Carbonio nella tavola periodica. Diossido di carbonio

Proprietà fisiche: il carbonio forma molte modifiche allotropiche: diamante- una delle sostanze più dure grafite, carbone, fuliggine.

Un atomo di carbonio ha 6 elettroni: 1s 2 2s 2 2p 2 . Gli ultimi due elettroni si trovano in orbitali p separati e non sono accoppiati. In linea di principio, questa coppia potrebbe occupare lo stesso orbitale, ma in questo caso la repulsione interelettronica aumenta notevolmente. Per questo motivo, uno di essi prende 2p x e l'altro 2p y , o orbitali z 2p.

La differenza nell'energia dei sottolivelli s e p dello strato esterno è piccola, quindi l'atomo entra abbastanza facilmente in uno stato eccitato, in cui uno dei due elettroni dell'orbitale 2s passa a uno libero 2 strofinare. Uno stato di valenza appare con la configurazione 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . È questo stato dell'atomo di carbonio che è caratteristico del reticolo del diamante: disposizione spaziale tetraedrica degli orbitali ibridi, lunghezza ed energia identiche dei legami.

Questo fenomeno è noto per essere chiamato sp 3 -ibridazione, e le funzioni emergenti sono sp 3 -ibride . La formazione di quattro legami sp 3 fornisce all'atomo di carbonio uno stato più stabile di tre r-r- e una connessione s-s. Oltre all'ibridazione sp 3, si osserva anche l'ibridazione sp 2 e sp sull'atomo di carbonio . Nel primo caso si verifica una reciproca sovrapposizione S- e due orbitali p. Si formano tre orbitali ibridi sp 2 equivalenti, situati sullo stesso piano ad un angolo di 120° l'uno rispetto all'altro. Il terzo orbitale p è invariato e diretto perpendicolarmente al piano sp2.

Durante l'ibridazione sp, gli orbitali s e p si sovrappongono. Tra i due orbitali ibridi equivalenti che si formano si forma un angolo di 180°, mentre i due orbitali p di ciascun atomo rimangono invariati.

Allotropia del carbonio. Diamante e grafite

In un cristallo di grafite, gli atomi di carbonio si trovano su piani paralleli, occupando i vertici di esagoni regolari. Ogni atomo di carbonio è collegato a tre legami ibridi sp 2 vicini. La connessione tra piani paralleli viene effettuata grazie alle forze di van der Waals. Gli orbitali p liberi di ciascun atomo sono diretti perpendicolarmente ai piani dei legami covalenti. La loro sovrapposizione spiega l'ulteriore legame π tra gli atomi di carbonio. Quindi, da lo stato di valenza in cui si trovano gli atomi di carbonio in una sostanza determina le proprietà di questa sostanza.

Proprietà chimiche del carbonio

Gli stati di ossidazione più caratteristici sono: +4, +2.

A basse temperature il carbonio è inerte, ma se riscaldato la sua attività aumenta.

Carbonio come agente riducente:

- con ossigeno
C 0 + O 2 – t° = CO 2 anidride carbonica
con mancanza di ossigeno - combustione incompleta:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O monossido di carbonio

- con fluoro
C + 2F 2 = CF 4

- con vapore acqueo
C 0 + H 2 O – 1200° = C +2 O + H 2 acqua gas

- con ossidi metallici. Ecco come viene fuso il metallo dal minerale.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2

- con acidi - agenti ossidanti:
C 0 + 2H 2 SO 4 (concentrato) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (conc.) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- forma disolfuro di carbonio con zolfo:
C + 2S 2 = CS 2.

Carbonio come agente ossidante:

- forma carburi con alcuni metalli

4Al+3C0 = Al4C3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- con idrogeno - metano (oltre a un numero enorme di composti organici)

C0 + 2H2 = CH4

— con silicio, forma carborundum (a 2000 °C in un forno elettrico):

Trovare il carbonio in natura

Il carbonio libero si presenta sotto forma di diamante e grafite. Sotto forma di composti, il carbonio si trova nei minerali: gesso, marmo, calcare - CaCO 3, dolomite - MgCO 3 *CaCO 3; idrocarbonati - Mg(HCO 3) 2 e Ca(HCO 3) 2, la CO 2 fa parte dell'aria; Il carbonio è il componente principale dei composti organici naturali: gas, petrolio, carbone, torba e fa parte di sostanze organiche, proteine, grassi, carboidrati, amminoacidi che compongono gli organismi viventi.

Composti inorganici del carbonio

Durante i processi chimici convenzionali non si formano né ioni C 4+ né C 4-: ​​i composti del carbonio contengono legami covalenti di diverse polarità.

Monossido di carbonio CO

Monossido di carbonio; incolore, inodore, poco solubile in acqua, solubile in solventi organici, tossico, punto di ebollizione = -192°C; tpl. = -205°C.

