Въглерод в периодичната таблица. Въглероден двуокис

Физични свойства:въглеродът образува много алотропни модификации: диамант- едно от най-твърдите вещества графит, въглища, сажди.

Въглеродният атом има 6 електрона: 1s 2 2s 2 2p 2 . Последните два електрона са разположени в отделни р-орбитали и са несдвоени. По принцип тази двойка може да заема една и съща орбитала, но в този случай междуелектронното отблъскване значително се увеличава. Поради тази причина единият от тях взема 2p x, а другият или 2p y , или 2p z орбитали.

Разликата в енергията на s- и p-поднивата на външния слой е малка, така че атомът доста лесно преминава във възбудено състояние, при което един от двата електрона от 2s орбитала преминава в свободен 2 търкайте.Валентно състояние се появява с конфигурацията 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Именно това състояние на въглеродния атом е характерно за диамантената решетка - тетраедрично пространствено разположение на хибридни орбитали, еднаква дължина и енергия на връзките.

Известно е, че това явление се нарича sp 3 -хибридизация,и възникващите функции са sp 3 -хибридни . Образуването на четири sp 3 връзки осигурява на въглеродния атом по-стабилно състояние от три р-р-и една s-s-връзка. В допълнение към sp 3 хибридизация, sp 2 и sp хибридизация също се наблюдава при въглеродния атом . В първия случай се получава взаимно припокриване с-и две р-орбитали. Образуват се три еквивалентни sp 2 хибридни орбитали, разположени в една и съща равнина под ъгъл 120° една спрямо друга. Третата орбитала p е непроменена и насочена перпендикулярно на равнината sp2.

По време на sp хибридизация s и p орбиталите се припокриват. Между двете еквивалентни хибридни орбитали, които се образуват, възниква ъгъл от 180°, докато двете p-орбитали на всеки атом остават непроменени.

Алотропия на въглерода. Диамант и графит

В графитен кристал въглеродните атоми са разположени в успоредни равнини, заемайки върховете на правилни шестоъгълници. Всеки въглероден атом е свързан с три съседни sp 2 хибридни връзки. Връзката между паралелни равнини се осъществява благодарение на силите на Ван дер Ваалс. Свободните p-орбитали на всеки атом са насочени перпендикулярно на равнините на ковалентните връзки. Тяхното припокриване обяснява допълнителната π връзка между въглеродните атоми. По този начин, от валентното състояние, в което се намират въглеродните атоми в дадено вещество, определя свойствата на това вещество.

Химични свойства на въглерода

Най-характерните степени на окисление са: +4, +2.

При ниски температури въглеродът е инертен, но при нагряване активността му се увеличава.

Въглерод като редуциращ агент:

- с кислород
C 0 + O 2 – t° = CO 2 въглероден диоксид
с липса на кислород - непълно изгаряне:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O въглероден окис

- с флуор
C + 2F 2 = CF 4

- с водна пара
C 0 + H 2 O – 1200° = C + 2 O + H 2 воден газ

- с метални оксиди. Ето как се топи метал от руда.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2

- с киселини - окислители:
C 0 + 2H 2 SO 4 (конц.) = C + 4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (конц.) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- образува въглероден дисулфид със сяра:
C + 2S 2 = CS 2.

Въглеродът като окислител:

- образува карбиди с някои метали

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- с водород - метан (както и огромен брой органични съединения)

C0 + 2H2 = CH4

— със силиций, образува карборунд (при 2000 °C в електрическа пещ):

Намиране на въглерод в природата

Свободният въглерод се среща под формата на диамант и графит. Под формата на съединения въглеродът се намира в минерали: креда, мрамор, варовик - CaCO 3, доломит - MgCO 3 * CaCO 3; хидрокарбонати - Mg(HCO 3) 2 и Ca (HCO 3) 2, CO 2 е част от въздуха; Въглеродът е основният компонент на естествените органични съединения - газ, нефт, въглища, торф и е част от органичните вещества, протеини, мазнини, въглехидрати, аминокиселини, които изграждат живите организми.

Неорганични въглеродни съединения

Нито C 4+, нито C 4- йони се образуват по време на конвенционални химични процеси: въглеродните съединения съдържат ковалентни връзки с различна полярност.

