Węgiel w układzie okresowym. Dwutlenek węgla

Właściwości fizyczne: węgiel tworzy wiele modyfikacji alotropowych: diament- jedna z najtwardszych substancji grafit, węgiel, sadza.

Atom węgla ma 6 elektronów: 1s 2 2s 2 2p 2 . Ostatnie dwa elektrony znajdują się na oddzielnych orbitali p i są niesparowane. W zasadzie para ta mogłaby zajmować ten sam orbital, ale w tym przypadku odpychanie międzyelektronowe znacznie wzrasta. Z tego powodu jeden z nich przyjmuje 2p x, a drugi albo 2p y , lub orbitale 2p z.

Różnica energii podpoziomów s i p warstwy zewnętrznej jest niewielka, więc atom dość łatwo przechodzi w stan wzbudzony, w którym jeden z dwóch elektronów z orbitalu 2s przechodzi do wolnego 2 pocierać. Stan wartościowości pojawia się w konfiguracji 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . To właśnie ten stan atomu węgla jest charakterystyczny dla sieci diamentu – czworościenny układ przestrzenny orbitali hybrydowych, identyczna długość i energia wiązań.

Zjawisko to znane jest jako tzw sp 3 -hybrydyzacja, a wyłaniające się funkcje są sp 3 -hybrydowe . Utworzenie czterech wiązań sp 3 zapewnia atomowi węgla stan bardziej stabilny niż trzy r-r- i jedno połączenie s-s. Oprócz hybrydyzacji sp 3, hybrydyzację sp 2 i sp obserwuje się także na atomie węgla . W pierwszym przypadku następuje wzajemne nakładanie się S- i dwie orbitale p. Tworzą się trzy równoważne orbitale hybrydowe sp 2, położone w tej samej płaszczyźnie pod kątem 120° względem siebie. Trzeci orbital p pozostaje niezmieniony i skierowany prostopadle do płaszczyzny sp2.

Podczas hybrydyzacji sp orbitale s i p nakładają się. Pomiędzy dwoma równoważnymi orbitalami hybrydowymi, które powstają, powstaje kąt 180°, podczas gdy dwa orbitale p każdego atomu pozostają niezmienione.

Alotropia węgla. Diament i grafit

W krysztale grafitu atomy węgla są rozmieszczone w równoległych płaszczyznach, zajmując wierzchołki regularnych sześciokątów. Każdy atom węgla jest połączony z trzema sąsiednimi wiązaniami hybrydowymi sp 2. Połączenie płaszczyzn równoległych odbywa się pod wpływem sił van der Waalsa. Wolne orbitale p każdego atomu są skierowane prostopadle do płaszczyzn wiązań kowalencyjnych. Ich nakładanie się wyjaśnia dodatkowe wiązanie π pomiędzy atomami węgla. Zatem od stan wartościowości, w którym znajdują się atomy węgla w substancji, określa właściwości tej substancji.

Właściwości chemiczne węgla

Najbardziej charakterystyczne stopnie utlenienia to: +4, +2.

W niskich temperaturach węgiel jest obojętny, ale po podgrzaniu jego aktywność wzrasta.

Węgiel jako środek redukujący:

- z tlenem
C 0 + O 2 – t° = CO 2 dwutlenek węgla
przy braku tlenu - niepełne spalanie:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O tlenek węgla

- z fluorem
C + 2F 2 = CF 4

- z parą wodną
C 0 + H 2 O – 1200° = C +2 O + H 2 gaz wodny

- z tlenkami metali. W ten sposób wytapia się metal z rudy.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2

- z kwasami - utleniaczami:
C 0 + 2H 2 SO 4 (stęż.) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (stęż.) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- tworzy dwusiarczek węgla z siarką:
C + 2S 2 = CS 2.

Węgiel jako środek utleniający:

- tworzy węgliki z niektórymi metalami

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- z wodorem - metanem (a także ogromną liczbą związków organicznych)

C0 + 2H2 = CH4

— z krzemem tworzy karborund (w temperaturze 2000 °C w piecu elektrycznym):

Znalezienie węgla w przyrodzie

Wolny węgiel występuje w postaci diamentu i grafitu. W postaci związków węgiel występuje w minerałach: kredzie, marmurze, wapieniu – CaCO 3, dolomicie – MgCO 3 *CaCO 3; węglowodory - Mg(HCO 3) 2 i Ca(HCO 3) 2, CO 2 jest częścią powietrza; Węgiel jest głównym składnikiem naturalnych związków organicznych - gazu, ropy, węgla, torfu i jest częścią substancji organicznych, białek, tłuszczów, węglowodanów, aminokwasów tworzących organizmy żywe.

Nieorganiczne związki węgla

Ani jony C 4+, ani C 4- nie powstają w żadnych konwencjonalnych procesach chemicznych: związki węgla zawierają wiązania kowalencyjne o różnej polarności.

Tlenek węgla WSPÓŁ

Tlenek węgla; bezbarwny, bezwonny, słabo rozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych, toksyczny, temperatura wrzenia = -192°C; t mł. = -205°C.

