Karbon dalam tabel periodik. Karbon dioksida

Properti fisik: karbon membentuk banyak modifikasi alotropik: berlian- salah satu zat yang paling keras grafit, batu bara, jelaga.

Sebuah atom karbon memiliki 6 elektron: 1s 2 2s 2 2p 2 . Dua elektron terakhir terletak di orbital p terpisah dan tidak berpasangan. Pada prinsipnya, pasangan ini dapat menempati orbital yang sama, tetapi dalam kasus ini tolakan antarelektron meningkat pesat. Oleh karena itu, salah satunya mengambil 2p x, dan yang lainnya, 2p y , atau orbital 2p z.

Perbedaan energi sublevel s dan p pada lapisan terluar kecil, sehingga atom dengan mudah masuk ke keadaan tereksitasi, di mana salah satu dari dua elektron dari orbital 2s berpindah ke orbital bebas. 2 gosok. Keadaan valensi muncul dengan konfigurasi 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Keadaan atom karbon inilah yang menjadi ciri kisi berlian—susunan spasial tetrahedral dari orbital hibrid, panjang dan energi ikatan yang identik.

Fenomena ini diketahui disebut sp 3 -hibridisasi, dan fungsi yang muncul adalah sp 3 -hibrida . Pembentukan empat ikatan sp 3 memberikan atom karbon keadaan lebih stabil daripada tiga r-r- dan satu koneksi s-s. Selain hibridisasi sp 3, hibridisasi sp 2 dan sp juga diamati pada atom karbon . Dalam kasus pertama, terjadi saling tumpang tindih S- dan dua orbital p. Terbentuklah tiga orbital hibrid sp 2 ekuivalen yang terletak pada bidang yang sama dengan sudut 120° satu sama lain. Orbital ketiga p tidak berubah dan arahnya tegak lurus terhadap bidang sp2.

Selama hibridisasi sp, orbital s dan p tumpang tindih. Sudut 180° timbul antara dua orbital hibrid ekuivalen yang terbentuk, sedangkan dua orbital p masing-masing atom tetap tidak berubah.

Alotropi karbon. Berlian dan grafit

Dalam kristal grafit, atom karbon terletak pada bidang paralel, menempati simpul segi enam beraturan. Setiap atom karbon terikat pada tiga ikatan hibrid sp 2 yang bertetangga. Hubungan antar bidang sejajar dilakukan karena gaya van der Waals. Orbital p bebas setiap atom diarahkan tegak lurus terhadap bidang ikatan kovalen. Tumpang tindihnya menjelaskan adanya ikatan π tambahan antara atom karbon. Jadi, dari keadaan valensi di mana atom karbon dalam suatu zat berada menentukan sifat-sifat zat tersebut.

Sifat kimia karbon

Bilangan oksidasi yang paling khas adalah: +4, +2.

Pada suhu rendah karbon bersifat inert, namun bila dipanaskan aktivitasnya meningkat.

Karbon sebagai zat pereduksi:

- dengan oksigen
C 0 + O 2 – t° = CO 2 karbon dioksida
dengan kekurangan oksigen - pembakaran tidak sempurna:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O karbon monoksida

- dengan fluor
C + 2F 2 = CF 4

- dengan uap air
C 0 + H 2 O – 1200° = C +2 O + H 2 gas air

- dengan oksida logam. Beginilah cara logam dilebur dari bijih.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2

- dengan asam - zat pengoksidasi:
C 0 + 2H 2 SO 4 (konsentrasi) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (konsentrasi) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- membentuk karbon disulfida dengan belerang:
C + 2S 2 = CS 2.

Karbon sebagai oksidator:

- membentuk karbida dengan beberapa logam

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- dengan hidrogen - metana (serta sejumlah besar senyawa organik)

C0 + 2H2 = CH4

— dengan silikon, membentuk karborundum (pada 2000 °C dalam tungku listrik):

Menemukan karbon di alam

Karbon bebas terjadi dalam bentuk intan dan grafit. Dalam bentuk senyawa, karbon terdapat pada mineral: kapur, marmer, batu kapur - CaCO 3, dolomit - MgCO 3 *CaCO 3; hidrokarbonat - Mg(HCO 3) 2 dan Ca(HCO 3) 2, CO 2 adalah bagian dari udara; Karbon merupakan komponen utama senyawa organik alami - gas, minyak, batu bara, gambut, dan merupakan bagian dari zat organik, protein, lemak, karbohidrat, asam amino penyusun organisme hidup.

Senyawa karbon anorganik

Baik ion C 4+ maupun C 4- tidak terbentuk selama proses kimia konvensional: senyawa karbon mengandung ikatan kovalen dengan polaritas berbeda.

Karbon monoksida BERSAMA

Karbon monoksida; tidak berwarna, tidak berbau, sedikit larut dalam air, larut dalam pelarut organik, beracun, titik didih = -192°C; t hal. = -205°C.