Въглероден окис CO

Въглероден окис; безцветен, без мирис, слабо разтворим във вода, разтворим в органични разтворители, токсичен, точка на кипене = -192°C; t pl. = -205°C.

Касова бележка
1) В промишлеността (в газови генератори):
C + O 2 = CO 2

2) В лаборатория - термично разлагане на мравчена или оксалова киселина в присъствието на H 2 SO 4 (конц.):
HCOOH = H2O + CO

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

Химични свойства

При нормални условия CO е инертен; при нагряване - редуциращ агент; несолеобразуващ оксид.

1) с кислород

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

2) с метални оксиди

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

3) с хлор (на светлина)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (фосген)

4) реагира с алкални стопи (под налягане)

CO + NaOH = HCOONa (натриев формиат)

5) образува карбонили с преходни метали

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Въглероден окис (IV) CO2

Въглероден диоксид, без цвят, без мирис, разтворимост във вода - 0,9V CO 2 се разтваря в 1V H 2 O (при нормални условия); по-тежък от въздуха; t°pl = -78,5°C (твърдият CO 2 се нарича „сух лед“); не поддържа горене.

Касова бележка

1. Термично разлагане на соли на въглена киселина (карбонати). Изпичане на варовик:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

1. Действието на силни киселини върху карбонати и бикарбонати:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2

химическиИмотиCO2
Киселинен оксид: Реагира с основни оксиди и основи, за да образува соли на въглеродна киселина

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

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

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

При повишени температури може да прояви окислителни свойства

C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Качествена реакция

Мътност на варовита вода:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (бяла утайка) + H 2 O

Изчезва при продължително преминаване на CO 2 през варовита вода, т.к неразтворимият калциев карбонат се превръща в разтворим бикарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2

Въглеродна киселина и нейнитесол

H 2CO 3 -Слаба киселина, съществува само във воден разтвор:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Двуосновен:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Киселинни соли - бикарбонати, бикарбонати
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Средни соли - карбонати

Всички свойства на киселините са характерни.

Карбонатите и бикарбонатите могат да се трансформират един в друг:

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

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

Металните карбонати (с изключение на алкалните метали) декарбоксилират при нагряване до образуване на оксид:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2

Качествена реакция- "кипене" под въздействието на силна киселина:

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

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

Карбиди

Калциев карбид:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

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

Ацетиленът се отделя, когато цинковият, кадмиевият, лантановият и цериевият карбид реагират с вода:

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

Be 2 C и Al 4 C 3 се разлагат с вода до образуване на метан:

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

В технологията се използват титанови карбиди TiC, волфрам W 2 C (твърди сплави), силиций SiC (карборунд - като абразив и материал за нагреватели).

Цианид

получен чрез нагряване на сода в атмосфера на амоняк и въглероден окис:

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

Циановодородната киселина HCN е важен продукт на химическата промишленост и се използва широко в органичния синтез. Световното му производство достига 200 хиляди тона годишно. Електронната структура на цианидния анион е подобна на въглеродния оксид (II); такива частици се наричат ​​изоелектронни:

° С = O: [:C = Н:] -

Цианидите (0,1-0,2% воден разтвор) се използват при добива на злато:

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

При кипене на разтвори на цианид със сяра или топене на твърди вещества те се образуват тиоцианати:
KCN + S = KSCN.

При нагряване на цианиди на нискоактивни метали се получава цианид: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. Цианидните разтвори се окисляват до цианати:

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

Циановата киселина съществува в две форми:

H-N=C=O; H-O-C = Н:

През 1828 г. Фридрих Вьолер (1800-1882) получава урея от амониев цианат: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 чрез изпаряване на воден разтвор.

Това събитие обикновено се смята за победа на синтетичната химия над "виталистичната теория".

Има изомер на цианова киселина - експлозивна киселина

H-O-N=C.
Неговите соли (живачен фулминат Hg(ONC) 2) се използват в ударни възпламенители.

Синтез урея(урея):

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

Уреята е амид на въглеродна киселина, има и нейния „азотен аналог“ – гуанидин.

Карбонати

Най-важните неорганични въглеродни съединения са солите на въглеродната киселина (карбонати). H 2 CO 3 е слаба киселина (K 1 = 1,3 10 -4; K 2 = 5 10 -11). Поддържа карбонатен буфер равновесие на въглероден диоксидв атмосферата. Световните океани имат огромен буферен капацитет, защото са отворена система. Основната буферна реакция е равновесието по време на дисоциацията на въглеродната киселина:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - .

