovodičovými vlastnosťami. Prijaté v umelé podmienky dlhé reťazce uhlíkových atómov naskladaných navzájom rovnobežne.

Carbyne je lineárny polymér uhlíka. V molekule karbínu sú atómy uhlíka spojené do reťazcov striedavo buď trojitými a jednoduchými väzbami (polyénová štruktúra), alebo trvalo dvojitými väzbami (polykumulénová štruktúra). Túto látku prvýkrát získali sovietski chemici V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin a Yu. P. Kudrjavcev začiatkom 60. rokov v Akadémii vied ZSSR. Carbin má polovodičové vlastnosti a pod vplyvom svetla sa jeho vodivosť výrazne zvyšuje. Táto vlastnosť je založená na prvom praktické využitie- vo fotobunkách.

Fullerény a uhlíkové nanorúrky

Uhlík je známy aj vo forme klastrových častíc C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 a podobne (fulerény), ako aj grafény, nanorúrky a zložité štruktúry - astralény.

Amorfný uhlík (štruktúra)

Štruktúra amorfného uhlíka je založená na neusporiadanej štruktúre monokryštálového (vždy obsahuje nečistoty) grafitu. Ide o koks, hnedé a čierne uhlie, sadze, sadze, aktívne uhlie.

Grafén

Grafén je dvojrozmerná alotropická modifikácia uhlíka, tvorená vrstvou atómov uhlíka s hrúbkou jedného atómu, spojenými pomocou sp² väzieb do hexagonálnej dvojrozmernej kryštálovej mriežky.

Byť v prírode

Odhaduje sa, že Zem ako celok pozostáva zo 730 ppm uhlíka, z toho 2000 ppm v jadre a 120 ppm v plášti a kôre. Keďže hmotnosť Zeme je 5,972⋅1024 kg, znamená to prítomnosť 4360 miliónov gigaton uhlíka.

Považuje sa za chémiu uhlíkových zlúčenín, ale vzdávajúc hold histórii, stále to nazývajú organická chémia. Preto je také dôležité podrobnejšie zvážiť štruktúru atómu tohto prvku, povahu a priestorový smer chemických väzieb, ktoré tvoria.

Valencia chemického prvku je najčastejšie určená počtom nespárovaných elektrónov. Atóm uhlíka, ako je zrejmé z elektrónovo-grafického vzorca, má dva nepárové elektróny, preto sa s ich účasťou môžu vytvoriť dva elektrónové páry, ktoré tvoria dve kovalentné väzby. V organických zlúčeninách však uhlík nie je dvojmocný, ale vždy štvormocný. Dá sa to vysvetliť tým, že v excitovanom (získanom dodatočnom energetickom) atóme sú 2n-elektróny deparované a jeden z nich prechádza do 2p-orbitálu:

Takýto atóm má štyri nepárové elektróny a môže sa podieľať na tvorbe štyroch kovalentných väzieb.

Pre vznik kovalentnej väzby je potrebné, aby sa orbitál jedného atómu prekrýval s orbitálom druhého. Čím viac sa prekrýva, tým silnejšia je väzba.

V molekule vodíka H2 dochádza k tvorbe kovalentnej väzby v dôsledku prekrytia s-orbitálov (obr. 3).

Vzdialenosť medzi jadrami atómov vodíka alebo dĺžka väzby je 7,4 x 10 -2 nm a jej sila je 435 kJ / mol.

Pre porovnanie: v molekule fluóru F 2 vzniká kovalentná väzba v dôsledku prekrytia dvoch p-orbitálov.

Dĺžka väzby fluór-fluór je 14,2 x 10-2 nm a sila väzby (energia) je 154 kJ/mol.

Chemické väzby vytvorené ako výsledok prekrývajúcich sa elektrónových orbitálov pozdĺž väzbovej línie sa nazývajú a-väzby (sigma väzby).

Komunikačná čiara je priamka spájajúca jadrá atómov. Pre β-orbitály je možný len jeden spôsob prekrývania – s tvorbou α-väzieb.

p-Orbitaly sa môžu prekrývať s tvorbou a-väzieb a môžu sa tiež prekrývať v dvoch oblastiach, čím vytvárajú kovalentnú väzbu iného typu - kvôli "bočnému" prekrytiu:

Chemické väzby vytvorené ako výsledok "laterálneho" prekrývania elektrónových orbitálov mimo komunikačnej linky, t.j. v dvoch oblastiach, sa nazývajú n-väzby (pi-väzby).