Kuitansi
1) Dalam industri (dalam generator gas):
C + O 2 = CO 2

2) Di laboratorium - dekomposisi termal asam format atau oksalat dengan adanya H 2 SO 4 (conc.):
HCOOH = H2O + CO

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

Sifat kimia

Dalam kondisi normal, CO bersifat inert; saat dipanaskan - zat pereduksi; oksida yang tidak membentuk garam.

1) dengan oksigen

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

2) dengan oksida logam

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

3) dengan klorin (dalam cahaya)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (fosgen)

4) bereaksi dengan lelehan alkali (di bawah tekanan)

CO + NaOH = HCOONa (natrium format)

5) membentuk karbonil dengan logam transisi

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Karbon monoksida (IV) CO2

Karbon dioksida, tidak berwarna, tidak berbau, larut dalam air - 0,9V CO 2 larut dalam 1V H 2 O (dalam kondisi normal); lebih berat dari udara; t°pl.= -78,5°C (CO 2 padat disebut “es kering”); tidak mendukung pembakaran.

Kuitansi

1. Dekomposisi termal garam asam karbonat (karbonat). Pembakaran batu kapur:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

1. Aksi asam kuat pada karbonat dan bikarbonat:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

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

Bahan kimiapropertiBERSAMA2
Oksida asam: Bereaksi dengan oksida basa dan basa membentuk garam asam karbonat

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

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

NaOH + CO2 = NaHCO3

Pada suhu tinggi mungkin menunjukkan sifat pengoksidasi

C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Reaksi kualitatif

Kekeruhan air kapur:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (endapan putih) + H 2 O

Hilang jika CO 2 dilewatkan melalui air kapur dalam waktu yang lama, karena kalsium karbonat yang tidak larut berubah menjadi bikarbonat yang larut:

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

Asam karbonat dan senyawanyagaram

jam 2BERSAMA 3 - Asam lemah, hanya ada dalam larutan air:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Didasar:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Garam asam - bikarbonat, bikarbonat
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Garam sedang - karbonat

Semua sifat asam bersifat khas.

Karbonat dan bikarbonat dapat berubah menjadi satu sama lain:

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

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

Karbonat logam (kecuali logam alkali) mengalami dekarboksilat bila dipanaskan membentuk oksida:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2

Reaksi kualitatif- “mendidih” di bawah pengaruh asam kuat:

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

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

Karbida

Kalsium karbida:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2.

Asetilena dilepaskan ketika seng, kadmium, lantanum, dan cerium karbida bereaksi dengan air:

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

Be 2 C dan Al 4 C 3 terurai dengan air membentuk metana:

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

Dalam teknologi, titanium karbida TiC, tungsten W 2 C (paduan keras), silikon SiC (karborundum - sebagai bahan abrasif dan bahan pemanas) digunakan.

Sianida

diperoleh dengan memanaskan soda dalam atmosfer amonia dan karbon monoksida:

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

Asam hidrosianat HCN merupakan produk penting dalam industri kimia dan banyak digunakan dalam sintesis organik. Produksi globalnya mencapai 200 ribu ton per tahun. Struktur elektronik anion sianida mirip dengan karbon monoksida (II); partikel tersebut disebut isoelektronik:

C = HAI: [:C = N:] -

Sianida (larutan air 0,1-0,2%) digunakan dalam penambangan emas:

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

Ketika larutan sianida direbus dengan belerang atau padatan yang meleleh, mereka terbentuk tiosianat:
KCN + S = KSCN.

Ketika sianida dari logam dengan aktivitas rendah dipanaskan, diperoleh sianida: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. Larutan sianida dioksidasi menjadi sianat:

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

Asam sianat ada dalam dua bentuk:

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

Pada tahun 1828, Friedrich Wöhler (1800-1882) memperoleh urea dari amonium sianat: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 dengan menguapkan larutan berair.

Peristiwa ini biasanya dianggap sebagai kemenangan kimia sintetik atas “teori vitalistik”.

Ada isomer asam sianat - asam eksplosif

HON=C.
Garamnya (merkuri fulminat Hg(ONC) 2) digunakan dalam penyala tumbukan.

Perpaduan urea(urea):

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

Urea adalah Amida asam karbonat; ada juga “analog nitrogennya” – guanidin.

Karbonat

Senyawa karbon anorganik yang paling penting adalah garam asam karbonat (karbonat). H 2 CO 3 merupakan asam lemah (K 1 = 1,3 10 -4; K 2 = 5 10 -11). Dukungan penyangga karbonat keseimbangan karbon dioksida di atmosfer. Lautan di dunia mempunyai kapasitas penyangga yang sangat besar karena merupakan sistem terbuka. Reaksi penyangga utama adalah kesetimbangan selama disosiasi asam karbonat:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - .

Ketika keasaman menurun, karbon dioksida tambahan diserap dari atmosfer dengan pembentukan asam:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .

Ketika keasaman meningkat, batuan karbonat (kerang, kapur dan sedimen batu kapur di lautan) larut; ini mengkompensasi hilangnya ion hidrokarbonat:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (padat) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Karbonat padat berubah menjadi bikarbonat larut. Proses pelarutan kimiawi dari kelebihan karbon dioksida inilah yang melawan “efek rumah kaca” - pemanasan global akibat penyerapan radiasi panas dari bumi oleh karbon dioksida. Sekitar sepertiga produksi soda dunia (natrium karbonat Na 2 CO 3) digunakan dalam produksi kaca.

Karbon dioksida, karbon monoksida, karbon dioksida - semua ini adalah nama untuk satu zat yang kita kenal sebagai karbon dioksida. Jadi sifat apa yang dimiliki gas ini, dan apa saja bidang penerapannya?

Karbon dioksida dan sifat fisiknya

Karbon dioksida terdiri dari karbon dan oksigen. Rumus karbon dioksida terlihat seperti ini – CO₂. Di alam, terbentuk selama pembakaran atau pembusukan zat organik. Kandungan gas di udara dan mata air mineral juga cukup tinggi. Selain itu, manusia dan hewan juga mengeluarkan karbon dioksida saat menghembuskan napas.

Beras. 1. Molekul karbon dioksida.

Karbon dioksida adalah gas yang tidak berwarna dan tidak dapat dilihat. Itu juga tidak berbau. Namun, dengan konsentrasi tinggi, seseorang dapat mengalami hiperkapnia, yaitu mati lemas. Kekurangan karbon dioksida juga dapat menyebabkan masalah kesehatan. Akibat kekurangan gas ini, kondisi yang berlawanan dengan mati lemas dapat terjadi - hipokapnia.

Jika Anda menempatkan karbon dioksida dalam kondisi suhu rendah, maka pada -72 derajat ia mengkristal dan menjadi seperti salju. Oleh karena itu, karbon dioksida dalam bentuk padat disebut “salju kering”.

Beras. 2. Salju kering – karbon dioksida.

Karbon dioksida 1,5 kali lebih padat dari udara. Massa jenisnya adalah 1,98 kg/m³ Ikatan kimia dalam molekul karbon dioksida adalah kovalen polar. Sifatnya polar karena oksigen mempunyai nilai keelektronegatifan yang lebih tinggi.

Konsep penting dalam studi zat adalah massa molekul dan molar. Massa molar karbon dioksida adalah 44. Bilangan ini terbentuk dari penjumlahan massa atom relatif atom-atom penyusun molekul. Nilai massa atom relatif diambil dari tabel D.I. Mendeleev dan dibulatkan menjadi bilangan bulat. Oleh karena itu, massa molar CO₂ = 12+2*16.

Untuk menghitung fraksi massa unsur-unsur dalam karbon dioksida, perlu mengikuti rumus menghitung fraksi massa setiap unsur kimia dalam suatu zat.

N– jumlah atom atau molekul.
A R– massa atom relatif suatu unsur kimia.
Tn– massa molekul relatif suatu zat.
Mari kita hitung massa molekul relatif karbon dioksida.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 atau 27% Karena rumus karbon dioksida mengandung dua atom oksigen, maka n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 atau 73%

Jawaban: w(C) = 0,27 atau 27%; w(O) = 0,73 atau 73%

Sifat kimia dan biologi karbon dioksida

Karbon dioksida mempunyai sifat asam karena merupakan oksida asam, dan bila dilarutkan dalam air akan membentuk asam karbonat:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Bereaksi dengan basa, menghasilkan pembentukan karbonat dan bikarbonat. Gas ini tidak terbakar. Hanya logam aktif tertentu, seperti magnesium, yang terbakar di dalamnya.

Saat dipanaskan, karbon dioksida terurai menjadi karbon monoksida dan oksigen:

2CO₃=2CO+O₃.

Seperti oksida asam lainnya, gas ini mudah bereaksi dengan oksida lain:

CaO+Co₃=CaCO₃.

Karbon dioksida adalah bagian dari semua zat organik. Peredaran gas ini di alam dilakukan dengan bantuan produsen, konsumen, dan pengurai. Dalam proses kehidupannya, seseorang menghasilkan kurang lebih 1 kg karbon dioksida per hari. Saat kita menghirup, kita menerima oksigen, tetapi saat ini karbon dioksida terbentuk di alveoli. Pada saat ini terjadi pertukaran: oksigen masuk ke dalam darah, dan karbon dioksida keluar.

Karbon dioksida dihasilkan selama produksi alkohol. Gas ini juga merupakan produk sampingan dalam produksi nitrogen, oksigen, dan argon. Penggunaan karbon dioksida diperlukan dalam industri makanan, dimana karbon dioksida bertindak sebagai pengawet, dan karbon dioksida dalam bentuk cair terdapat pada alat pemadam kebakaran.

Beras. 3. Alat pemadam kebakaran.

Apa yang telah kita pelajari?

Karbon dioksida adalah zat yang dalam kondisi normal tidak berwarna dan tidak berbau. Selain nama umumnya, karbon dioksida, disebut juga karbon monoksida atau karbon dioksida.