Ricevuta
1) Nell'industria (nei generatori di gas):
C+O2 = CO2

2) In laboratorio - decomposizione termica dell'acido formico o ossalico in presenza di H 2 SO 4 (conc.):
HCOOH = H2O + CO

H2C2O4 = CO + CO2 + H2O

Proprietà chimiche

In condizioni normali, la CO è inerte; quando riscaldato - un agente riducente; ossido che non forma sale.

1) con ossigeno

2C+2O+O2 = 2C+4O2

2) con ossidi metallici

C+2O+CuO = Cu+C+4O2

3) con cloro (alla luce)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (fosgene)

4) reagisce con gli alcali fusi (sotto pressione)

CO + NaOH = HCOONa (formiato di sodio)

5) forma carbonili con metalli di transizione

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Monossido di carbonio (IV) CO2

Anidride carbonica, incolore, inodore, solubilità in acqua - 0,9 V CO 2 si dissolve in 1 V H 2 O (in condizioni normali); più pesante dell'aria; t°pl = -78,5°C (la CO 2 solida è detta “ghiaccio secco”); non supporta la combustione.

Ricevuta

1. Decomposizione termica dei sali dell'acido carbonico (carbonati). Cottura del calcare:

CaCO3 – t° = CaO + CO2

1. L'azione degli acidi forti su carbonati e bicarbonati:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2

ChimicoproprietàCO2
Ossido acido: reagisce con ossidi basici e basi per formare sali di acido carbonico

Na2O + CO2 = Na2CO3

2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O

NaOH + CO2 = NaHCO3

A temperature elevate può presentare proprietà ossidanti

C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Reazione qualitativa

Nuvolosità dell'acqua di calce:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (precipitato bianco) + H 2 O

Scompare quando la CO 2 viene fatta passare a lungo attraverso l'acqua di calce, perché il carbonato di calcio insolubile si trasforma in bicarbonato solubile:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2

Acido carbonico e suoisale

H2CO3- Un acido debole, esiste solo in soluzione acquosa:

CO2 + H2O ↔ H2CO3

Dibasico:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Sali acidi - bicarbonati, bicarbonati
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Sali medi - carbonati

Tutte le proprietà degli acidi sono caratteristiche.

Carbonati e bicarbonati possono trasformarsi l'uno nell'altro:

2NaHCO3 – t° = Na2CO3 + H2O + CO2

Na2CO3 + H2O + CO2 = 2NaHCO3

I carbonati metallici (eccetto i metalli alcalini) decarbossilano quando riscaldati per formare un ossido:

CuCO3 – t° = CuO + CO2

Reazione qualitativa- "ebollizione" sotto l'influenza di un acido forte:

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2

CO32- + 2H + = H2O + CO2

Carburi

Carburo di Calcio:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

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

L'acetilene viene rilasciato quando i carburi di zinco, cadmio, lantanio e cerio reagiscono con l'acqua:

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

Be 2 C e Al 4 C 3 si decompongono con acqua per formare metano:

Al4C3 + 12 H2O = 4 Al(OH)3 = 3 CH4.

Nella tecnologia vengono utilizzati carburi di titanio TiC, tungsteno W 2 C (leghe dure), silicio SiC (carborundum - come abrasivo e materiale per riscaldatori).

Cianuro

ottenuto riscaldando la soda in un'atmosfera di ammoniaca e monossido di carbonio:

Na2CO3 + 2 NH3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H2O + H2 + 2 CO2

L'acido cianidrico HCN è un prodotto importante dell'industria chimica ed è ampiamente utilizzato nella sintesi organica. La sua produzione globale raggiunge le 200mila tonnellate all'anno. La struttura elettronica dell'anione cianuro è simile al monossido di carbonio (II); tali particelle sono chiamate isoelettroniche:

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

I cianuri (soluzione acquosa allo 0,1-0,2%) vengono utilizzati nell'estrazione dell'oro:

2 Au + 4 KCN + H2O + 0,5 O2 = 2 K + 2 KOH.

Quando si fanno bollire soluzioni di cianuro con zolfo o solidi fondenti, si formano tiocianati:
KCN + S = KSCN.

Quando si riscaldano i cianuri di metalli a bassa attività, si ottiene il cianuro: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. Le soluzioni di cianuro vengono ossidate cianati:

2 KCN + O2 = 2 KOCN.

L'acido cianico esiste in due forme:

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

Nel 1828 Friedrich Wöhler (1800-1882) ottenne l'urea dal cianato di ammonio: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 facendo evaporare una soluzione acquosa.

Questo evento è solitamente considerato come la vittoria della chimica sintetica sulla "teoria vitalistica".