Когато киселинността намалява, настъпва допълнително усвояване на въглероден диоксид от атмосферата с образуването на киселина:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .

С увеличаването на киселинността карбонатните скали (черупки, креда и варовикови утайки в океана) се разтварят; това компенсира загубата на хидрокарбонатни йони:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (твърд) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Твърдите карбонати се превръщат в разтворими бикарбонати. Именно този процес на химическо разтваряне на излишния въглероден диоксид противодейства на „парниковия ефект“ - глобалното затопляне, дължащо се на поглъщането на топлинна радиация от Земята от въглероден диоксид. Около една трета от световното производство на сода (натриев карбонат Na 2 CO 3) се използва в производството на стъкло.

Въглероден диоксид, въглероден оксид, въглероден диоксид - всичко това са имена на едно вещество, известно ни като въглероден диоксид. И така, какви свойства има този газ и какви са неговите области на приложение?

Въглероден диоксид и неговите физични свойства

Въглеродният диоксид се състои от въглерод и кислород. Формулата за въглероден диоксид изглежда така – CO₂. В природата се образува при изгаряне или гниене на органични вещества. Съдържанието на газ във въздуха и минералните извори също е доста високо. В допълнение, хората и животните също отделят въглероден диоксид, когато издишват.

Ориз. 1. Молекула въглероден диоксид.

Въглеродният диоксид е напълно безцветен газ и не може да се види. Освен това няма мирис. Въпреки това, при високи концентрации, човек може да развие хиперкапния, тоест задушаване. Липсата на въглероден диоксид също може да причини здравословни проблеми. В резултат на липсата на този газ може да се развие обратното на задушаване състояние - хипокапния.

Ако поставите въглероден диоксид в условия на ниска температура, тогава при -72 градуса той кристализира и става като сняг. Следователно въглеродният диоксид в твърдо състояние се нарича "сух сняг".

Ориз. 2. Сух сняг – въглероден диоксид.

Въглеродният диоксид е 1,5 пъти по-плътен от въздуха. Плътността му е 1,98 kg/m³ Химическата връзка в молекулата на въглеродния диоксид е полярна ковалентна. Той е полярен поради факта, че кислородът има по-висока стойност на електроотрицателност.

Важна концепция в изучаването на веществата е молекулната и моларната маса. Моларната маса на въглеродния диоксид е 44. Това число се образува от сумата на относителните атомни маси на атомите, които изграждат молекулата. Стойностите на относителните атомни маси са взети от таблицата на D.I. Менделеев и са закръглени до цели числа. Съответно, моларната маса на CO₂ = 12+2*16.

За да се изчислят масовите дялове на елементите във въглеродния диоксид, е необходимо да се следва формулата за изчисляване на масовите дялове на всеки химичен елемент в дадено вещество.

н– брой атоми или молекули.
А r– относителна атомна маса на химичен елемент.
г-н– относителна молекулна маса на веществото.
Нека изчислим относителната молекулна маса на въглеродния диоксид.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 или 27% Тъй като формулата на въглеродния диоксид включва два кислородни атома, тогава n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 или 73%

Отговор: w(C) = 0,27 или 27%; w(O) = 0,73 или 73%

Химични и биологични свойства на въглеродния диоксид

Въглеродният диоксид има киселинни свойства, тъй като е киселинен оксид и когато се разтвори във вода, образува въглеродна киселина:

CO₂+H2O=H2CO3

Реагира с алкали, което води до образуване на карбонати и бикарбонати. Този газ не гори. Само някои активни метали, като магнезий, горят в него.

При нагряване въглеродният диоксид се разпада на въглероден оксид и кислород:

2CO3=2CO+O3.

Подобно на други киселинни оксиди, този газ лесно реагира с други оксиди:

СaO+Co₃=CaCO₃.

Въглеродният диоксид е част от всички органични вещества. Циркулацията на този газ в природата се осъществява с помощта на производители, консуматори и разложители. В процеса на живот човек произвежда приблизително 1 kg въглероден диоксид на ден. Когато вдишваме, получаваме кислород, но в този момент в алвеолите се образува въглероден диоксид. В този момент се извършва обмен: кислородът влиза в кръвта и въглеродният диоксид излиза.