Uji topiknya

Evaluasi laporan

Penilaian rata-rata: 4.3. Total peringkat yang diterima: 116.

Karbon (English Carbon, French Carbone, German Kohlenstoff) dalam bentuk batu bara, jelaga dan jelaga telah dikenal umat manusia sejak dahulu kala; sekitar 100 ribu tahun yang lalu, ketika nenek moyang kita menguasai api, mereka berurusan dengan batu bara dan jelaga setiap hari. Mungkin, orang-orang sejak awal mengenal modifikasi alotropik karbon - berlian dan grafit, serta fosil batubara. Tidak mengherankan jika pembakaran zat yang mengandung karbon merupakan salah satu proses kimia pertama yang menarik minat manusia. Karena zat yang terbakar hilang ketika dibakar, pembakaran dianggap sebagai proses penguraian zat, dan oleh karena itu batu bara (atau karbon) tidak dianggap sebagai suatu unsur. Unsurnya adalah api - sebuah fenomena yang menyertai pembakaran; Dalam ajaran kuno tentang unsur, api biasanya muncul sebagai salah satu unsurnya. Pada pergantian abad XVII - XVIII. Muncul teori flogiston yang dikemukakan oleh Becher dan Stahl. Teori ini mengakui keberadaan zat dasar khusus di setiap benda yang mudah terbakar - cairan tanpa bobot - flogiston, yang menguap selama proses pembakaran. Karena ketika sejumlah besar batubara dibakar, hanya sedikit abu yang tersisa, ahli flogistik percaya bahwa batubara hampir merupakan flogiston murni. Hal inilah yang menjelaskan, khususnya, efek “phlogistik” batubara – kemampuannya untuk mereduksi logam dari “kapur” dan bijih. Ahli flogistik kemudian, Reaumur, Bergman dan lain-lain, sudah mulai memahami bahwa batubara adalah zat dasar. Namun, “batubara bersih” pertama kali dikenal oleh Lavoisier, yang mempelajari proses pembakaran batu bara dan zat lain di udara dan oksigen. Dalam buku "Method of Chemical Nomenclature" (1787) oleh Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet dan Fourcroix, nama "karbon" (carbone) muncul sebagai ganti "batubara murni" Perancis (charbone pur). Dengan nama yang sama, karbon muncul dalam “Tabel Benda Sederhana” dalam “Buku Teks Dasar Kimia” Lavoisier. Pada tahun 1791, ahli kimia Inggris Tennant adalah orang pertama yang memperoleh karbon bebas; ia melewatkan uap fosfor di atas kapur yang dikalsinasi, menghasilkan pembentukan kalsium fosfat dan karbon. Telah lama diketahui bahwa berlian akan terbakar tanpa meninggalkan residu jika dipanaskan dengan kuat. Pada tahun 1751, raja Prancis Francis I setuju untuk memberikan berlian dan rubi untuk eksperimen pembakaran, setelah itu eksperimen ini bahkan menjadi populer. Ternyata hanya berlian yang terbakar, dan ruby ​​​​(aluminium oksida dengan campuran kromium) dapat menahan pemanasan berkepanjangan pada fokus lensa pengapian tanpa kerusakan. Lavoisier melakukan percobaan baru pada pembakaran berlian menggunakan mesin pembakar besar dan sampai pada kesimpulan bahwa berlian adalah karbon kristal. Alotrop karbon - grafit kedua pada periode alkimia dianggap sebagai kilau timbal yang dimodifikasi dan disebut plumbago; Baru pada tahun 1740 Pott menemukan tidak adanya pengotor timbal dalam grafit. Scheele mempelajari grafit (1779) dan, sebagai ahli flogistik, menganggapnya sebagai jenis badan belerang khusus, batubara mineral khusus yang mengandung “asam udara” (CO 2) terikat dan sejumlah besar flogiston.

Dua puluh tahun kemudian, Guiton de Morveau mengubah berlian menjadi grafit dan kemudian menjadi asam karbonat dengan pemanasan yang hati-hati.

Nama internasional Carboneum berasal dari bahasa Latin. karbo (batubara). Kata ini berasal dari zaman yang sangat kuno. Ini dibandingkan dengan cremare - untuk membakar; akar melorot, cal, Rusia gar, gal, gol, Sansekerta sta artinya merebus, memasak. Kata "carbo" dikaitkan dengan nama karbon dalam bahasa Eropa lainnya (carbon, charbone, dll). Kohlenstoff Jerman berasal dari Kohle - batubara (kolo Jerman Kuno, kylla Swedia - panas). Ugorati Rusia kuno, atau ugarati (membakar, menghanguskan) memiliki akar kata gar, atau gunung, dengan kemungkinan transisi ke gol; batubara dalam bahasa Rusia Kuno yugal, atau batubara, dari asal yang sama. Kata berlian (Diamante) berasal dari bahasa Yunani kuno - tidak bisa dihancurkan, pantang menyerah, keras, dan grafit dari bahasa Yunani - saya menulis.