C'è un isomero dell'acido cianico - acido esplosivo

H-O-N=C.
I suoi sali (fulminato di mercurio Hg(ONC) 2) sono utilizzati negli accenditori a impatto.

Sintesi urea(urea):

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

L’urea è un’ammide dell’acido carbonico; esiste anche il suo “analogo dell’azoto” – la guanidina.

Carbonati

I più importanti composti inorganici del carbonio sono i sali dell'acido carbonico (carbonati). H 2 CO 3 è un acido debole (K 1 = 1,3 10 -4; K 2 = 5 10 -11). Supporti tampone carbonatico bilancio dell’anidride carbonica nell'atmosfera. Gli oceani del mondo hanno un’enorme capacità tampone perché sono un sistema aperto. La principale reazione tampone è l'equilibrio durante la dissociazione dell'acido carbonico:

H2CO3 ↔ H++ HCO3 - .

Quando l'acidità diminuisce, si verifica un ulteriore assorbimento di anidride carbonica dall'atmosfera con la formazione di acido:
CO2 + H2O ↔ H2CO3 .

Quando l'acidità aumenta, le rocce carbonatiche (conchiglie, gesso e sedimenti calcarei nell'oceano) si dissolvono; questo compensa la perdita di ioni idrocarbonato:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (solido) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

I carbonati solidi si trasformano in bicarbonati solubili. È questo processo di dissoluzione chimica dell'anidride carbonica in eccesso che contrasta l '"effetto serra" - il riscaldamento globale dovuto all'assorbimento della radiazione termica dalla Terra da parte dell'anidride carbonica. Circa un terzo della produzione mondiale di soda (carbonato di sodio Na 2 CO 3) viene utilizzato nella produzione del vetro.

Anidride carbonica, monossido di carbonio, anidride carbonica: tutti questi sono nomi per una sostanza a noi nota come anidride carbonica. Quali proprietà ha quindi questo gas e quali sono i suoi campi di applicazione?

Anidride carbonica e sue proprietà fisiche

L’anidride carbonica è costituita da carbonio e ossigeno. La formula per l'anidride carbonica è simile a questa: CO₂. In natura si forma durante la combustione o il decadimento delle sostanze organiche. Anche il contenuto di gas nell'aria e nelle sorgenti minerali è piuttosto elevato. Inoltre, anche gli esseri umani e gli animali emettono anidride carbonica quando espirano.

Riso. 1. Molecola di anidride carbonica.

L'anidride carbonica è un gas completamente incolore e non può essere visto. Inoltre non ha odore. Tuttavia, con concentrazioni elevate, una persona può sviluppare ipercapnia, cioè soffocamento. La mancanza di anidride carbonica può anche causare problemi di salute. A causa della mancanza di questo gas si può sviluppare la condizione opposta al soffocamento: l'ipocapnia.

Se metti l'anidride carbonica in condizioni di bassa temperatura, a -72 gradi si cristallizza e diventa come la neve. Pertanto, l’anidride carbonica allo stato solido è chiamata “neve secca”.

Riso. 2. Neve secca – anidride carbonica.

L’anidride carbonica è 1,5 volte più densa dell’aria. La sua densità è di 1,98 kg/m³.Il legame chimico nella molecola di anidride carbonica è covalente polare. È polare perché l'ossigeno ha un valore di elettronegatività più elevato.

Un concetto importante nello studio delle sostanze è la massa molecolare e molare. La massa molare dell'anidride carbonica è 44. Questo numero è formato dalla somma delle masse atomiche relative degli atomi che compongono la molecola. I valori delle masse atomiche relative sono presi dalla tabella di D.I. Mendeleev e sono arrotondati a numeri interi. Di conseguenza, la massa molare di CO₂ = 12+2*16.

Per calcolare le frazioni di massa degli elementi nell'anidride carbonica, è necessario seguire la formula per calcolare le frazioni di massa di ciascun elemento chimico in una sostanza.

N– numero di atomi o molecole.
UN R– massa atomica relativa di un elemento chimico.
Sig– massa molecolare relativa della sostanza.
Calcoliamo la massa molecolare relativa dell'anidride carbonica.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 o 27% Poiché la formula dell'anidride carbonica include due atomi di ossigeno, allora n = 2 w(O) = 2 * 16 /44 = 0,73 o 73%

Risposta: w(C) = 0,27 o 27%; w(O) = 0,73 o 73%

Proprietà chimiche e biologiche dell'anidride carbonica

L'anidride carbonica ha proprietà acide perché è un ossido acido e quando disciolto in acqua forma acido carbonico:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Reagisce con gli alcali causando la formazione di carbonati e bicarbonati. Questo gas non brucia. Solo alcuni metalli attivi, come il magnesio, bruciano al suo interno.

Quando riscaldata, l'anidride carbonica si scompone in monossido di carbonio e ossigeno:

2CO₃=2CO+O₃.