Въглеродният диоксид се получава при производството на алкохол. Този газ също е страничен продукт при производството на азот, кислород и аргон. Използването на въглероден диоксид е необходимо в хранително-вкусовата промишленост, където въглеродният диоксид действа като консервант, а въглеродният диоксид в течна форма се намира в пожарогасителите.

Ориз. 3. Пожарогасител.

Какво научихме?

Въглеродният диоксид е вещество, което при нормални условия е без цвят и мирис. В допълнение към общоприетото си наименование въглероден диоксид, той се нарича още въглероден оксид или въглероден диоксид.

Тест по темата

Оценка на доклада

Среден рейтинг: 4.3. Общо получени оценки: 116.

Въглеродът (английски Carbon, френски Carbone, немски Kohlenstoff) под формата на въглища, сажди и сажди е познат на човечеството от незапомнени времена; преди около 100 хиляди години, когато нашите предци са владеели огъня, те са се занимавали с въглища и сажди всеки ден. Вероятно много рано хората са се запознали с алотропните модификации на въглерода - диамант и графит, както и изкопаемите въглища. Не е изненадващо, че изгарянето на вещества, съдържащи въглерод, е един от първите химични процеси, които интересуват човека. Тъй като горящото вещество изчезва, когато се погълне от огън, горенето се счита за процес на разлагане на веществото и следователно въглищата (или въглеродът) не се считат за елемент. Елементът беше огънят - явление, съпътстващо горенето; В древните учения за елементите огънят обикновено се появява като един от елементите. В началото на XVII - XVIII век. Възниква теорията за флогистона, предложена от Бехер и Стал. Тази теория признава наличието във всяко горимо тяло на специално елементарно вещество - безтегловна течност - флогистон, която се изпарява по време на процеса на горене. Тъй като при изгаряне на голямо количество въглища остава само малко пепел, флогистиката смята, че въглищата са почти чист флогистон. Това е, което обяснява, по-специално, "флогистичния" ефект на въглищата - способността им да възстановяват метали от "вар" и руди. По-късните флогистици, Реомюр, Бергман и други, вече започват да разбират, че въглищата са елементарно вещество. „Чистите въглища“ обаче са признати за първи път от Лавоазие, който изучава процеса на изгаряне на въглища и други вещества във въздух и кислород. В книгата "Метод на химическата номенклатура" (1787 г.) на Гитон дьо Морво, Лавоазие, Бертоле и Фуркроа името "въглерод" (carbone) се появява вместо френското "чисти въглища" (charbone pur). Под същото име въглеродът се появява в „Таблицата на простите тела“ в „Елементарния учебник по химия“ на Лавоазие. През 1791 г. английският химик Тенант е първият, който получава свободен въглерод; той прекарва фосфорни пари върху калцинирана креда, което води до образуването на калциев фосфат и въглерод. Отдавна е известно, че при силно нагряване диамантът гори, без да оставя следи. Още през 1751 г. френският крал Франциск I се съгласява да даде диамант и рубин за експерименти с изгаряне, след което тези експерименти дори стават модерни. Оказа се, че само диамантът гори, а рубинът (алуминиев оксид с примес на хром) може да издържи продължително нагряване във фокуса на лещата за запалване без повреда. Лавоазие проведе нов експеримент за изгаряне на диаманти с помощта на голяма запалителна машина и стигна до заключението, че диамантът е кристален въглерод. Вторият алотроп на въглерода - графитът в алхимичния период се счита за модифициран оловен блясък и се нарича plumbago; Едва през 1740 г. Пот открива липсата на оловни примеси в графита. Шееле изучава графита (1779) и като флогистик го смята за специален вид сярно тяло, специален минерален въглен, съдържащ свързана „въздушна киселина“ (CO 2 ) и голямо количество флогистон.

Двадесет години по-късно Guiton de Morveau превръща диаманта в графит и след това във въглена киселина чрез внимателно нагряване.

Международното име Carboneum идва от лат. карбо (въглища). Тази дума има много древен произход. Сравнява се с cremare – изгарям; корен sag, cal, руски гар, гал, гол, санскрит sta означава варя, готвя. Думата "карбо" се свързва с имената на въглерод в други европейски езици (въглерод, карбон и др.). Немският Kohlenstoff идва от Kohle - въглища (старонемски kolo, шведски kylla - загрявам). Староруският угорати, или угарати (да горя, изгарям) има корена гар, или планини, с възможен преход към гол; въглища в староруски югал или въглища от същия произход. Думата диамант (Diamante) произлиза от старогръцки - неразрушим, непреклонен, твърд, а графит от гръцки - пиша.