Karbon(Latin carboneum), C, unsur kimia golongan IV sistem periodik Mendeleev, nomor atom 6, massa atom 12,011. Dua isotop stabil diketahui: 12 c (98,892%) dan 13 c (1,108%). Dari isotop radioaktif, yang terpenting adalah 14 detik dengan waktu paruh (T = 5,6 × 10 3 tahun). Sejumlah kecil 14 c (sekitar 2 × 10 -10% massa) terus-menerus terbentuk di lapisan atas atmosfer di bawah pengaruh radiasi kosmik neutron pada isotop nitrogen 14 n. Berdasarkan aktivitas spesifik isotop 14c dalam residu asal biogenik, umurnya ditentukan. 14 c banyak digunakan sebagai .

Referensi sejarah . U. sudah dikenal sejak zaman dahulu. Arang berfungsi untuk memulihkan logam dari bijih, berlian - sebagai batu berharga. Belakangan, grafit mulai digunakan untuk membuat cawan lebur dan pensil.

Pada tahun 1778 K. Scheele, memanaskan grafit dengan sendawa, saya menemukan bahwa dalam kasus ini, seperti ketika batu bara dipanaskan dengan sendawa, karbon dioksida dilepaskan. Komposisi kimia berlian ditetapkan sebagai hasil percobaan oleh A. Lavoisier(1772) tentang studi pembakaran intan di udara dan penelitian S. penyewa(1797), yang membuktikan bahwa jumlah berlian dan batu bara yang sama menghasilkan jumlah karbon dioksida yang sama selama oksidasi. U. diakui sebagai unsur kimia pada tahun 1789 oleh Lavoisier. U. menerima nama latin carboneum dari carbo - batubara.

Distribusi di alam. Rata-rata kandungan uranium di kerak bumi adalah 2,3? 10 -2% berat (1 ? 10 -2 dalam ultrabasa, 1 ? 10 -2 - dalam dasar, 2 ? 10 -2 - dalam medium, 3 ? 10 -2 - V batuan asam). U. terakumulasi di bagian atas kerak bumi (biosfer): pada makhluk hidup 18% U., kayu 50%, batu bara 80%, minyak 85%, antrasit 96%. Sebagian besar litosfer U. terkonsentrasi pada batugamping dan dolomit.

Jumlah mineral milik U. adalah 112; Jumlah senyawa organik hidrokarbon dan turunannya sangat banyak.

Akumulasi karbon di kerak bumi berhubungan dengan akumulasi banyak unsur lain yang diserap oleh bahan organik dan diendapkan dalam bentuk karbonat yang tidak larut, dll. Co 2 dan asam karbonat memainkan peran geokimia utama di kerak bumi. Sejumlah besar co2 dilepaskan selama vulkanisme - dalam sejarah Bumi ini adalah sumber utama karbon dioksida bagi biosfer.

Dibandingkan dengan kandungan rata-rata di kerak bumi, umat manusia mengekstraksi uranium dari lapisan tanah bawah (batubara, minyak, gas alam) dalam jumlah yang sangat besar, karena mineral tersebut merupakan sumber energi utama.

Siklus uranium sangat penting secara geokimia.

U. juga tersebar luas di luar angkasa; di Matahari ia menempati urutan ke-4 setelah hidrogen, helium, dan oksigen.

Sifat fisik dan kimia. Empat modifikasi kristal karbon diketahui: grafit, intan, karabin, dan lonsdaleit. Grafit adalah massa abu-abu kehitaman, buram, berminyak saat disentuh, bersisik, sangat lembut dengan kilau metalik. Dibangun dari kristal berstruktur heksagonal: a=2.462 a, c=6.701 a. Pada suhu kamar dan tekanan normal (0,1 Mn/m 2, atau 1 kgf/cm2) grafit stabil secara termodinamika. Berlian adalah zat kristal yang sangat keras. Kristal memiliki kisi kubik berpusat pada muka: sebuah = 3.560 a. Pada suhu kamar dan tekanan normal, berlian bersifat metastabil (untuk rincian tentang struktur dan sifat berlian dan grafit, lihat artikel terkait). Transformasi nyata berlian menjadi grafit diamati pada suhu di atas 1400 °C dalam ruang hampa atau atmosfer inert. Pada tekanan atmosfer dan suhu sekitar 3700 °C, grafit menyublim. Cairan U. dapat diperoleh pada tekanan di atas 10,5 Mn/m 2(105 kgf/cm2) dan suhu di atas 3700 °C. Untuk U yang keras ( kokas, jelaga, arang) keadaan dengan struktur yang tidak teratur juga merupakan karakteristik - yang disebut U. "amorf", yang tidak mewakili modifikasi independen; Strukturnya didasarkan pada struktur grafit kristal halus. Pemanasan beberapa jenis karbon “amorf” di atas 1500-1600 °C tanpa akses ke udara menyebabkan transformasinya menjadi grafit. Sifat fisik karbon “amorf” sangat bergantung pada dispersi partikel dan keberadaan pengotor. Kepadatan, kapasitas panas, konduktivitas termal, dan konduktivitas listrik karbon “amorf” selalu lebih tinggi daripada grafit. Carbyne diperoleh secara artifisial. Ini adalah bubuk hitam kristal halus (kepadatan 1,9-2 gram/cm 3) . Dibangun dari rantai panjang atom C yang disusun sejajar satu sama lain. Lonsdaleite ditemukan di meteorit dan diperoleh secara artifisial; struktur dan sifat-sifatnya belum diketahui secara pasti.