Come altri ossidi acidi, questo gas reagisce facilmente con altri ossidi:

СaO+Co₃=CaCO₃.

L'anidride carbonica fa parte di tutte le sostanze organiche. La circolazione di questo gas in natura viene effettuata con l'aiuto di produttori, consumatori e decompositori. Nel corso della vita, una persona produce circa 1 kg di anidride carbonica al giorno. Quando inspiriamo riceviamo ossigeno, ma in questo momento negli alveoli si forma anidride carbonica. In questo momento avviene uno scambio: l'ossigeno entra nel sangue e l'anidride carbonica esce.

L'anidride carbonica viene prodotta durante la produzione di alcol. Questo gas è anche un sottoprodotto nella produzione di azoto, ossigeno e argon. L'uso dell'anidride carbonica è necessario nell'industria alimentare, dove l'anidride carbonica funge da conservante e l'anidride carbonica in forma liquida si trova negli estintori.

Riso. 3. Estintore.

Cosa abbiamo imparato?

L'anidride carbonica è una sostanza che in condizioni normali è incolore e inodore. Oltre al suo nome comune, anidride carbonica, è anche chiamato monossido di carbonio o anidride carbonica.

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Il carbonio (inglese Carbon, francese Carbone, tedesco Kohlenstoff) sotto forma di carbone, fuliggine e fuliggine è noto all'umanità da tempo immemorabile; circa 100mila anni fa, quando i nostri antenati padroneggiavano il fuoco, ogni giorno si occupavano di carbone e fuliggine. Probabilmente, molto presto le persone hanno conosciuto le modifiche allotropiche del carbonio: diamante e grafite, nonché il carbone fossile. Non sorprende che la combustione di sostanze contenenti carbonio sia stato uno dei primi processi chimici a interessare l'uomo. Poiché la sostanza bruciante scompariva quando veniva consumata dal fuoco, la combustione era considerata un processo di decomposizione della sostanza, e quindi il carbone (o carbonio) non era considerato un elemento. L'elemento era il fuoco, un fenomeno che accompagna la combustione; Negli antichi insegnamenti sugli elementi, il fuoco solitamente appare come uno degli elementi. A cavallo tra il XVII e il XVIII secolo. Sorse la teoria del flogisto, avanzata da Becher e Stahl. Questa teoria riconosceva la presenza in ogni corpo combustibile di una speciale sostanza elementare - un fluido senza peso - il flogisto, che evapora durante il processo di combustione. Poiché quando viene bruciata una grande quantità di carbone, rimane solo poca cenere, i flogisti credevano che il carbone fosse un flogisto quasi puro. Questo è ciò che spiega, in particolare, l'effetto "flogistico" del carbone: la sua capacità di ripristinare i metalli da "calci" e minerali. Già più tardi i flogisti, Reaumur, Bergman ed altri, cominciarono a comprendere che il carbone è una sostanza elementare. Tuttavia, il “carbone pulito” fu riconosciuto per la prima volta come tale da Lavoisier, che studiò il processo di combustione del carbone e di altre sostanze nell’aria e nell’ossigeno. Nel libro "Metodo di nomenclatura chimica" (1787) di Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet e Fourcroix, il nome "carbonio" (carbone) appariva al posto del francese "carbone puro" (charbone pur). Con lo stesso nome, il carbonio appare nella “Tabella dei corpi semplici” nel “Libro di testo elementare di chimica” di Lavoisier. Nel 1791, il chimico inglese Tennant fu il primo a ottenere il carbonio libero; fece passare il vapore di fosforo sul gesso calcinato, provocando la formazione di fosfato di calcio e carbonio. È noto da molto tempo che il diamante brucia senza lasciare residui se riscaldato fortemente. Nel 1751, il re francese Francesco I accettò di donare diamanti e rubini per esperimenti di combustione, dopo di che questi esperimenti divennero addirittura di moda. Si è scoperto che solo il diamante brucia e il rubino (ossido di alluminio con aggiunta di cromo) può resistere senza danni al riscaldamento prolungato nel fuoco della lente di accensione. Lavoisier effettuò un nuovo esperimento sulla combustione dei diamanti utilizzando una grande macchina incendiaria e giunse alla conclusione che il diamante è carbonio cristallino. Il secondo allotropo del carbonio - grafite nel periodo alchemico era considerato un lustro di piombo modificato e veniva chiamato plumbago; Fu solo nel 1740 che Pott scoprì l'assenza di impurità di piombo nella grafite. Scheele studiò la grafite (1779) e, essendo un flogisto, la considerò un tipo speciale di corpo di zolfo, uno speciale carbone minerale contenente "acido aereo" (CO 2) legato e una grande quantità di flogisto.