Paragon
1) W przemyśle (w generatorach gazu):
C + O2 = CO2

2) W laboratorium - rozkład termiczny kwasu mrówkowego lub szczawiowego w obecności H 2 SO 4 (stęż.):
HCOOH = H2O + CO

H 2 do 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O

Właściwości chemiczne

W normalnych warunkach CO jest obojętny; po podgrzaniu - środek redukujący; tlenek nie tworzący soli.

1) z tlenem

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

2) z tlenkami metali

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

3) chlorem (w świetle)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (fosgen)

4) reaguje ze stopionymi alkaliami (pod ciśnieniem)

CO + NaOH = HCOONa (mrówczan sodu)

5) tworzy karbonyle z metalami przejściowymi

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Tlenek węgla (IV) CO2

Dwutlenek węgla, bezbarwny, bezwonny, rozpuszczalność w wodzie - 0,9 V CO 2 rozpuszcza się w 1 V H 2 O (w normalnych warunkach); cięższe niż powietrze; t°pl. = -78,5°C (stały CO 2 nazywany jest „suchym lodem”); nie wspomaga spalania.

Paragon

1. Termiczny rozkład soli kwasu węglowego (węglanów). Wypalanie wapienia:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

1. Działanie mocnych kwasów na węglany i wodorowęglany:

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

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2

ChemicznynieruchomościWSPÓŁ2
Tlenek kwasowy: Reaguje z zasadowymi tlenkami i zasadami, tworząc sole kwasu węglowego

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

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

NaOH + CO2 = NaHCO3

W podwyższonych temperaturach może wykazywać właściwości utleniające

C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Reakcja jakościowa

Zmętnienie wody wapiennej:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (biały osad) + H 2 O

Znika, gdy CO 2 przepuszcza się przez wodę wapienną przez długi czas, ponieważ nierozpuszczalny węglan wapnia zamienia się w rozpuszczalny wodorowęglan:

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

Kwas węglowy i jegosól

H 2CO3 - Słaby kwas, występuje tylko w roztworze wodnym:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Dwuzasadowy:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Sole kwasowe - wodorowęglany, wodorowęglany
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Sole średnie - węglany

Wszystkie właściwości kwasów są charakterystyczne.

Węglany i wodorowęglany mogą przekształcać się w siebie:

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

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

Węglany metali (z wyjątkiem metali alkalicznych) pod wpływem ogrzewania ulegają dekarboksylacji, tworząc tlenek:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2

Reakcja jakościowa- „wrzenie” pod wpływem mocnego kwasu:

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2

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

Węgliki

Węglik wapnia:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

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

Acetylen wydziela się podczas reakcji węglików cynku, kadmu, lantanu i ceru z wodą:

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

Be 2 C i Al 4 C 3 rozkładają się z wodą, tworząc metan:

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

W technologii wykorzystuje się węgliki tytanu TiC, wolfram W 2 C (stopy twarde), krzem SiC (karborund – jako materiał ścierny i materiał na grzejniki).

Cyjanek

otrzymywany przez ogrzewanie sody w atmosferze amoniaku i tlenku węgla:

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

Kwas cyjanowodorowy HCN jest ważnym produktem przemysłu chemicznego i jest szeroko stosowany w syntezie organicznej. Jego światowa produkcja sięga 200 tysięcy ton rocznie. Struktura elektronowa anionu cyjankowego jest podobna do tlenku węgla (II), cząstki takie nazywane są izoelektronicznymi:

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

Cyjanki (0,1-0,2% roztwór wodny) stosuje się w wydobyciu złota:

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

Tworzą się podczas gotowania roztworów cyjanku z siarką lub topiącymi się substancjami stałymi tiocyjaniany:
KCN + S = KSCN.

Po podgrzaniu cyjanków metali o niskiej aktywności otrzymuje się cyjanek: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. Roztwory cyjanku utleniają się do cyjaniany:

2KCN + O2 = 2KOCN.

Kwas cyjanowy występuje w dwóch postaciach:

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

W 1828 roku Friedrich Wöhler (1800-1882) otrzymał mocznik z cyjanianu amonu: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 przez odparowanie roztworu wodnego.

Wydarzenie to jest zwykle uważane za zwycięstwo chemii syntetycznej nad „teorią witalistyczną”.

Istnieje izomer kwasu cyjanowego - wybuchowy kwas

H-O-N=C.
Jego sole (piorminat rtęci Hg(ONC) 2) stosuje się w zapalnikach udarowych.

Synteza mocznik(mocznik):

CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. W temperaturze 130 0 C i 100 atm.

Mocznik jest amidem kwasu węglowego, istnieje też jego „analog azotowy” – guanidyna.

Węglany

Najważniejszymi nieorganicznymi związkami węgla są sole kwasu węglowego (węglany). H 2 CO 3 jest słabym kwasem (K 1 = 1,3 10 -4; K 2 = 5 10 -11). Wspomagacze buforowe węglanowe bilans dwutlenku węgla w atmosferze. Oceany na świecie mają ogromną pojemność buforową, ponieważ są systemem otwartym. Główną reakcją buforową jest równowaga podczas dysocjacji kwasu węglowego:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - .

Kiedy kwasowość spada, następuje dodatkowa absorpcja dwutlenku węgla z atmosfery wraz z utworzeniem kwasu:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .

Wraz ze wzrostem kwasowości skały węglanowe (muszle, kreda i osady wapienne w oceanie) rozpuszczają się; kompensuje to utratę jonów węglowodorowych:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (stały) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Węglany stałe zamieniają się w rozpuszczalne wodorowęglany. To właśnie ten proces chemicznego rozpuszczania nadmiaru dwutlenku węgla przeciwdziała „efektowi cieplarnianemu” – globalnemu ociepleniu w wyniku absorpcji promieniowania cieplnego z Ziemi przez dwutlenek węgla. Około jedna trzecia światowej produkcji sody (węglanu sodu Na 2 CO 3) wykorzystywana jest do produkcji szkła.

Dwutlenek węgla, tlenek węgla, dwutlenek węgla – to wszystko są nazwy jednej substancji znanej nam jako dwutlenek węgla. Jakie zatem właściwości ma ten gaz i jakie są jego obszary zastosowań?

Dwutlenek węgla i jego właściwości fizyczne

Dwutlenek węgla składa się z węgla i tlenu. Wzór na dwutlenek węgla wygląda następująco – CO₂. W naturze powstaje podczas spalania lub rozkładu substancji organicznych. Zawartość gazu w źródłach powietrznych i mineralnych jest również dość wysoka. Ponadto ludzie i zwierzęta również emitują dwutlenek węgla podczas wydechu.

Ryż. 1. Cząsteczka dwutlenku węgla.

Dwutlenek węgla jest całkowicie bezbarwnym gazem i nie można go zobaczyć. Nie ma również zapachu. Jednak przy wysokich stężeniach u osoby może rozwinąć się hiperkapnia, czyli uduszenie. Brak dwutlenku węgla może również powodować problemy zdrowotne. W wyniku braku tego gazu może rozwinąć się stan odwrotny do uduszenia – hipokapnia.

Jeśli umieścisz dwutlenek węgla w warunkach niskiej temperatury, wówczas w temperaturze -72 stopni krystalizuje i staje się jak śnieg. Dlatego dwutlenek węgla w stanie stałym nazywany jest „suchym śniegiem”.

Ryż. 2. Suchy śnieg – dwutlenek węgla.

Dwutlenek węgla jest 1,5 razy gęstszy od powietrza. Jego gęstość wynosi 1,98 kg/m3.Wiązanie chemiczne w cząsteczce dwutlenku węgla jest polarne kowalencyjne. Jest polarny, ponieważ tlen ma wyższą wartość elektroujemności.

Ważną koncepcją w badaniu substancji jest masa cząsteczkowa i molowa. Masa molowa dwutlenku węgla wynosi 44. Liczba ta powstaje z sumy względnych mas atomowych atomów tworzących cząsteczkę. Wartości względnych mas atomowych pochodzą z tabeli D.I. Mendelejewa i są zaokrąglane do liczb całkowitych. Odpowiednio masa molowa CO₂ = 12+2*16.

Aby obliczyć ułamki masowe pierwiastków w dwutlenku węgla, należy postępować zgodnie ze wzorem do obliczania ułamków masowych każdego pierwiastka chemicznego w substancji.

N– liczba atomów lub cząsteczek.
A R– względna masa atomowa pierwiastka chemicznego.
Pan– względna masa cząsteczkowa substancji.
Obliczmy względną masę cząsteczkową dwutlenku węgla.

Mr(CO₂) = 14 + 16 * 2 = 44 w(C) = 1 * 12 / 44 = 0,27 czyli 27% Ponieważ wzór na dwutlenek węgla zawiera dwa atomy tlenu, to n = 2 w(O) = 2 * 16 / 44 = 0,73 lub 73%

Odpowiedź: w(C) = 0,27 lub 27%; w(O) = 0,73 lub 73%

Właściwości chemiczne i biologiczne dwutlenku węgla

Dwutlenek węgla ma właściwości kwasowe, ponieważ jest tlenkiem kwasowym, a po rozpuszczeniu w wodzie tworzy kwas węglowy:

CO₂+H₂O=H₂CO₃

Reaguje z zasadami, powodując powstawanie węglanów i wodorowęglanów. Gaz ten nie pali się. Spalają się w nim tylko niektóre aktywne metale, takie jak magnez.

Po podgrzaniu dwutlenek węgla rozkłada się na tlenek węgla i tlen:

2CO₃=2CO+O₃.

Podobnie jak inne tlenki kwasowe, gaz ten łatwo reaguje z innymi tlenkami:

CaO+Co₃=CaCO₃.

Dwutlenek węgla jest składnikiem wszystkich substancji organicznych. Cyrkulacja tego gazu w przyrodzie odbywa się przy pomocy producentów, konsumentów i rozkładających się. W ciągu życia człowiek wytwarza dziennie około 1 kg dwutlenku węgla. Kiedy wdychamy, otrzymujemy tlen, ale w tym momencie w pęcherzykach płucnych powstaje dwutlenek węgla. W tym momencie następuje wymiana: tlen dostaje się do krwi, a dwutlenek węgla wychodzi.