Konfigurasi kulit elektron terluar atom U. 2s 2 2p 2 . Karbon dicirikan oleh pembentukan empat ikatan kovalen karena eksitasi kulit elektron terluar ke keadaan 2 sp3. Oleh karena itu, karbon sama-sama mampu menarik dan menyumbangkan elektron. Ikatan kimia dapat terjadi karena sp 3 -, sp 2 - Dan sp-orbital hibrid, yang sesuai dengan bilangan koordinasi 4, 3, dan 2. Jumlah elektron valensi elektron dan jumlah orbital valensi adalah sama; Hal inilah yang menjadi salah satu penyebab kestabilan ikatan antar atom U.

Kemampuan unik atom uranium untuk terhubung satu sama lain untuk membentuk rantai dan siklus yang kuat dan panjang telah menyebabkan munculnya sejumlah besar senyawa uranium berbeda yang sedang dipelajari. kimia organik.

Dalam senyawa, uranium menunjukkan bilangan oksidasi -4; +2; +4. Jari-jari atom 0,77 a, jari-jari kovalen 0,77 a, 0,67 a, 0,60 a, masing-masing, pada ikatan tunggal, rangkap dua, dan rangkap tiga; radius ionik c 4- 2,60 a , c 4+ 0,20 a . Dalam kondisi normal, uranium bersifat inert secara kimia; pada suhu tinggi ia bergabung dengan banyak unsur, menunjukkan sifat pereduksi yang kuat. Aktivitas kimia menurun dengan urutan sebagai berikut: karbon “amorf”, grafit, intan; interaksi dengan oksigen udara (pembakaran) terjadi masing-masing pada suhu diatas 300-500 °C, 600-700 °C dan 850-1000 °C dengan terbentuknya karbon dioksida co 2 dan karbon monoksida co.

co 2 larut dalam air membentuk asam karbonat. Pada tahun 1906 O. Diel menerima suboksida U. c 3 o 2. Semua bentuk U. tahan terhadap basa dan asam dan teroksidasi perlahan hanya oleh zat pengoksidasi yang sangat kuat (campuran kromat, campuran hno 3 pekat dan kclo 3, dll.). U. "amorf" bereaksi dengan fluor pada suhu kamar, grafit dan berlian - ketika dipanaskan. Hubungan langsung karbon dioksida dengan klorin terjadi melalui busur listrik; U. tidak bereaksi dengan brom dan yodium, oleh karena itu jumlahnya banyak karbon halida disintesis secara tidak langsung. Dari oksihalida dengan rumus umum cox 2 (di mana X adalah halogen), yang paling terkenal adalah oksiklorida cocl 2 ( fosgen) . Hidrogen tidak berinteraksi dengan berlian; bereaksi dengan grafit dan karbon “amorf” pada suhu tinggi dengan adanya katalis (ni, pt): pada 600-1000 °C, sebagian besar metana ch 4 terbentuk, pada 1500-2000 ° C - asetilena c 2 jam 2 , Hidrokarbon lain mungkin juga terdapat dalam produk, misalnya etana c 2 jam 6 , benzena c 6 jam 6 . Interaksi belerang dengan karbon “amorf” dan grafit dimulai pada 700-800 °C, dengan intan pada 900-1000 °C; dalam semua kasus, karbon disulfida cs 2 terbentuk. Dr. Senyawa U. yang mengandung belerang (cs tioksida, c 3 s 2 tioksida, cos sulfida dan tiofosgen cscl 2) diperoleh secara tidak langsung. Ketika cs 2 berinteraksi dengan logam sulfida, tiokarbonat terbentuk - garam dari asam tiokarbonat lemah. Interaksi karbon dioksida dengan nitrogen menghasilkan sianogen (cn) 2 terjadi ketika pelepasan listrik dialirkan antara elektroda karbon dalam atmosfer nitrogen. Di antara senyawa uranium yang mengandung nitrogen, hidrogen sianida hcn dan berbagai turunannya: sianida, halo-halogenat, nitril, dll., sangat penting secara praktis.Pada suhu di atas 1000 °C, uranium berinteraksi dengan banyak logam, menghasilkan karbida. Segala bentuk karbon, bila dipanaskan, mereduksi oksida logam dengan pembentukan logam bebas (zn, cd, cu, pb, dll.) atau karbida (cac 2, mo 2 c, wo, tac, dll.). U. bereaksi pada suhu di atas 600-800 °C dengan uap air dan karbon dioksida . Ciri khas grafit adalah kemampuannya, ketika dipanaskan hingga 300-400 °C, untuk berinteraksi dengan logam alkali dan halida untuk membentuk berpindah koneksi ketik c 8 me, c 24 me, c 8 x (di mana X adalah halogen, me adalah logam). Senyawa yang diketahui antara lain grafit dengan hno 3, h 2 jadi 4, fecl 3, dll. (misalnya, grafit bisulfat c 24 jadi 4 jam 2). Semua bentuk uranium tidak larut dalam pelarut anorganik dan organik biasa, tetapi larut dalam beberapa logam cair (misalnya fe, ni, co).