въглерод(лат. carboneum), C, химичен елемент от IV група на периодичната система на Менделеев, атомен номер 6, атомна маса 12.011. Известни са два стабилни изотопа: 12 c (98,892%) и 13 c (1,108%). От радиоактивните изотопи най-важният е 14 s с период на полуразпад (T = 5,6 × 10 3 години). Малки количества 14 c (около 2 × 10 -10% от масата) се образуват постоянно в горните слоеве на атмосферата под действието на неутроните на космическото излъчване върху азотния изотоп 14 n. Въз основа на специфичната активност на изотопа 14 c в остатъци от биогенен произход се определя тяхната възраст. 14 c се използва широко като .

Историческа справка . У. е известен от древни времена. Въгленът служи за възстановяване на метали от руди, диамантът - като скъпоценен камък. Много по-късно графитът започва да се използва за направата на тигели и моливи.

През 1778 г. К. Шеле,нагряване на графит със селитра, открих, че в този случай, както при нагряване на въглища със селитра, се отделя въглероден диоксид. Химическият състав на диаманта е установен в резултат на опити на А. Лавоазие(1772) относно изследването на изгарянето на диаманти във въздуха и изследванията на S. Тенант(1797), който доказа, че еднакви количества диамант и въглища произвеждат еднакви количества въглероден диоксид по време на окисление. U. е признат за химичен елемент през 1789 г. от Лавоазие. U. получи латинското наименование carboneum от carbo - въглища.

Разпространение в природата. Средното съдържание на уран в земната кора е 2,3? 10 -2% от теглото (1 ? 10 -2 в ултраосновен, 1 ? 10 -2 - в основен, 2 ? 10 -2 - в среден, 3 ? 10 -2 - Вкиселинни скали). U. се натрупва в горната част на земната кора (биосфера): в живата материя 18% U., дърво 50%, въглища 80%, нефт 85%, антрацит 96%. Значителна част от литосферата на У. е съсредоточена във варовици и доломити.

Броят на собствените минерали на U. е 112; Броят на органичните съединения на въглеводородите и техните производни е изключително голям.

Натрупването на въглерод в земната кора е свързано с натрупването на много други елементи, които се сорбират от органичните вещества и се утаяват под формата на неразтворими карбонати и др. Co 2 и въглеродната киселина играят основна геохимична роля в земната кора. По време на вулканизма се отделя огромно количество СО2 - в историята на Земята това е бил основният източник на въглероден диоксид за биосферата.

В сравнение със средното съдържание в земната кора, човечеството извлича уран от недрата (въглища, нефт, природен газ) в изключително големи количества, тъй като тези минерали са основният източник на енергия.

Урановият цикъл е от голямо геохимично значение.

U. също е широко разпространен в космоса; на Слънцето се нарежда на 4-то място след водорода, хелия и кислорода.

Физични и химични свойства. Известни са четири кристални модификации на въглерода: графит, диамант, карбин и лонсдейлит. Графитът е сиво-черна, непрозрачна, мазна на пипане, люспеста, много мека маса с метален блясък. Изграден от кристали с шестоъгълна структура: a=2,462 a, c=6,701 a. При стайна температура и нормално налягане (0,1 Mn/m 2,или 1 kgf/cm 2) графитът е термодинамично стабилен. Диамантът е много твърдо, кристално вещество. Кристалите имат гранецентрирана кубична решетка: а = 3560 а. При стайна температура и нормално налягане диамантът е метастабилен (за подробности относно структурата и свойствата на диаманта и графита вижте съответните статии). Забележима трансформация на диаманта в графит се наблюдава при температури над 1400 °C във вакуум или в инертна атмосфера. При атмосферно налягане и температура около 3700 °C графитът сублимира. Течен U. може да се получи при налягане над 10,5 Mn/m 2(105 kgf/cm 2) и температури над 3700 °C. За твърд U. ( кокс, сажди, дървени въглища) състояние с нарушена структура също е характерно - така нареченото „аморфно“ U., което не представлява самостоятелна модификация; Структурата му се основава на структурата на финокристален графит. Нагряването на някои разновидности на "аморфния" въглерод над 1500-1600 °C без достъп на въздух води до превръщането им в графит. Физичните свойства на "аморфния" въглерод са силно зависими от дисперсията на частиците и наличието на примеси. Плътността, топлинният капацитет, топлопроводимостта и електрическата проводимост на "аморфния" въглерод винаги са по-високи от тези на графита. Карбин се получава по изкуствен път. Това е фин кристален черен прах (плътност 1,9-2 g/cm3) . Изграден от дълги вериги от С атоми, разположени успоредно един на друг. Лонсдейлитът се намира в метеорити и се получава изкуствено; структурата и свойствата му не са категорично установени.