Uvažovaný typ väzby je charakteristický pre molekuly etylénu C2H4 a acetylénu C2H2. Ale o tom sa dozviete viac v nasledujúcom odseku.

1. Napíšte elektrónový vzorec atómu uhlíka. Vysvetlite význam každého symbolu v ňom.

Čo sú elektronické vzorce atómy bóru, berýlia a lítia?

Vytvorte elektronické grafické vzorce zodpovedajúce atómom týchto prvkov.

2. Zapíšte si elektronické vzorce:

a) atóm sodíka a katión Na+;

b) atóm horčíka a katión Mg2+;

c) atóm fluóru a anión F-;

d) atóm kyslíka a anión 02-;

e) atóm vodíka a ióny H+ a H-.

Zostavte elektrónové grafické vzorce na rozdelenie elektrónov na obežných dráhach v týchto časticiach.

3. Atóm ktorého chemického prvku zodpovedá elektrónovému vzorcu 1s 2 2s 2 2p 6?

Ktoré katióny a anióny majú rovnaký elektronický vzorec? Vytvorte elektrónový grafický vzorec atómu a týchto iónov.

4. Porovnajte dĺžky väzieb v molekulách vodíka a fluóru. Čo spôsobilo ich rozdiel?

5. Molekuly dusíka a fluóru sú dvojatómové. Porovnajte počty a povahu chemických väzieb medzi atómami v nich.

Uhlík je šiestym prvkom v Mendelejevovom periodickom systéme. Jeho atómová hmotnosť je 12.

Uhlík je v druhom období Mendelejevovho systému a vo štvrtej skupine tohto systému.

Číslo periódy nám hovorí, že šesť elektrónov uhlíka je v dvoch energetických úrovniach.

A štvrté číslo skupiny hovorí, že na vonkajšej energetická úroveň uhlík má štyri elektróny. Dva z nich sú spárované s-elektróny a ďalšie dva nie sú spárované R-elektróny.

Štruktúru vonkajšej elektrónovej vrstvy atómu uhlíka možno vyjadriť nasledujúcimi schémami:

Každá bunka v týchto diagramoch znamená samostatný elektrónový orbitál, šípka znamená elektrón nachádzajúci sa v orbitále. Dve šípky vo vnútri jednej bunky sú dva elektróny, ktoré sú na rovnakej obežnej dráhe, ale majú opačné rotácie.

Keď je atóm excitovaný (keď sa mu dodáva energia), jeden z párov S- elektróny zaberá R- orbitálny.

Excitovaný atóm uhlíka sa môže podieľať na tvorbe štyroch kovalentných väzieb. Preto vo veľkej väčšine svojich zlúčenín uhlík vykazuje štvormocnosť.

Zloženie má teda najjednoduchšia organická zlúčenina uhľovodíkový metán CH 4. Jeho štruktúra môže byť vyjadrená štruktúrnymi alebo elektronickými vzorcami:

Elektronický vzorec ukazuje, že atóm uhlíka v molekule metánu má stabilný osemelektrónový vonkajší obal a atómy vodíka majú stabilný dvojelektrónový obal.

Všetky štyri kovalentné väzby uhlíka v metáne (a v iných podobných zlúčeninách) sú ekvivalentné a symetricky nasmerované v priestore. Atóm uhlíka je akoby v strede štvorstenu (správne štvorhranná pyramída) a štyri atómy k nemu pripojené (v prípade metánu štyri atómy vodíka) vo vrcholoch štvorstenu.

Uhly medzi smermi akéhokoľvek páru väzieb sú rovnaké a sú 109 stupňov 28 minút.

Je to preto, že v atóme uhlíka, keď tvorí kovalentné väzby so štyrmi ďalšími atómami, z jedného s- a tri p- v dôsledku toho orbitály sp 3-hybridizácie sú vytvorené štyri symetricky umiestnené v priestore hybrid sp 3-orbitály rozšírené smerom k vrcholom štvorstenu.