Podczas produkcji alkoholu powstaje dwutlenek węgla. Gaz ten jest także produktem ubocznym przy produkcji azotu, tlenu i argonu. Zastosowanie dwutlenku węgla jest konieczne w przemyśle spożywczym, gdzie dwutlenek węgla pełni funkcję konserwantu, a dwutlenek węgla w postaci płynnej występuje w gaśnicach.

Ryż. 3. Gaśnica.

Czego się nauczyliśmy?

Dwutlenek węgla jest substancją, która w normalnych warunkach jest bezbarwna i bezwonna. Oprócz swojej nazwy zwyczajowej, dwutlenku węgla, nazywany jest również tlenkiem węgla lub dwutlenkiem węgla.

Testuj w temacie

Ocena raportu

Średnia ocena: 4.3. Łączna liczba otrzymanych ocen: 116.

Węgiel (angielski Carbon, francuski Carbone, niemiecki Kohlenstoff) w postaci węgla, sadzy i sadzy jest znany ludzkości od niepamiętnych czasów; około 100 tysięcy lat temu, kiedy nasi przodkowie opanowali ogień, na co dzień zajmowali się węglem i sadzą. Prawdopodobnie bardzo wcześnie ludzie zapoznali się z alotropowymi modyfikacjami węgla - diamentu i grafitu, a także węgla kopalnego. Nic dziwnego, że spalanie substancji zawierających węgiel było jednym z pierwszych procesów chemicznych, który zainteresował człowieka. Ponieważ paląca się substancja zniknęła po strawieniu przez ogień, spalanie uznano za proces rozkładu substancji i dlatego węgiel (lub węgiel) nie był uważany za pierwiastek. Żywiołem był ogień – zjawisko towarzyszące spalaniu; W starożytnych naukach o żywiołach ogień zwykle pojawia się jako jeden z żywiołów. Na przełomie XVII – XVIII w. Powstała teoria flogistonu wysunięta przez Bechera i Stahla. Teoria ta uwzględniała obecność w każdym ciele palnym specjalnej substancji elementarnej - nieważkiego płynu - flogistonu, który odparowuje w procesie spalania. Ponieważ przy spalaniu dużej ilości węgla pozostaje tylko niewielka ilość popiołu, flogistycy uważali, że węgiel jest prawie czystym flogistonem. To właśnie wyjaśnia w szczególności „flogistyczny” efekt węgla - jego zdolność do przywracania metali z „wapna” i rud. Późniejsi flogistycy, Reaumur, Bergman i inni, już zaczęli rozumieć, że węgiel jest substancją elementarną. Jednak po raz pierwszy „czysty węgiel” został uznany za taki przez Lavoisiera, który badał proces spalania węgla i innych substancji w powietrzu i tlenie. W książce „Method of Chemical Nomenclature” (1787) autorstwa Guitona de Morveau, Lavoisiera, Bertholleta i Fourcroixa zamiast francuskiego „czystego węgla” (charbone pur) pojawiła się nazwa „węgiel” (carbone). Pod tą samą nazwą węgiel pojawia się w „Tabeli ciał prostych” w „Elementary Textbook of Chemistry” Lavoisiera. W 1791 r. angielski chemik Tennant jako pierwszy uzyskał wolny węgiel; przepuścił pary fosforu nad kalcynowaną kredą, w wyniku czego utworzył się fosforan wapnia i węgiel. Od dawna wiadomo, że diament przy mocnym nagrzaniu spala się nie pozostawiając osadu. Już w 1751 roku król Francji Franciszek I zgodził się podarować diament i rubin do eksperymentów ze spalaniem, po czym eksperymenty te stały się nawet modne. Okazało się, że pali się tylko diament, a rubin (tlenek glinu z domieszką chromu) wytrzymuje długotrwałe nagrzewanie w ognisku soczewki zapłonowej bez uszkodzeń. Lavoisier przeprowadził nowy eksperyment ze spalaniem diamentów za pomocą dużej maszyny zapalającej i doszedł do wniosku, że diament to węgiel krystaliczny. Drugi alotrop węgla - grafitu w okresie alchemicznym uznawany był za zmodyfikowany połysk ołowiu i nazywano go plumbago; Dopiero w 1740 roku Pott odkrył brak jakichkolwiek zanieczyszczeń ołowiem w graficie. Scheele badał grafit (1779) i będąc flogistą, uznał go za szczególny rodzaj ciał siarkowych, specjalny węgiel mineralny zawierający związany „kwas powietrzny” (CO 2) i dużą ilość flogistonu.

Dwadzieścia lat później Guiton de Morveau zamienił diament w grafit, a następnie w kwas węglowy poprzez ostrożne ogrzewanie.

Międzynarodowa nazwa Carboneum pochodzi od języka łacińskiego. węgiel (węgiel). To słowo ma bardzo starożytne pochodzenie. Porównuje się go do kremu – palić; zwisanie korzeni, cal, rosyjski gar, gal, gol, w sanskrycie sta oznacza gotować, gotować. Słowo „carbo” kojarzy się z nazwami węgla w innych językach europejskich (węgiel, węgiel drzewny itp.). Niemiecki Kohlenstoff pochodzi z Kohle – węgiel (staroniemiecki kolo, szwedzki kylla – do ogrzewania). Staroruskie ugorati lub ugarati (palić, przypalać) ma korzeń gar, czyli góry, z możliwym przejściem na gol; węgiel w języku staroruskim jugal, czyli węgiel tego samego pochodzenia. Słowo diament (Diamante) pochodzi ze starożytnej greki – niezniszczalny, nieustępliwy, twardy, a grafit z greki – piszę.