Конфигурация на външната електронна обвивка на U атома. 2s 2 2p 2 .Въглеродът се характеризира с образуването на четири ковалентни връзки, дължащи се на възбуждането на външната електронна обвивка до състояние 2 sp3.Следователно въглеродът е еднакво способен както да привлича, така и да отдава електрони. Химическото свързване може да възникне поради sp 3 -, sp 2 -И sp-хибридни орбитали, които съответстват на координационни числа 4, 3 и 2. Броят на валентните електрони на електрона и броят на валентните орбитали са еднакви; Това е една от причините за стабилността на връзката между U атомите.

Уникалната способност на атомите на урана да се свързват един с друг, за да образуват силни и дълги вериги и цикли, доведе до появата на огромен брой различни уранови съединения, които се изучават. органична химия.

В съединения уранът проявява степен на окисление -4; +2; +4. Атомен радиус 0,77 a, ковалентни радиуси 0,77 a, 0,67 a, 0,60 a, съответно, в единични, двойни и тройни връзки; йонен радиус c 4- 2,60 a , c 4+ 0,20 a . При нормални условия уранът е химически инертен, при високи температури той се свързва с много елементи, проявявайки силни редуциращи свойства. Химическата активност намалява в следния ред: „аморфен” въглерод, графит, диамант; взаимодействието с кислорода на въздуха (горене) възниква съответно при температури над 300-500 °C, 600-700 °C и 850-1000 °C с образуването на въглероден диоксид co 2 и въглероден оксид co.

co 2 се разтваря във вода, за да се образува карбонова киселина.През 1906 г. О. Диелсполучава субоксид U. c 3 o 2. Всички форми на U. са устойчиви на основи и киселини и се окисляват бавно само от много силни окислители (хромна смес, смес от концентрирани hno 3 и kclo 3 и др.). „Аморфният“ U. реагира с флуор при стайна температура, графит и диамант - при нагряване. Директната връзка на въглеродния диоксид с хлора се осъществява в електрическа дъга; U. не реагира с бром и йод, поради което много въглеродни халогенидисинтезиран индиректно. От оксихалидите с обща формула cox 2 (където X е халоген), най-известният е оксихлорид cocl 2 ( фосген) . Водородът не взаимодейства с диаманта; реагира с графит и "аморфен" въглерод при високи температури в присъствието на катализатори (ni, pt): при 600-1000 ° C се образува главно метан ch 4, при 1500-2000 ° C - ацетилен c 2 h 2 , В продуктите могат да присъстват и други въглеводороди, например етан c 2 h 6 , бензен c 6 h 6 . Взаимодействието на сярата с "аморфен" въглерод и графит започва при 700-800 °C, с диаманта при 900-1000 °C; във всички случаи се образува въглероден дисулфид cs 2. д-р U. съединения, съдържащи сяра (cs тиоксид, c 3 s 2 тиоксид, cos сулфид и тиофосген cscl 2), се получават индиректно. Когато cs 2 взаимодейства с метални сулфиди, се образуват тиокарбонати - соли на слаба тиокарбонова киселина. Взаимодействието на въглероден диоксид с азот за получаване на цианоген (cn) 2 възниква, когато електрически разряд преминава между въглеродни електроди в азотна атмосфера. Сред азотсъдържащите съединения на урана голямо практическо значение имат циановодородът hcn и многобройните му производни: цианиди, халохалогенати, нитрили и др.. При температури над 1000 ° C уранът взаимодейства с много метали, давайки карбиди.Всички форми на въглерод при нагряване редуцират металните оксиди с образуването на свободни метали (zn, cd, cu, pb и др.) или карбиди (cac 2, mo 2 c, wo, tac и др.). U. реагира при температури над 600-800 ° C с водни пари и въглероден диоксид . Отличителна черта на графита е способността при умерено нагряване до 300-400 °C да взаимодейства с алкални метали и халогениди, за да образува комутационни връзкитип c 8 me, c 24 me, c 8 x (където X е халоген, me е метал). Известните съединения включват графит с hno 3, h 2 so 4, fecl 3 и т.н. (например графитен бисулфат c 24 so 4 h 2). Всички форми на уран са неразтворими в обикновени неорганични и органични разтворители, но се разтварят в някои разтопени метали (например Fe, Ni, Co).

