Kol är En kolatom. Massa av kol

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 05:42

Ett av de mest fantastiska grundämnena som kan bilda en enorm mängd föreningar av organisk och oorganisk natur är kol. Detta element är så ovanligt i sina egenskaper att till och med Mendeleev förutspådde en stor framtid för det, och pratade om funktioner som ännu inte har avslöjats.

Senare bekräftades det praktiskt taget. Det blev känt att det är det huvudsakliga biogena elementet på vår planet, som är en del av absolut alla levande varelser. Dessutom kapabel att existera i former som är radik alt olika i alla avseenden, men som samtidigt bara består av kolatomer.

I allmänhet har den här strukturen många funktioner, och vi kommer att försöka hantera dem under artikelns gång.

Carbon: formel och position i elementsystemet

I det periodiska systemet finns grundämnet kol i IV-gruppen (enligt den nya modellen i 14), huvudundergruppen. Dess serienummer är 6, och dess atomvikt är 12 011. Beteckningen på ett element med tecknet C indikerar dess namn på latin - carboneum. Det finns flera olika former där kol finns. Dess formel är därför annorlunda och beror på den specifika modifieringen.

Men för att skriva reaktionsekvationer är notationen specifik,har såklart. I allmänhet, när man talar om ett ämne i dess rena form, används molekylformeln för kol C, utan indexering.

Elementupptäcktshistorik

Detta element i sig har varit känt sedan antiken. När allt kommer omkring är ett av de viktigaste mineralerna i naturen kol. Därför var han ingen hemlighet för de gamla grekerna, romarna och andra nationaliteter.

Förutom denna sort användes även diamanter och grafit. Det fanns många förvirrande situationer med den senare under lång tid, eftersom ofta, utan analys av kompositionen, sådana föreningar togs för grafit, såsom:

silverbly;
järnkarbid;
molybdensulfid.

De målades alla svarta och betraktades därför som grafit. Senare klarades detta missförstånd ut, och denna form av kol blev sig själv.

Sedan 1725 har diamanter varit av stor kommersiell betydelse, och 1970 har tekniken för att erhålla dem på konstgjord väg bemästrats. Sedan 1779, tack vare Karl Scheeles arbete, har de kemiska egenskaperna som kol uppvisar studerats. Detta var början på en rad viktiga upptäckter inom området för detta element och blev grunden för att ta reda på alla dess mest unika egenskaper.

Kolisotoper och distribution i naturen

Trots att grundämnet i fråga är ett av de viktigaste biogena är dess totala innehåll i jordskorpans massa 0,15 %. Detta beror på det faktum att det utsätts för konstant cirkulation, en naturlig cykel i naturen.

I allmänhet finns det fleramineralföreningar som innehåller kol. Dessa är sådana naturliga raser som:

dolomiter och kalkstenar;
antracit;
oljeskiffer;
naturgas;
kol;
olja;
lignite;
torv;
bitumen.

Förutom detta bör vi inte glömma levande varelser, som bara är ett förråd av kolföreningar. De bildade trots allt proteiner, fetter, kolhydrater, nukleinsyror, vilket betyder de mest vitala strukturella molekylerna. I allmänhet, vid omvandling av torr kroppsvikt från 70 kg, faller 15 på ett rent element. Och så är det med varje människa, för att inte tala om djur, växter och andra varelser.

Om vi betraktar sammansättningen av luft och vatten, det vill säga hydrosfären som helhet och atmosfären, så finns det en blandning av kol-syre, uttryckt med formeln CO_{2. Dioxid eller koldioxid är en av de viktigaste gaserna som utgör luften. Det är i denna form som massandelen kol är 0,046%. Ännu mer koldioxid löses i havens vatten.}

Atommassan för kol som grundämne är 12,011. Det är känt att detta värde beräknas som det aritmetiska medelvärdet mellan atomvikterna för alla isotopiska arter som finns i naturen, med hänsyn tagen till deras förekomst (i procent).). Detta är även fallet för ämnet i fråga. Det finns tre huvudisotoper där kol finns. Det här är:

¹²С - dess massandel i de allra flesta är 98,93 %;
¹³C -1,07 %;
¹⁴C - radioaktivt, halveringstid 5700 år, stabil betasändare.

I praktiken att bestämma provernas geokronologiska ålder används den radioaktiva isotopen ¹⁴С flitigt, vilket är en indikator på grund av dess långa sönderfallsperiod.