Vent'anni dopo, Guiton de Morveau trasformò il diamante in grafite e poi in acido carbonico mediante un accurato riscaldamento.

Il nome internazionale Carboneum deriva dal latino. carbone (carbone). Questa parola ha origini molto antiche. Viene paragonato a cremare: bruciare; radice sag, cal, russo gar, gal, gol, sanscrito sta significa bollire, cuocere. La parola "carbo" è associata ai nomi del carbonio in altre lingue europee (carbon, charbone, ecc.). Il tedesco Kohlenstoff deriva da Kohle - carbone (antico tedesco kolo, svedese kylla - riscaldare). L'antico russo ugorati, o ugarati (bruciare, bruciare) ha la radice gar, ovvero montagne, con possibile transizione a gol; carbone nell'antico russo yugal, o carbone, della stessa origine. La parola diamante viene dal greco antico - indistruttibile, inflessibile, duro, e grafite dal greco - scrivo.

Carbonio(latino carboneum), C, elemento chimico del gruppo IV del sistema periodico di Mendeleev, numero atomico 6, massa atomica 12.011. Sono noti due isotopi stabili: 12 c (98,892%) e 13 c (1,108%). Tra gli isotopi radioattivi, il più importante è quello di 14 s con un tempo di dimezzamento (T = 5,6 × 10 3 anni). Piccole quantità di 14 c (circa 2 × 10 -10% in massa) si formano costantemente negli strati superiori dell'atmosfera sotto l'azione dei neutroni della radiazione cosmica sull'isotopo dell'azoto 14 n. Sulla base dell'attività specifica dell'isotopo 14c nei residui di origine biogenica, viene determinata la loro età. 14 c è ampiamente utilizzato come .

Riferimento storico . U. è conosciuto fin dall'antichità. Il carbone serviva a ripristinare i metalli dai minerali, il diamante come pietra preziosa. Molto più tardi, la grafite cominciò ad essere utilizzata per realizzare crogioli e matite.

Nel 1778K. Scheele, scaldando la grafite con il salnitro, ho scoperto che in questo caso, come quando si scalda il carbone con il salnitro, viene rilasciata anidride carbonica. La composizione chimica del diamante fu stabilita in seguito agli esperimenti di A. Lavoisier(1772) sullo studio della combustione dei diamanti nell'aria e le ricerche di S. Tennant(1797), che dimostrò che uguali quantità di diamante e carbone producono uguali quantità di anidride carbonica durante l'ossidazione. L'U. fu riconosciuto come elemento chimico nel 1789 da Lavoisier. U. ha ricevuto il nome latino carboneum da carbo - carbone.

Distribuzione in natura. Il contenuto medio di uranio nella crosta terrestre è 2,3? 10 -2% in peso (1 ? 10 -2 in ultrabasico, 1 ? 10 -2 - in basico, 2 ? 10 -2 - in medio, 3 ? 10 -2 - V rocce acide). L'U. si accumula nella parte superiore della crosta terrestre (biosfera): nella materia vivente 18% U., legno 50%, carbone 80%, petrolio 85%, antracite 96%. Una parte significativa della litosfera americana è concentrata in calcari e dolomiti.

Il numero dei minerali propri degli Stati Uniti è 112; Il numero di composti organici degli idrocarburi e dei loro derivati ​​è eccezionalmente elevato.

All'accumulo di carbonio nella crosta terrestre è associato l'accumulo di molti altri elementi che vengono assorbiti dalla materia organica e precipitati sotto forma di carbonati insolubili, ecc. La Co 2 e l'acido carbonico svolgono un ruolo geochimico importante nella crosta terrestre. Durante il vulcanismo viene rilasciata un'enorme quantità di CO2: nella storia della Terra questa è stata la principale fonte di anidride carbonica per la biosfera.

Rispetto al contenuto medio della crosta terrestre, l'umanità estrae uranio dal sottosuolo (carbone, petrolio, gas naturale) in quantità eccezionalmente elevate, poiché questi minerali costituiscono la principale fonte di energia.

Il ciclo dell'uranio è di grande importanza geochimica.