Węgiel(łac. carboneum), C, pierwiastek chemiczny grupy IV układu okresowego Mendelejewa, liczba atomowa 6, masa atomowa 12,011. Znane są dwa stabilne izotopy: 12c (98,892%) i 13c (1,108%). Spośród izotopów promieniotwórczych najważniejszy jest 14 s z okresem półtrwania (T = 5,6 × 10 3 lata). Niewielkie ilości 14 c (około 2 × 10 -10% masowych) powstają stale w górnych warstwach atmosfery pod wpływem neutronów promieniowania kosmicznego na izotop azotu 14 n. Na podstawie specyficznej aktywności izotopu 14c w pozostałościach pochodzenia biogennego określa się ich wiek. 14c jest szeroko stosowany jako .

Odniesienie historyczne . U. jest znany od czasów starożytnych. Węgiel drzewny służył do przywracania metali z rud, diamentów - jako kamień szlachetny. Znacznie później zaczęto wykorzystywać grafit do wyrobu tygli i ołówków.

W 1778 K. Scheele, podgrzewając grafit saletrą, odkryłem, że w tym przypadku, podobnie jak przy ogrzewaniu węgla saletrą, wydziela się dwutlenek węgla. Skład chemiczny diamentu został ustalony w wyniku eksperymentów A. Lavoisiera(1772) na temat badań spalania diamentów w powietrzu i badań S. Tennanta(1797), który udowodnił, że podczas utleniania równe ilości diamentu i węgla wytwarzają równe ilości dwutlenku węgla. U. został uznany za pierwiastek chemiczny w 1789 roku przez Lavoisiera. U. otrzymał łacińską nazwę carboneum od carbo – węgiel.

Dystrybucja w przyrodzie. Średnia zawartość uranu w skorupie ziemskiej wynosi 2,3? 10 -2% wagowo (1 ? 10 -2 w ultrazasadowym, 1 ? 10 -2 - w podstawowym, 2 ? 10 -2 - w średnim, 3 ? 10 -2 - V skały kwaśne). U. gromadzi się w górnej części skorupy ziemskiej (biosferze): w materii żywej 18% U., drewnie 50%, węglu 80%, oleju 85%, antracycie 96%. Znaczna część litosfery U. jest skoncentrowana w wapieniach i dolomitach.

Liczba minerałów własnych U. wynosi 112; Liczba związków organicznych węglowodorów i ich pochodnych jest wyjątkowo duża.

Akumulacja węgla w skorupie ziemskiej wiąże się z akumulacją wielu innych pierwiastków, które są absorbowane przez materię organiczną i wytrącane w postaci nierozpuszczalnych węglanów itp. Co 2 i kwas węglowy odgrywają główną rolę geochemiczną w skorupie ziemskiej. Podczas wulkanizmu uwalniana jest ogromna ilość co2 - w historii Ziemi było to główne źródło dwutlenku węgla dla biosfery.

W porównaniu ze średnią zawartością skorupy ziemskiej ludzkość wydobywa uran z podglebia (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny) w wyjątkowo dużych ilościach, ponieważ minerały te są głównym źródłem energii.

Cykl uranowy ma ogromne znaczenie geochemiczne.

U. jest również szeroko rozpowszechniony w kosmosie; na Słońcu zajmuje czwarte miejsce po wodorze, helu i tlenie.

Fizyczne i chemiczne właściwości. Znane są cztery krystaliczne modyfikacje węgla: grafit, diament, karabinek i lonsdaleit. Grafit to szaroczarna, nieprzezroczysta, tłusta w dotyku, łuszcząca się, bardzo miękka masa o metalicznym połysku. Zbudowane z kryształów o budowie heksagonalnej: a=2,462 a, c=6,701 a. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem (0,1 Mn/m 2, lub 1 kgf/cm2) grafit jest stabilny termodynamicznie. Diament jest bardzo twardą, krystaliczną substancją. Kryształy mają sześcienną siatkę skupioną na ścianie: a = 3560 a. W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem diament jest metastabilny (szczegółowe informacje na temat struktury i właściwości diamentu i grafitu można znaleźć w odpowiednich artykułach). Wyraźną przemianę diamentu w grafit obserwuje się w temperaturach powyżej 1400°C w próżni lub w atmosferze obojętnej. Pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze około 3700°C grafit sublimuje. Ciecz U. można otrzymać przy ciśnieniach powyżej 10,5 Mn/m 2(105 kgf/cm2) i temperaturach powyżej 3700°C. Dla twardego U. ( koks, sadza, węgiel drzewny) charakterystyczny jest również stan o nieuporządkowanej strukturze - tzw. „amorficzny” U., który nie stanowi niezależnej modyfikacji; Jego budowa opiera się na strukturze drobnokrystalicznego grafitu. Ogrzanie niektórych odmian węgla „amorficznego” powyżej 1500-1600°C bez dostępu powietrza powoduje ich przemianę w grafit. Właściwości fizyczne „amorficznego” węgla w dużym stopniu zależą od rozproszenia cząstek i obecności zanieczyszczeń. Gęstość, pojemność cieplna, przewodność cieplna i przewodność elektryczna „amorficznego” węgla są zawsze wyższe niż grafitu. Carbyne jest otrzymywany sztucznie. Jest drobno krystalicznym czarnym proszkiem (gęstość 1,9-2,0). g/cm3) . Zbudowane z długich łańcuchów atomów C ułożonych równolegle do siebie. Lonsdaleit występuje w meteorytach i jest otrzymywany sztucznie; jego struktura i właściwości nie zostały ostatecznie ustalone.