Националното икономическо значение на енергията се определя от факта, че над 90% от всички първични източници на енергия, консумирани в света, идват от органични източници. гориво,чиято доминираща роля ще продължи през следващите десетилетия, въпреки интензивното развитие на ядрената енергетика. Само около 10% от добитото гориво се използва като суровина за основен органичен синтезИ нефтохимичен синтез,за получаване пластмасии т.н.

Б. А. Поповкин.

U. в тялото . U. е най-важният биогенен елемент, който формира основата на живота на Земята, структурна единица от огромен брой органични съединения, участващи в изграждането на организмите и осигуряване на жизнените им функции ( биополимери,както и множество нискомолекулни биологично активни вещества - витамини, хормони, медиатори и др.). Значителна част от енергията, необходима на организмите, се образува в клетките поради окисляването на въглерода.Възникването на живота на Земята се разглежда в съвременната наука като сложен процес на еволюция на въглеродни съединения .

Уникалната роля на въглерода в живата природа се дължи на неговите свойства, които в съвкупност не се притежават от никой друг елемент от периодичната система. Между въглеродните атоми, както и между въглерода и други елементи се образуват силни химични връзки, които обаче могат да бъдат разкъсани при относително меки физиологични условия (тези връзки могат да бъдат единични, двойни или тройни). Способността на въглерода да образува четири еквивалентни валентни връзки с други въглеродни атоми прави възможно конструирането на въглеродни скелети от различни типове - линейни, разклонени и циклични. Показателно е, че само три елемента - С, О и Н - съставляват 98% от общата маса на живите организми. Това постига известна ефективност в живата природа: с почти неограничено структурно разнообразие от въглеродни съединения, малък брой видове химични връзки позволява значително да се намали броят на ензимите, необходими за разграждането и синтеза на органични вещества. Структурните характеристики на въглеродния атом са в основата на различните типове изомерияорганични съединения (способността за оптична изомерия се оказва решаваща в биохимичната еволюция на аминокиселините, въглехидратите и някои алкалоиди).

Според общоприетата хипотеза на A.I. Опарина,Първите органични съединения на Земята са с абиогенен произход. Източниците на водород са метан (ch 4) и циановодород (hcn), съдържащи се в първичната атмосфера на Земята. С появата на живота единственият източник на неорганичен въглерод, благодарение на който се образува цялата органична материя на биосферата, е въглероден двуокис(co 2), намиращ се в атмосферата, а също и разтворен в естествени води под формата на hco - 3. Най-мощният механизъм за асимилация (асимилация) на U. (под формата на co 2) - фотосинтеза -извършва се навсякъде от зелени растения (годишно се усвояват около 100 млрд.). Tко 2). На Земята съществува еволюционно по-древен метод за асимилиране на co 2 чрез хемосинтеза;в този случай хемосинтетичните микроорганизми използват не лъчистата енергия на Слънцето, а енергията на окисление на неорганични съединения. Повечето животни консумират уран с храната под формата на готови органични съединения. В зависимост от метода на усвояване на органичните съединения е обичайно да се разграничават автотрофни организмиИ хетеротрофни организми.Използване на микроорганизми за биосинтеза на протеини и други хранителни вещества, като се използва U като единствен източник. въглеводородимаслото е един от важните съвременни научно-технически проблеми.