Allotropiska modifieringar av ett element

Kol är ett grundämne som finns som ett enkelt ämne i flera former. Det vill säga att den kan bilda det största antalet allotropa modifieringar som är kända idag.

1. Kristallina variationer - finns i form av starka strukturer med regelbundna gitter av atomtyp. Denna grupp inkluderar sorter som:

diamanter;
fullerenes;
grafiter;
karbiner;
lonsdaleites;
kolfibrer och rör.

Alla skiljer sig åt i strukturen av kristallgittret, i vars noder det finns en kolatom. Därav de helt unika, olika egenskaperna, både fysikaliska och kemiska.

2. Amorfa former - de bildas av en kolatom, som är en del av vissa naturliga föreningar. Det vill säga, dessa är inte rena sorter, utan med föroreningar av andra element i små mängder. Denna grupp inkluderar:

aktivt kol;
sten och trä;
soot;
kolnanoskum;
antracit;
glasigt kol;
en teknisk typ av substans.

De förenas också av funktionerstrukturer av kristallgittret, förklarande och manifesterande egenskaper.

3. Föreningar av kol i form av kluster. En sådan struktur där atomer är stängda i en speciell konformation ihålig från insidan, fylld med vatten eller kärnor av andra element. Exempel:

kolnanokoner;
astralens;
dicarbon.

Fysiska egenskaper hos amorft kol

På grund av det stora utbudet av allotropa modifieringar är det svårt att identifiera några vanliga fysikaliska egenskaper för kol. Det är lättare att prata om en specifik form. Till exempel har amorft kol följande egenskaper.

I hjärtat av alla former finns finkristallina sorter av grafit.
Hög värmekapacitet.
Bra ledande egenskaper.
Koldensiteten är cirka 2 g/cm³.
När upphettning över 1600 ⁰C sker en övergång till grafitformer.

Sot, träkol och stensorter används ofta för industriella ändamål. De är inte en manifestation av kolmodifiering i dess rena form, utan innehåller den i mycket stora mängder.

Kristallint kol

Det finns flera alternativ där kol är ett ämne som bildar regelbundna kristaller av olika typer, där atomer är seriekopplade. Som ett resultat av detta skapas följande ändringar.

Diamant. Strukturen är kubisk, i vilken fyra tetraedrar är sammankopplade. Som ett resultat, alla kovalenta kemiska bindningar av varje atommaxim alt mättad och hållbar. Detta förklarar de fysikaliska egenskaperna: kolets densitet är 3300 kg/m³. Hög hårdhet, låg värmekapacitet, brist på elektrisk ledningsförmåga - allt detta är resultatet av strukturen av kristallgittret. Det finns tekniskt erhållna diamanter. De bildas under övergången av grafit till nästa modifiering under påverkan av hög temperatur och ett visst tryck. I allmänhet är smältpunkten för diamant lika hög som styrkan - cirka 3500 ⁰C.
Grafit. Atomerna är ordnade på samma sätt som strukturen hos det tidigare ämnet, men endast tre bindningar är mättade, och den fjärde blir längre och mindre stark, den förbinder "skikten" i gittrets hexagonala ringar. Som ett resultat visar det sig att grafit är en mjuk, fet, svart substans vid beröring. Den har god elektrisk ledningsförmåga och har en hög smältpunkt - 3525 ⁰C. Kan sublimeras - sublimering från ett fast tillstånd till ett gasformigt tillstånd, förbi det flytande tillståndet (vid en temperatur av 3700 ⁰С). Densiteten för kol är 2,26 g/cm^3, vilket är mycket lägre än diamant. Detta förklarar deras olika egenskaper. På grund av den skiktade strukturen hos kristallgittret är det möjligt att använda grafit för tillverkning av blyerts. När flingorna dras över papperet lossnar de och lämnar ett svart märke på papperet.
Fullerenes. De öppnades först på 80-talet av förra seklet. De är modifieringar där kol är sammankopplade i en speciell konvex sluten struktur, som har i mittentomhet. Och formen av en kristall - en polyeder, den korrekta organisationen. Antalet atomer är jämnt. Den mest kända formen av fulleren är С₆₀. Prover av ett liknande ämne hittades under forskning:

meteoriter;
bottensediment;
folgurite;
shungite;
yttre rymden, där det finns i form av gaser.