Konfiguracja zewnętrznej powłoki elektronowej atomu U. 2s 2 2p 2 . Węgiel charakteryzuje się tworzeniem czterech wiązań kowalencyjnych, w wyniku wzbudzenia zewnętrznej powłoki elektronowej do stanu 2 sp3. Dlatego węgiel jest w równym stopniu zdolny zarówno do przyciągania, jak i oddawania elektronów. Wiązanie chemiczne może powstać w wyniku sp 3 -, sp 2 - I sp-orbitale hybrydowe, które odpowiadają liczbom koordynacyjnym 4, 3 i 2. Liczba elektronów walencyjnych elektronu i liczba orbitali walencyjnych są takie same; Jest to jedna z przyczyn stabilności wiązania między atomami U.

Wyjątkowa zdolność atomów uranu do łączenia się ze sobą w celu utworzenia mocnych i długich łańcuchów i cykli doprowadziła do pojawienia się ogromnej liczby badanych różnych związków uranu. Chemia organiczna.

W związkach uran wykazuje stopień utlenienia -4; +2; +4. Promień atomowy 0,77 a, promienie kowalencyjne odpowiednio 0,77 a, 0,67 a, 0,60 a w wiązaniach pojedynczych, podwójnych i potrójnych; promień jonowy c 4- 2,60 a , c 4+ 0,20 a . W normalnych warunkach uran jest chemicznie obojętny, w wysokich temperaturach łączy się z wieloma pierwiastkami, wykazując silne właściwości redukujące. Aktywność chemiczna maleje w następującej kolejności: węgiel „amorficzny”, grafit, diament; interakcja z tlenem z powietrza (spalanie) zachodzi odpowiednio w temperaturach powyżej 300-500°C, 600-700°C i 850-1000°C z utworzeniem dwutlenku węgla co 2 i tlenku węgla co.

co 2 rozpuszcza się w wodzie i tworzy kwas węglowy. W 1906 O. Diele otrzymał podtlenek U. c 3 o 2. Wszystkie formy U. są odporne na zasady i kwasy i ulegają powolnemu utlenianiu jedynie za pomocą bardzo silnych utleniaczy (mieszanina chromowa, mieszanina stężonego hno 3 i kclo 3 itp.). „Amorficzny” U. reaguje z fluorem w temperaturze pokojowej, grafitem i diamentem - po podgrzaniu. Bezpośrednie połączenie dwutlenku węgla z chlorem następuje w łuku elektrycznym; U. nie reaguje z bromem i jodem, dlatego jest ich dużo halogenki węgla syntetyzowany pośrednio. Spośród tlenohalogenków o wzorze ogólnym cox 2 (gdzie X oznacza halogen), najbardziej znanym jest tlenochlorek cocl 2 ( fosgen) . Wodór nie oddziałuje z diamentem; reaguje z grafitem i „amorficznym” węglem w wysokich temperaturach w obecności katalizatorów (ni, pt): w temperaturze 600-1000 °C tworzy się głównie metan ch 4, w temperaturze 1500-2000 °C - acetylen c 2 h 2 , W produktach mogą występować także inne węglowodory, na przykład etan c 2 h 6 , benzen c 6 godz. 6 . Oddziaływanie siarki z „amorficznym” węglem i grafitem rozpoczyna się w temperaturze 700-800 °C, z diamentem w temperaturze 900-1000 °C; we wszystkich przypadkach tworzy się dwusiarczek węgla cs2. Dr. U. związki zawierające siarkę (titlenek cs, titlenek c3s2, siarczek cos i tiofosgen cscl2) otrzymuje się pośrednio. Kiedy cs 2 oddziałuje z siarczkami metali, powstają tiowęglany - sole słabego kwasu tiowęglowego. Oddziaływanie dwutlenku węgla z azotem w celu wytworzenia cyjanu (cn) 2 zachodzi, gdy wyładowanie elektryczne przepływa pomiędzy elektrodami węglowymi w atmosferze azotu. Wśród zawierających azot związków uranu duże znaczenie praktyczne mają cyjanowodór hcn i jego liczne pochodne: cyjanki, halohalogenany, nitryle itp. W temperaturach powyżej 1000 °C uran oddziałuje z wieloma metalami, dając węgliki. Wszystkie formy węgla po podgrzaniu redukują tlenki metali, tworząc wolne metale (zn, cd, cu, pb itp.) lub węgliki (cac 2, mo 2 c, wo, tac itp.). U. reaguje w temperaturach powyżej 600-800°C z parą wodną i dwutlenkiem węgla . Charakterystyczną cechą grafitu jest zdolność, po umiarkowanym podgrzaniu do 300-400 °C, do interakcji z metalami alkalicznymi i halogenkami, tworząc przełączanie połączeń wpisz c 8 me, c 24 me, c 8 x (gdzie X to halogen, me to metal). Znane związki obejmują grafit z hno 3, h 2 więc 4, fecl 3 itd. (na przykład wodorosiarczan grafitu c 24 więc 4 h 2). Wszystkie formy uranu są nierozpuszczalne w zwykłych rozpuszczalnikach nieorganicznych i organicznych, ale rozpuszczają się w niektórych stopionych metalach (na przykład fe, ni, co).