Pentingnya energi bagi perekonomian nasional ditentukan oleh fakta bahwa lebih dari 90% sumber energi utama yang dikonsumsi di dunia berasal dari sumber organik. bahan bakar, yang peran dominannya akan terus berlanjut selama beberapa dekade mendatang, meskipun energi nuklir sedang dikembangkan secara intensif. Hanya sekitar 10% bahan bakar yang diekstraksi digunakan sebagai bahan baku sintesis organik dasar Dan sintesis petrokimia, untuk mendapatkan plastik dan sebagainya.

B.A. Popovkin.

U.di dalam tubuh . U. adalah elemen biogenik terpenting yang menjadi dasar kehidupan di Bumi, unit struktural dari sejumlah besar senyawa organik yang terlibat dalam pembangunan organisme dan memastikan fungsi vitalnya ( biopolimer, serta banyak zat aktif biologis dengan berat molekul rendah - vitamin, hormon, mediator, dll.). Sebagian besar energi yang diperlukan organisme dibentuk di dalam sel melalui oksidasi karbon.Munculnya kehidupan di Bumi dianggap dalam ilmu pengetahuan modern sebagai proses kompleks dari evolusi senyawa karbon. .

Peran unik karbon dalam satwa liar disebabkan oleh sifat-sifatnya yang secara agregat tidak dimiliki oleh unsur lain dalam sistem periodik. Ikatan kimia yang kuat terbentuk antara atom karbon, serta antara karbon dan unsur lain, yang, bagaimanapun, dapat diputus dalam kondisi fisiologis yang relatif ringan (ikatan ini bisa tunggal, rangkap dua, atau rangkap tiga). Kemampuan karbon untuk membentuk empat ikatan valensi yang setara dengan atom karbon lainnya memungkinkan pembuatan kerangka karbon dari berbagai jenis—linier, bercabang, dan siklik. Pentingnya bahwa hanya tiga unsur - C, O dan H - yang membentuk 98% dari total massa organisme hidup. Hal ini mencapai efisiensi tertentu di alam yang hidup: dengan keragaman struktural senyawa karbon yang hampir tak terbatas, sejumlah kecil jenis ikatan kimia dapat secara signifikan mengurangi jumlah enzim yang diperlukan untuk pemecahan dan sintesis zat organik. Ciri-ciri struktural atom karbon mendasari berbagai jenisnya isomerisme senyawa organik (kemampuan isomer optik ternyata sangat menentukan dalam evolusi biokimia asam amino, karbohidrat, dan beberapa alkaloid).

Menurut hipotesis A.I. Oparina, Senyawa organik pertama di Bumi berasal dari abiogenik. Sumber hidrogen adalah metana (ch 4) dan hidrogen sianida (hcn), yang terkandung di atmosfer utama bumi. Dengan munculnya kehidupan, satu-satunya sumber karbon anorganik, yang membentuk semua bahan organik di biosfer, adalah karbon dioksida(co 2), terletak di atmosfer, dan juga terlarut di perairan alami dalam bentuk hco - 3. Mekanisme asimilasi (asimilasi) U yang paling kuat (dalam bentuk co 2) - fotosintesis - dilakukan di mana-mana oleh tanaman hijau (sekitar 100 miliar diasimilasi setiap tahunnya). T bersama 2). Di Bumi, ada metode asimilasi co 2 yang secara evolusi lebih kuno melalui kemosintesis; dalam hal ini mikroorganisme kemosintetik tidak menggunakan energi radiasi matahari, melainkan energi oksidasi senyawa anorganik. Kebanyakan hewan mengkonsumsi uranium dengan makanan berupa senyawa organik siap pakai. Tergantung pada metode asimilasi senyawa organik, biasanya dibedakan organisme autotrofik Dan organisme heterotrofik. Penggunaan mikroorganisme untuk biosintesis protein dan nutrisi lainnya menggunakan U sebagai satu-satunya sumber. hidrokarbon minyak adalah salah satu masalah ilmiah dan teknis modern yang penting.