Vlastnosti vlastností uhlíka.

Počet elektrónov na vonkajšej energetickej úrovni je hlavným faktorom, ktorý určuje chemické vlastnosti prvku.

Na ľavej strane periodickej tabuľky sú prvky s nízko vyplneným vonkajším elektronická úroveň. Prvky prvej skupiny majú na vonkajšej úrovni jeden elektrón, prvky druhej skupiny dva.

Prvky týchto dvoch skupín sú kovy. Ľahko sa oxidujú, t.j. strácajú svoje vonkajšie elektróny a menia sa na kladné ióny.

Na pravej strane periodickej tabuľky sú naopak nekovy (oxidanty). V porovnaní s kovmi majú jadro s Vysoké číslo protóny. Takéto masívne jadro poskytuje oveľa silnejšiu príťažlivosť pre svoj elektrónový oblak.

Takéto prvky veľmi ťažko strácajú svoje elektróny, ale nebránia sa pridávaniu ďalších elektrónov z iných atómov, t.j. oxidujú ich a samy sa zároveň menia na záporný ión.

Keď sa číslo skupiny v periodickej tabuľke zvyšuje, kovové vlastnosti prvkov sa oslabujú a ich schopnosť oxidovať iné prvky sa zvyšuje.

Uhlík je v štvrtej skupine, t.j. presne uprostred medzi kovmi, ktoré ľahko darujú elektróny, a nekovmi, ktoré tieto elektróny ľahko prijímajú.

Pre tento dôvod uhlík nemá výraznú tendenciu darovať alebo získavať elektróny.

uhlíkové reťazce.

Výnimočnou vlastnosťou uhlíka, ktorá určuje rozmanitosť organických zlúčenín, je schopnosť jeho atómov spájať sa navzájom silnými kovalentnými väzbami, čím vznikajú uhlíkové schémy prakticky neobmedzenej dĺžky.

Okrem uhlíka tvoria jeho analóg zo skupiny IV - kremík, reťazce rovnakých atómov. Takéto reťazce však neobsahujú viac ako šesť atómov Si. Dlhé reťazce atómov síry sú známe, ale zlúčeniny, ktoré ich obsahujú, sú krehké.

Valencie atómov uhlíka, ktoré nie sú zapojené do prepojenia, sa používajú na adíciu ďalších atómov alebo skupín (v uhľovodíkoch na adíciu vodíka).

Takže etánové uhľovodíky ( C2H6) a propán ( C3H8) obsahujú reťazce s dvoma a tromi atómami uhlíka. Ich štruktúra je vyjadrená nasledujúcimi štruktúrnymi a elektronickými vzorcami:

Zlúčeniny obsahujúce stovky alebo viac atómov uhlíka sú známe.

V dôsledku tetraedrickej orientácie uhlíkových väzieb nie sú jeho atómy zahrnuté v reťazci umiestnené v priamke, ale v cikcakovom vzore. Navyše kvôli možnosti rotácie atómov okolo osi väzby môže reťazec v priestore zabrať rôzne formy(konformácie):

Takáto štruktúra reťazca umožňuje, aby sa koncové alebo iné nesusediace atómy uhlíka navzájom priblížili. V dôsledku objavenia sa väzby medzi týmito atómami môžu byť uhlíkové reťazce uzavreté do kruhov (cyklov), napríklad:

Rôznorodosť organických zlúčenín je teda určená aj tým, že kedy rovnaké číslo atómov uhlíka v molekule, sú možné zlúčeniny s otvoreným otvoreným reťazcom atómov uhlíka, ako aj látky, ktorých molekuly obsahujú cykly.

Jednoduché a viacnásobné väzby.

Kovalentné väzby medzi atómami uhlíka tvorené jedným párom zovšeobecnených elektrónov sa nazývajú jednoduché väzby.

Väzba medzi atómami uhlíka môže byť uskutočnená nie jedným, ale dvoma alebo tromi spoločnými pármi elektrónov. Potom sa získajú reťazce s viacnásobnými - dvojitými alebo trojitými väzbami. Tieto spojenia možno znázorniť nasledovne:

Najjednoduchšie zlúčeniny obsahujúce viacnásobné väzby sú uhľovodíky etylén(s dvojitou väzbou) a acetylén(s trojitou väzbou):

Uhľovodíky s násobnými väzbami sa nazývajú nenasýtené alebo nenasýtené. Etylén a acetylén sú prvými predstaviteľmi dvoch homológnych sérií – etylénových a acetylénových uhľovodíkov.