O krajowym znaczeniu gospodarczym energii decyduje fakt, że ponad 90% wszystkich pierwotnych źródeł energii zużywanej na świecie pochodzi ze źródeł organicznych. paliwo, którego dominująca rola utrzyma się przez najbliższe dziesięciolecia, pomimo intensywnego rozwoju energetyki jądrowej. Tylko około 10% wydobytego paliwa wykorzystuje się jako surowiec podstawowa synteza organiczna I synteza petrochemiczna, za zdobycie tworzywa sztuczne itd.

B. A. Popovkin.

U. w ciele . U. to najważniejszy pierwiastek biogenny stanowiący podstawę życia na Ziemi, jednostka strukturalna ogromnej liczby związków organicznych biorących udział w budowie organizmów i zapewniających ich funkcje życiowe ( biopolimery, a także liczne niskocząsteczkowe substancje biologicznie czynne - witaminy, hormony, mediatory itp.). Znaczna część energii niezbędnej organizmom powstaje w komórkach w wyniku utleniania węgla.Pojawienie się życia na Ziemi jest uważane we współczesnej nauce za złożony proces ewolucji związków węgla .

Wyjątkowa rola węgla w przyrodzie ożywionej wynika z jego właściwości, których w sumie nie posiada żaden inny pierwiastek układu okresowego. Pomiędzy atomami węgla, a także pomiędzy węglem a innymi pierwiastkami tworzą się silne wiązania chemiczne, które jednak w stosunkowo łagodnych warunkach fizjologicznych mogą zostać rozerwane (wiązania te mogą być pojedyncze, podwójne lub potrójne). Zdolność węgla do tworzenia czterech równoważnych wiązań walencyjnych z innymi atomami węgla umożliwia konstruowanie szkieletów węglowych różnego typu – liniowych, rozgałęzionych i cyklicznych. Znamienne jest, że tylko trzy pierwiastki – C, O i H – stanowią 98% całkowitej masy organizmów żywych. Osiąga to pewną efektywność w żywej przyrodzie: przy niemal nieograniczonej różnorodności strukturalnej związków węgla, niewielka liczba rodzajów wiązań chemicznych pozwala znacznie zmniejszyć liczbę enzymów niezbędnych do rozkładu i syntezy substancji organicznych. Cechy strukturalne atomu węgla leżą u podstaw różnych typów izomeria związki organiczne (zdolność do izomerii optycznej okazała się decydująca w ewolucji biochemicznej aminokwasów, węglowodanów i niektórych alkaloidów).

Zgodnie z ogólnie przyjętą hipotezą A.I. Oparina, Pierwsze związki organiczne na Ziemi były pochodzenia abiogennego. Źródłami wodoru był metan (ch 4) i cyjanowodór (hcn) zawarte w pierwotnej atmosferze Ziemi. Wraz z pojawieniem się życia jedynym źródłem węgla nieorganicznego, dzięki któremu powstaje cała materia organiczna biosfery, jest dwutlenek węgla(co 2), znajdujący się w atmosferze, a także rozpuszczony w wodach naturalnych w postaci hco - 3. Najpotężniejszy mechanizm asymilacji (asymilacji) U. (w postaci co 2) - fotosynteza - przeprowadzane wszędzie przez rośliny zielone (około 100 miliardów jest asymilowanych rocznie). T współ2). Na Ziemi istnieje ewolucyjnie starsza metoda asymilacji co 2 przez chemosynteza; w tym przypadku mikroorganizmy chemosyntetyczne wykorzystują nie energię promieniowania Słońca, ale energię utleniania związków nieorganicznych. Większość zwierząt spożywa uran z pożywieniem w postaci gotowych związków organicznych. W zależności od metody asymilacji związków organicznych zwyczajowo rozróżnia się organizmy autotroficzne I organizmy heterotroficzne. Wykorzystanie mikroorganizmów do biosyntezy białek i innych składników odżywczych z wykorzystaniem U jako jedynego źródła. węglowodory ropa naftowa jest jednym z ważnych współczesnych problemów naukowo-technicznych.