Съдържанието на U в живите организми, изчислено на база сухо вещество, е: 34,5-40% във водните растения и животни, 45,4-46,5% в сухоземните растения и животни и 54% в бактериите. По време на живота на организмите, главно поради тъканно дишане,окислителното разлагане на органичните съединения възниква с освобождаването на co 2 във външната среда. U. също се освобождава като част от по-сложни метаболитни крайни продукти. След смъртта на животните и растенията, част от въглерода отново се превръща в CO2 в резултат на процеси на гниене, извършвани от микроорганизми. Ето как се случва цикълът на въглерода в природата . Значителна част от урана се минерализира и образува залежи от изкопаем уран: въглища, нефт, варовик и др. В допълнение към основните функции - източникът на уран - co 2, разтворен в природни води и биологични течности, участва в поддържането на оптимална киселинност на средата за жизнени процеси . Като част от caco 3, U. образува екзоскелета на много безгръбначни (например черупки на мекотели), а също така се намира в корали, черупки от яйца на птици и др. U. съединения като hcn, co, ccl 4, които преобладават в първичната атмосфера на Земята в предбиологичния период, по-късно, в процеса на биологичната еволюция, се превърна в силна антиметаболитиметаболизъм.

В допълнение към стабилните изотопи на въглерода, радиоактивният 14c е широко разпространен в природата (човешкото тяло съдържа около 0,1 макюри) . Използването на уранови изотопи в биологични и медицински изследвания е свързано с много големи постижения в изучаването на метаболизма и цикъла на урана в природата. . По този начин, с помощта на радиовъглероден етикет, е доказана възможността за фиксиране на h 14 co - 3 от растения и животински тъкани, установена е последователността на реакциите на фотосинтеза, изследван е метаболизмът на аминокиселините, пътищата на биосинтеза на много проследени са биологично активни съединения и др. Използването на 14 c допринесе за успеха на молекулярната биология в изследването на механизмите на биосинтеза на протеини и предаването на наследствена информация. Определянето на специфичната активност на 14 c в органични остатъци, съдържащи въглерод, позволява да се прецени тяхната възраст, което се използва в палеонтологията и археологията.

Н. Н. Чернов.

Лит.:Шафрановски I.I., Алмази, М. - Л., 1964; Ubbelohde A.R., Lewis F.A., Графит и неговите кристални съединения, прев. от англ., М., 1965; Реми Г., Курс по неорганична химия, прев. от немски, т. 1, М., 1972; Перелман A.I., Геохимия на елементите в зоната на хипергенезата, М., 1972; Некрасов B.V., Основи на общата химия, 3 изд., М., 1973; Ахметов Н.С., Неорганична химия, 2-ро издание, М., 1975 г.; Вернадски V.I., Очерци по геохимия, 6 изд., М., 1954; Roginsky S.Z., Shnol S.E., Изотопи в биохимията, М., 1963; Хоризонти на биохимията, прев. от англ., М., 1964; Проблеми на еволюционната и техническа биохимия, М., 1964; Калвин М., Химическа еволюция, прев. от англ., М., 1971; Löwy A., Sikiewitz F., Клетъчна структура и функция, прев. от английски, 1971, гл. 7; Биосфера, прев. от английски, М., 1972.

Изтегляне на резюме

Въглерод С е номер 6 в периодичната таблица на Менделеев.Още първобитните хора са забелязали, че след изгаряне на дърва се образуват въглища, с които може да се рисува по стените на пещера. Всички органични съединения съдържат въглерод. Двете най-изследвани алотропни модификации на въглерода са графит и диамант.

Въглеродът в органичната химия

Въглеродът заема специално място в периодичната таблица. Поради своята структура, той образува дълги вериги от връзки с линейна или циклична структура. Известни са повече от 10 милиона органични съединения. Въпреки тяхното разнообразие, във въздуха и под въздействието на температурата те винаги ще се превръщат във въглероден диоксид и.

Ролята на въглерода в нашето ежедневие е огромна. Без въглероден диоксид фотосинтезата, един от основните биологични процеси, няма да се случи.

Приложение на карбон

Въглеродът се използва широко в медицината за създаване на различни органични лекарства. Въглеродните изотопи позволяват радиовъглеродно датиране. Без въглерод металургичната индустрия не може да работи. Въглищата, изгаряни в пиролизни котли на твърдо гориво, служат като източник на енергия. В нефтопреработвателната промишленост бензинът и дизеловото гориво се произвеждат от органични въглеродни съединения. Голяма част от въглерода е необходим за производството на захар. Използва се и при синтеза на органични съединения, важни за всички области на ежедневието.