U. è diffuso anche nello spazio; sul Sole è al 4° posto dopo idrogeno, elio e ossigeno.

Proprietà fisiche e chimiche. Sono note quattro modifiche cristalline del carbonio: grafite, diamante, carabina e lonsdaleite. La grafite è una massa grigio-nera, opaca, untuosa al tatto, squamosa, molto morbida, con riflessi metallici. Costruito con cristalli di struttura esagonale: a=2.462 a, c=6.701 a. A temperatura ambiente e pressione normale (0,1 Mn/m2, o 1 kgf/cm2) la grafite è termodinamicamente stabile. Il diamante è una sostanza molto dura e cristallina. I cristalli hanno un reticolo cubico a facce centrate: un = 3.560 d.C. A temperatura ambiente e pressione normale, il diamante è metastabile (per dettagli sulla struttura e le proprietà del diamante e della grafite, vedere gli articoli pertinenti). Una notevole trasformazione del diamante in grafite si osserva a temperature superiori a 1400 °C nel vuoto o in atmosfera inerte. Alla pressione atmosferica e ad una temperatura di circa 3700 °C la grafite sublima. L'U liquido può essere ottenuto a pressioni superiori a 10,5 Mn/m2(105 kgf/cm2) e temperature superiori a 3700 °C. Per U. duro ( coca cola, fuliggine, carbone) è anche caratteristico uno stato con una struttura disordinata - il cosiddetto U. “amorfo”, che non rappresenta una modifica indipendente; La sua struttura si basa sulla struttura della grafite fine-cristallina. Il riscaldamento di alcune varietà di carbonio “amorfo” sopra i 1500-1600 °C senza accesso all’aria provoca la loro trasformazione in grafite. Le proprietà fisiche del carbonio “amorfo” dipendono molto dalla dispersione delle particelle e dalla presenza di impurità. La densità, la capacità termica, la conduttività termica e la conduttività elettrica del carbonio “amorfo” sono sempre superiori a quelle della grafite. La carbyne è ottenuta artificialmente. È una polvere nera finemente cristallina (densità 1,9-2 g/cm3) . Costruito da lunghe catene di atomi di C disposti parallelamente tra loro. La lonsdaleite si trova nei meteoriti e viene ottenuta artificialmente; la sua struttura e le sue proprietà non sono state stabilite in modo definitivo.

Configurazione del guscio elettronico esterno dell'atomo U. 2s 2 2p 2 . Il carbonio è caratterizzato dalla formazione di quattro legami covalenti, dovuti all'eccitazione del guscio elettronico esterno allo stato 2 sp3. Pertanto, il carbonio è ugualmente capace sia di attrarre che di donare elettroni. Possono verificarsi legami chimici a causa di sp3-, sp2- E sp-orbitali ibridi, che corrispondono ai numeri di coordinazione 4, 3 e 2. Il numero di elettroni di valenza dell'elettrone e il numero di orbitali di valenza sono gli stessi; Questo è uno dei motivi della stabilità del legame tra gli atomi di U.

La capacità unica degli atomi di uranio di connettersi tra loro per formare catene e cicli forti e lunghi ha portato all'emergere di un numero enorme di diversi composti di uranio oggetto di studio. chimica organica.

Nei composti, l'uranio presenta uno stato di ossidazione pari a -4; +2; +4. Raggio atomico 0,77 a, raggi covalenti 0,77 a, 0,67 a, 0,60 a, rispettivamente, in legami singoli, doppi e tripli; raggio ionico c4- 2,60 a , c 4+ 0,20 a . In condizioni normali, l'uranio è chimicamente inerte; ad alte temperature si combina con molti elementi, mostrando forti proprietà riducenti. L'attività chimica diminuisce nel seguente ordine: carbonio “amorfo”, grafite, diamante; l'interazione con l'ossigeno dell'aria (combustione) avviene rispettivamente a temperature superiori a 300-500 °C, 600-700 °C e 850-1000 °C con formazione di anidride carbonica co 2 e monossido di carbonio co.