Uhlík je možno hlavným a najúžasnejším chemickým prvkom na Zemi, pretože s jeho pomocou vzniká veľké množstvo rôznych zlúčenín, anorganických aj organických. Uhlík je základom všetkých živých bytostí, môžeme povedať, že uhlík je spolu s vodou a kyslíkom základom života na našej planéte! Uhlík má rôzne formy, ktoré nie sú podobné ani vo svojich fyzikálno-chemických vlastnostiach, ani v vzhľad. Ale to všetko je uhlík!

História objavu uhlíka

Uhlík je ľudstvu známy už od staroveku. Grafit a uhlie používali už starí Gréci, v Indii zasa diamanty. Je pravda, že zlúčeniny podobného vzhľadu boli často mylne považované za grafit. Grafit bol však široko používaný v staroveku, najmä na písanie. Dokonca aj jeho názov pochádza z gréckeho slova „grapho“ – „píšem“. Grafit sa teraz používa v ceruzkách. Prvýkrát sa s diamantmi obchodovalo v Brazílii v prvej polovici 18. storočia, odvtedy bolo objavených veľa ložísk a v roku 1970 bola vyvinutá technológia na umelú výrobu diamantov. Takéto umelé diamanty sa využívajú v priemysle, prírodné zasa v šperkoch.

uhlíka v prírode

Najvýznamnejšie množstvo uhlíka sa zhromažďuje v atmosfére a hydrosfére vo forme oxidu uhličitého. Atmosféra obsahuje asi 0,046% uhlíka a ešte viac - v rozpustenej forme vo Svetovom oceáne.

Navyše, ako sme videli vyššie, uhlík je základom živých organizmov. Napríklad 70 kg ľudské telo obsahuje asi 13 kg uhlíka! Je to len v jednej osobe! A uhlík sa nachádza aj vo všetkých rastlinách a živočíchoch. Takže zvážte...

Cyklus uhlíka v prírode

Alotropické modifikácie uhlíka

Uhlík je jedinečný chemický prvok, ktorý tvorí takzvané alotropické modifikácie, alebo jednoduchšie rôzne formy. Tieto modifikácie sa delia na kryštalické, amorfné a vo forme zhlukov.

Kryštálové modifikácie majú správnu kryštálovú mriežku. Do tejto skupiny patria: diamant, fullerit, grafit, lonsdaleit, uhlíkové vlákna a rúrky. Prevažná väčšina kryštalických modifikácií uhlíka je na prvom mieste v rebríčku „Najtvrdšie materiály na svete“.

Amorfné formy sú tvorené uhlíkom s malými prímesami iných chemické prvky. Hlavnými predstaviteľmi tejto skupiny sú: uhlie (kameň, drevo, aktivované), sadze, antracit.

Najzložitejšie a najmodernejšie sú zlúčeniny uhlíka vo forme zhlukov. Klastre sú špeciálna štruktúra, v ktorej sú atómy uhlíka usporiadané tak, že tvoria dutý tvar, ktorý je zvnútra vyplnený atómami iných prvkov, ako je voda. V tejto skupine nie je až tak veľa zástupcov, zahŕňa uhlíkové nanokuóny, astralény a diuhlík.

Aplikácia uhlíka

Uhlík a jeho zlúčeniny sú veľkú hodnotu v ľudskom živote. Uhlík tvorí hlavné druhy paliva na Zemi – zemný plyn a ropu. Zlúčeniny uhlíka majú široké využitie v chemickom a hutníckom priemysle, v stavebníctve, strojárstve a medicíne. Alotropické modifikácie vo forme diamantov sa používajú v šperkoch, fullerit a lonsdaleit v raketovej vede. Z uhlíkových zlúčenín sa vyrábajú rôzne mazivá pre mechanizmy, technické zariadenia a mnohé ďalšie. Priemysel sa dnes bez uhlíka nezaobíde, používa sa všade!