Kandungan U pada organisme hidup yang dihitung berdasarkan bahan kering adalah: 34,5-40% pada tumbuhan dan hewan air, 45,4-46,5% pada tumbuhan dan hewan darat, dan 54% pada bakteri. Selama kehidupan organisme, terutama disebabkan oleh respirasi jaringan, dekomposisi oksidatif senyawa organik terjadi dengan pelepasan co 2 ke lingkungan luar. U. juga dilepaskan sebagai bagian dari produk akhir metabolisme yang lebih kompleks. Setelah kematian hewan dan tumbuhan, sebagian karbon kembali diubah menjadi co2 akibat proses pembusukan yang dilakukan oleh mikroorganisme. Beginilah siklus karbon terjadi di alam . Sebagian besar uranium termineralisasi dan membentuk endapan fosil uranium: batu bara, minyak, batu kapur, dll. Selain fungsi utama - sumber uranium - co 2, yang terlarut dalam perairan alami dan cairan biologis, berpartisipasi dalam menjaga kelestarian lingkungan. keasaman lingkungan yang optimal untuk proses kehidupan . Sebagai bagian dari caco 3, U. membentuk kerangka luar banyak invertebrata (misalnya cangkang moluska), dan juga ditemukan di karang, kulit telur burung, dll. Senyawa U. seperti hcn, co, ccl 4, yang mendominasi di atmosfer utama bumi pada masa pra-biologi, kemudian dalam proses evolusi biologis, berubah menjadi kuat antimetabolit metabolisme.

Selain isotop karbon yang stabil, radioaktif 14c tersebar luas di alam (tubuh manusia mengandung sekitar 0,1 Mccurie) . Penggunaan isotop uranium dalam penelitian biologi dan medis dikaitkan dengan banyak pencapaian besar dalam studi metabolisme dan siklus uranium di alam. . Jadi, dengan bantuan penanda radiokarbon, kemungkinan fiksasi h 14 co - 3 oleh jaringan tumbuhan dan hewan terbukti, urutan reaksi fotosintesis ditetapkan, metabolisme asam amino dipelajari, jalur biosintesis banyak senyawa aktif biologis dilacak, dll. Penggunaan 14 c berkontribusi pada keberhasilan biologi molekuler dalam mempelajari mekanisme biosintesis protein dan transmisi informasi herediter. Penentuan aktivitas spesifik 14 c dalam residu organik yang mengandung karbon memungkinkan untuk menilai umurnya, yang digunakan dalam paleontologi dan arkeologi.

N.N.Chernov.

menyala.: Shafranovsky I.I., Almazy, M. - L., 1964; Ubbelohde A.R., Lewis F.A., Grafit dan senyawa kristalnya, trans. dari bahasa Inggris, M., 1965; Remi G., Mata kuliah kimia anorganik, trans. dari Jerman, vol.1, M., 1972; Perelman A.I., Geokimia unsur di zona hipergenesis, M., 1972; Nekrasov B.V., Dasar-dasar Kimia Umum, edisi ke-3, M., 1973; Akhmetov N.S., Kimia anorganik, edisi ke-2, M., 1975; Vernadsky V.I., Esai tentang Geokimia, edisi ke-6, M., 1954; Roginsky S.Z., Shnol S.E., Isotop dalam biokimia, M., 1963; Cakrawala biokimia, trans. dari bahasa Inggris, M., 1964; Masalah biokimia evolusioner dan teknis, M., 1964; Calvin M., Evolusi kimia, trans. dari bahasa Inggris, M., 1971; Löwy A., Sikiewitz F., Struktur dan fungsi sel, trans. dari bahasa Inggris, 1971, bab. 7; Biosfer, trans. dari bahasa Inggris, M., 1972.

Unduh abstrak

Karbon C menempati urutan ke 6 dalam tabel periodik Mendeleev.Bahkan orang primitif pun memperhatikan bahwa setelah pembakaran kayu, terbentuklah batu bara yang dapat digunakan untuk menggambar di dinding gua. Semua senyawa organik mengandung karbon. Dua modifikasi alotropik karbon yang paling banyak dipelajari adalah grafit dan intan.

Karbon dalam kimia organik

Karbon menempati tempat khusus dalam tabel periodik. Karena strukturnya, ia membentuk rantai ikatan panjang dengan struktur linier atau siklik. Lebih dari 10 juta senyawa organik diketahui. Meskipun beragam, di udara dan di bawah pengaruh suhu mereka akan selalu berubah menjadi karbon dioksida dan.

Peran karbon dalam kehidupan kita sehari-hari sangatlah besar. Tanpa karbon dioksida, fotosintesis, salah satu proses biologis utama, tidak akan terjadi.

Penerapan karbon

Karbon banyak digunakan dalam pengobatan untuk membuat berbagai obat organik. Isotop karbon memungkinkan penanggalan radiokarbon. Tanpa karbon, industri metalurgi tidak dapat beroperasi. Batubara yang dibakar dalam boiler pirolisis bahan bakar padat berfungsi sebagai sumber energi. Dalam industri penyulingan minyak, bensin dan solar dihasilkan dari senyawa karbon organik. Sebagian besar karbon dibutuhkan untuk menghasilkan gula. Ini juga digunakan dalam sintesis senyawa organik yang penting untuk semua bidang kehidupan sehari-hari.