la co 2 si dissolve in acqua per formarsi acido carbonico. Nel 1906 O. Diels ricevuto subossido U. c 3 o 2. Tutte le forme di U. sono resistenti agli alcali e agli acidi e vengono ossidate lentamente solo da agenti ossidanti molto forti (miscela cromica, una miscela di hno 3 concentrato e kclo 3, ecc.). U. "Amorfo" reagisce con il fluoro a temperatura ambiente, grafite e diamante - quando riscaldato. La connessione diretta dell'anidride carbonica con il cloro avviene in un arco elettrico; L'U. non reagisce con il bromo e lo iodio, quindi numerosi alogenuri di carbonio sintetizzato indirettamente. Degli ossialogenuri di formula generale cox 2 (dove X è alogeno), il più noto è l'ossicloruro cocl 2 ( fosgene) . L'idrogeno non interagisce con il diamante; reagisce con la grafite e il carbonio “amomorfo” ad alte temperature in presenza di catalizzatori (ni, pt): a 600-1000 °C si forma principalmente metano ch 4, a 1500-2000 °C - acetilene c 2 h 2 , Nei prodotti possono essere presenti anche altri idrocarburi, ad esempio etano c 2 h 6 , benzene c 6 h 6 . L'interazione dello zolfo con il carbonio “amorfo” e la grafite inizia a 700-800 °C, con il diamante a 900-1000 °C; in tutti i casi si forma disolfuro di carbonio cs 2. Dott. I composti U. contenenti zolfo (cs tiossido, c 3 s 2 tiossido, cos solfuro e tiofosgene cscl 2) si ottengono indirettamente. Quando CS 2 interagisce con i solfuri metallici, si formano tiocarbonati, sali di acido tiocarbonico debole. L'interazione dell'anidride carbonica con l'azoto per produrre cianogeno (cn) 2 avviene quando una scarica elettrica viene fatta passare tra gli elettrodi di carbonio in un'atmosfera di azoto. Tra i composti dell'uranio contenenti azoto, di grande importanza pratica sono l'acido cianidrico hcn e i suoi numerosi derivati: cianuri, alogeno-alogenati, nitrili, ecc.. A temperature superiori a 1000 °C l'uranio interagisce con molti metalli, dando carburi. Tutte le forme di carbonio, quando riscaldate, riducono gli ossidi metallici con formazione di metalli liberi (zn, cd, cu, pb, ecc.) o carburi (cac 2, mo 2 c, wo, tac, ecc.). U. reagisce a temperature superiori a 600-800°C con vapore acqueo e anidride carbonica . Una caratteristica distintiva della grafite è la capacità, se riscaldata moderatamente a 300-400 °C, di interagire con metalli alcalini e alogenuri per formare collegamenti di commutazione digitare c 8 me, c 24 me, c 8 x (dove X è alogeno, me è metallo). I composti noti includono grafite con hno 3, h 2 so 4, fecl 3, ecc. (ad esempio, bisolfato di grafite c 24 so 4 h 2). Tutte le forme di uranio sono insolubili nei normali solventi inorganici e organici, ma si dissolvono in alcuni metalli fusi (ad esempio fe, ni, co).

L’importanza economica nazionale dell’energia è determinata dal fatto che oltre il 90% di tutte le fonti primarie di energia consumate nel mondo provengono da fonti organiche. carburante, il cui ruolo dominante continuerà nei prossimi decenni, nonostante l’intenso sviluppo dell’energia nucleare. Solo circa il 10% del combustibile estratto viene utilizzato come materia prima sintesi organica di base E sintesi petrolchimica, per ottenere plastica e così via.

B. A. Popovkin.

U. nel corpo . U. è l'elemento biogenico più importante che costituisce la base della vita sulla Terra, un'unità strutturale di un numero enorme di composti organici coinvolti nella costruzione degli organismi e nel garantire le loro funzioni vitali ( biopolimeri, così come numerose sostanze biologicamente attive a basso peso molecolare - vitamine, ormoni, mediatori, ecc.). Una parte significativa dell'energia necessaria agli organismi si forma nelle cellule a causa dell'ossidazione del carbonio. L'emergere della vita sulla Terra è considerata nella scienza moderna come un processo complesso di evoluzione dei composti del carbonio .

Il ruolo unico del carbonio nella natura vivente è dovuto alle sue proprietà, che nell'insieme non sono possedute da nessun altro elemento del sistema periodico. Si formano forti legami chimici tra gli atomi di carbonio, nonché tra il carbonio e altri elementi, che, tuttavia, possono essere rotti in condizioni fisiologiche relativamente blande (questi legami possono essere singoli, doppi o tripli). La capacità del carbonio di formare quattro legami di valenza equivalenti con altri atomi di carbonio rende possibile costruire scheletri di carbonio di vario tipo: lineari, ramificati e ciclici. È significativo che solo tre elementi - C, O e H - costituiscano il 98% della massa totale degli organismi viventi. Ciò raggiunge una certa efficienza nella natura vivente: con una diversità strutturale quasi illimitata di composti del carbonio, un piccolo numero di tipi di legami chimici consente di ridurre significativamente il numero di enzimi necessari per la scomposizione e la sintesi delle sostanze organiche. Le caratteristiche strutturali dell'atomo di carbonio sono alla base delle varie tipologie isomeria composti organici (la capacità di isomerismo ottico si è rivelata decisiva nell'evoluzione biochimica degli amminoacidi, dei carboidrati e di alcuni alcaloidi).

Secondo l'ipotesi generalmente accettata di A.I. Oparina, I primi composti organici sulla Terra erano di origine abiogenica. Le fonti dell'idrogeno erano il metano (ch 4) e l'acido cianidrico (hcn), contenuti nell'atmosfera primaria della Terra. Con l'emergere della vita, l'unica fonte di carbonio inorganico, grazie alla quale si forma tutta la materia organica della biosfera, è diossido di carbonio(co 2), situato nell'atmosfera, e anche disciolto nelle acque naturali sotto forma di hco - 3. Il meccanismo più potente per l'assimilazione (assimilazione) di U. (sotto forma di co 2) - fotosintesi - portato ovunque dalle piante verdi (ne vengono assimilati circa 100 miliardi ogni anno). T co2). Sulla Terra esiste un metodo evolutivamente più antico per assimilare la co 2 chemiosintesi; in questo caso, i microrganismi chemiosintetici non utilizzano l'energia radiante del Sole, ma l'energia di ossidazione dei composti inorganici. La maggior parte degli animali consuma l'uranio con il cibo sotto forma di composti organici già pronti. A seconda del metodo di assimilazione dei composti organici, è consuetudine distinguere organismi autotrofi E organismi eterotrofi. Utilizzo di microrganismi per la biosintesi di proteine ​​e altri nutrienti utilizzando U come unica fonte. idrocarburi il petrolio è uno dei più importanti problemi scientifici e tecnici moderni.