Zawartość U w organizmach żywych w przeliczeniu na suchą masę wynosi: 34,5-40% w roślinach i zwierzętach wodnych, 45,4-46,5% w roślinach i zwierzętach lądowych oraz 54% w bakteriach. Podczas życia organizmów, głównie z powodu oddychanie tkankowe, oksydacyjny rozkład związków organicznych następuje wraz z uwolnieniem co 2 do środowiska zewnętrznego. U. jest również uwalniany jako część bardziej złożonych końcowych produktów metabolizmu. Po śmierci zwierząt i roślin część węgla jest ponownie przekształcana w CO2 w wyniku procesów rozkładu prowadzonych przez mikroorganizmy. Tak przebiega obieg węgla w przyrodzie . Znaczna część uranu jest zmineralizowana i tworzy złoża uranu kopalnego: węgiel, ropa naftowa, wapień itp. Oprócz głównych funkcji – źródła uranu – co 2, rozpuszczony w wodach naturalnych i płynach biologicznych, uczestniczy w utrzymaniu optymalna kwasowość środowiska dla procesów życiowych. Jako część caco 3 U. tworzy egzoszkielet wielu bezkręgowców (na przykład muszle mięczaków), a także występuje w koralowcach, skorupkach jaj ptaków itp. Związki U. takie jak hcn, co, ccl 4, które dominowały w pierwotna atmosfera Ziemi w okresie przedbiologicznym, później, w procesie ewolucji biologicznej, stała się silna antymetabolity metabolizm.

Oprócz stabilnych izotopów węgla, w przyrodzie szeroko rozpowszechniony jest radioaktywny 14c (organizm ludzki zawiera około 0,1 Mccurie) . Zastosowanie izotopów uranu w badaniach biologicznych i medycznych wiąże się z wieloma znaczącymi osiągnięciami w badaniach metabolizmu i obiegu uranu w przyrodzie. . W ten sposób za pomocą znacznika radiowęglowego udowodniono możliwość wiązania h 14 co - 3 przez rośliny i tkanki zwierzęce, ustalono sekwencję reakcji fotosyntezy, zbadano metabolizm aminokwasów, ścieżki biosyntezy wielu wykryto związki biologicznie czynne itp. Zastosowanie 14c przyczyniło się do sukcesu biologii molekularnej w badaniu mechanizmów biosyntezy białek i przekazywania informacji dziedzicznej. Określenie aktywności właściwej 14 c w pozostałościach organicznych zawierających węgiel pozwala ocenić ich wiek, co wykorzystuje się w paleontologii i archeologii.

N. N. Czernow.

Oświetlony.: Shafranovsky II, Almazy, M. - L., 1964; Ubbelohde A.R., Lewis F.A., Grafit i jego krystaliczne związki, przeł. z języka angielskiego, M., 1965; Remi G., Kurs chemii nieorganicznej, przeł. z języka niemieckiego, t. 1, M., 1972; Perelman A.I., Geochemia pierwiastków w strefie hipergenezy, M., 1972; Nekrasov B.V., Podstawy chemii ogólnej, wyd. 3, M., 1973; Achmetow N.S., Chemia nieorganiczna, wyd. 2, M., 1975; Vernadsky V.I., Essays on Geochemistry, wyd. 6, M., 1954; Roginsky S.Z., Shnol S.E., Isotopes in biochemistry, M., 1963; Horyzonty biochemii, przeł. z języka angielskiego, M., 1964; Problemy biochemii ewolucyjnej i technicznej, M., 1964; Calvin M., Ewolucja chemiczna, przeł. z języka angielskiego, M., 1971; Löwy A., Sikiewicz F., Struktura i funkcja komórki, przeł. z języka angielskiego, 1971, rozdz. 7; Biosfera, przeł. z języka angielskiego, M., 1972.

Pobierz streszczenie

Węgiel C w układzie okresowym Mendelejewa jest numerem 6. Nawet prymitywni ludzie zauważyli, że po spaleniu drewna powstaje węgiel, którym można rysować po ścianach jaskini. Wszystkie związki organiczne zawierają węgiel. Dwie najlepiej zbadane alotropowe modyfikacje węgla to grafit i diament.

Węgiel w chemii organicznej

Węgiel zajmuje szczególne miejsce w układzie okresowym. Ze względu na swoją budowę tworzy długie łańcuchy wiązań o strukturze liniowej lub cyklicznej. Znanych jest ponad 10 milionów związków organicznych. Pomimo swojej różnorodności, w powietrzu i pod wpływem temperatury zawsze zamienią się w dwutlenek węgla i.

Rola węgla w naszym codziennym życiu jest ogromna. Bez dwutlenku węgla fotosynteza, jeden z głównych procesów biologicznych, nie zajdzie.

Zastosowanie węgla

Węgiel jest szeroko stosowany w medycynie do tworzenia różnych leków organicznych. Izotopy węgla umożliwiają datowanie radiowęglowe. Bez węgla przemysł metalurgiczny nie może funkcjonować. Źródłem energii jest węgiel spalany w kotłach pirolitycznych na paliwo stałe. W przemyśle rafinacji ropy naftowej benzyna i olej napędowy produkowane są z organicznych związków węgla. Duża część węgla jest potrzebna do produkcji cukru. Wykorzystuje się go także w syntezie związków organicznych ważnych dla wszystkich dziedzin życia codziennego.