Il contenuto di U negli organismi viventi calcolato sulla base della sostanza secca è: 34,5-40% nelle piante e negli animali acquatici, 45,4-46,5% nelle piante e negli animali terrestri e 54% nei batteri. Durante la vita degli organismi, principalmente a causa di respirazione dei tessuti, la decomposizione ossidativa dei composti organici avviene con il rilascio di co 2 nell'ambiente esterno. L'U. viene rilasciato anche come parte di prodotti finali metabolici più complessi. Dopo la morte di animali e piante, parte del carbonio viene nuovamente convertito in CO2 a seguito di processi di decadimento attuati dai microrganismi. Ecco come avviene il ciclo del carbonio in natura . Una parte significativa dell'uranio è mineralizzata e forma depositi di uranio fossile: carbone, petrolio, calcare, ecc. Oltre alle funzioni principali - la fonte di uranio - la co 2, disciolta nelle acque naturali e nei fluidi biologici, partecipa al mantenimento dell'uranio acidità ottimale dell'ambiente per i processi vitali. Come parte del caco 3, l'U. forma l'esoscheletro di molti invertebrati (ad esempio, i gusci dei molluschi), e si trova anche nei coralli, nei gusci delle uova degli uccelli, ecc. Composti dell'U. come hcn, co, ccl 4, che prevalevano nel l'atmosfera primaria della Terra nel periodo prebiologico, successivamente, nel processo di evoluzione biologica, si trasformò in forte antimetaboliti metabolismo.

Oltre agli isotopi stabili del carbonio, in natura è molto diffuso il 14c radioattivo (il corpo umano ne contiene circa 0,1 McCurie) . L'uso degli isotopi dell'uranio nella ricerca biologica e medica è associato a molti importanti risultati nello studio del metabolismo e del ciclo dell'uranio in natura. . Pertanto, con l'aiuto di un'etichetta al radiocarbonio, è stata dimostrata la possibilità di fissazione di h 14 co - 3 da parte di piante e tessuti animali, è stata stabilita la sequenza delle reazioni di fotosintesi, è stato studiato il metabolismo degli amminoacidi, i percorsi di biosintesi di molti sono stati tracciati composti biologicamente attivi, ecc. L'uso del 14c ha contribuito al successo della biologia molecolare nello studio dei meccanismi di biosintesi proteica e di trasmissione delle informazioni ereditarie. La determinazione dell'attività specifica del 14 c nei residui organici contenenti carbonio consente di giudicare la loro età, che viene utilizzata in paleontologia e archeologia.

N. N. Chernov.

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Nella tavola periodica di Mendeleev, il carbonio C è il numero 6. Anche i primitivi notarono che dopo aver bruciato il legno si forma carbone, che può essere usato per disegnare sulle pareti di una grotta. Tutti i composti organici contengono carbonio. Le due modificazioni allotropiche del carbonio più studiate sono la grafite e il diamante.

Carbonio in chimica organica

Il carbonio occupa un posto speciale nella tavola periodica. A causa della sua struttura, forma lunghe catene di legami di struttura lineare o ciclica. Si conoscono più di 10 milioni di composti organici. Nonostante la loro diversità, nell'aria e sotto l'influenza della temperatura si trasformeranno sempre in anidride carbonica e.

Il ruolo del carbonio nella nostra vita quotidiana è enorme. Senza anidride carbonica la fotosintesi, uno dei principali processi biologici, non avrebbe luogo.

Applicazione del carbonio

Il carbonio è ampiamente utilizzato in medicina per creare vari medicinali organici. Gli isotopi del carbonio consentono la datazione al radiocarbonio. Senza carbonio, l’industria metallurgica non può funzionare. Il carbone bruciato nelle caldaie a pirolisi a combustibile solido funge da fonte di energia. Nell'industria della raffinazione del petrolio, la benzina e il gasolio sono prodotti da composti organici del carbonio. Gran parte del carbonio è necessario per produrre zucchero. Viene utilizzato anche nella sintesi di composti organici importanti per tutti gli ambiti della vita quotidiana.