Alla varianter av kristallint kol är av stor praktisk betydelse, eftersom de har ett antal egenskaper som är användbara inom teknik.

Reaktivitet

Molekylärt kol uppvisar låg reaktivitet på grund av sin stabila konfiguration. Det kan bara tvingas in i reaktioner genom att ge ytterligare energi till atomen och tvinga elektronerna på den yttre nivån att avdunsta. Vid denna tidpunkt blir valensen 4. Därför har den i föreningar ett oxidationstillstånd på + 2, + 4, - 4.

Praktiskt taget alla reaktioner med enkla ämnen, både metaller och icke-metaller, sker under inverkan av höga temperaturer. Grundämnet i fråga kan vara både ett oxidationsmedel och ett reduktionsmedel. De sistnämnda egenskaperna är dock särskilt uttalade i den, och detta är grunden för dess användning inom metallurgiska och andra industrier.

Förmågan att ingå kemisk interaktion beror i allmänhet på tre faktorer:

dispersion av kol;
allotropisk modifiering;
reaktionstemperatur.

I vissa fall finns det alltså en interaktion med följandeämnen:

icke-metaller (väte, syre);
metaller (aluminium, järn, kalcium och andra);
metalloxider och deras s alter.

Reagerar inte med syror och alkalier, mycket sällan med halogener. Den viktigaste av kolets egenskaper är förmågan att bilda långa kedjor med varandra. De kan sluta i en cykel, bilda grenar. Det är så bildningen av organiska föreningar, som idag uppgår till miljoner. Grunden för dessa föreningar är två element - kol, väte. Andra atomer kan också inkluderas: syre, kväve, svavel, halogener, fosfor, metaller och andra.

Huvudföreningar och deras egenskaper

Det finns många olika föreningar som innehåller kol. Formeln för den mest kända av dem är CO₂ - koldioxid. Men förutom denna oxid finns det även CO - monooxid eller kolmonoxid, samt suboxid C₃O₂.

Bland de s alter som innehåller detta grundämne är de vanligaste kalcium- och magnesiumkarbonater. Så kalciumkarbonat har flera synonymer i namnet, eftersom det förekommer i naturen i formen:

chalk;
marmor;
kalksten;
dolomit.

Vikten av alkaliska jordartsmetallkarbonater visar sig i det faktum att de är aktiva deltagare i bildandet av stalaktiter och stalagmiter, såväl som grundvatten.

Kolsyra är en annan förening som bildar kol. Dess formel ärH₂CO₃. Men i sin vanliga form är den extremt instabil och sönderdelas omedelbart till koldioxid och vatten i lösning. Därför är endast dess s alter kända, och inte sig själv, som en lösning.

Kolhalogenider - erhålls huvudsakligen indirekt, eftersom direkt syntes endast sker vid mycket höga temperaturer och med lågt utbyte av produkten. En av de vanligaste - CCL₄ - koltetraklorid. En giftig förening som kan orsaka förgiftning vid inandning. Erhålls genom reaktioner av radikal fotokemisk substitution av väteatomer i metan.

Metallkarbider är kolföreningar i vilka det uppvisar ett oxidationstillstånd av 4. Förekomsten av associationer med bor och kisel är också möjlig. Den huvudsakliga egenskapen hos karbider av vissa metaller (aluminium, volfram, titan, niob, tantal, hafnium) är hög hållfasthet och utmärkt elektrisk ledningsförmåga. Borkarbid В₄С är ett av de hårdaste ämnena efter diamant (9,5 enligt Mohs). Dessa föreningar används inom verkstadsindustrin, såväl som i den kemiska industrin, som källor för produktion av kolväten (kalciumkarbid med vatten leder till bildning av acetylen och kalciumhydroxid).

Många metallegeringar tillverkas av kol, vilket avsevärt ökar deras kvalitet och tekniska egenskaper (stål är en legering av järn och kol).

Särskild uppmärksamhet förtjänar många organiska föreningar av kol, där det är ett grundläggande element som kan kombineras med samma atomer till långa kedjor av olika strukturer. Dessa inkluderar:

alkaner;
alkener;
arenor;
proteins;
kolhydrater;
nukleinsyror;
alkoholer;
karboxylsyror och många andra klasser av ämnen.

Användning av kol

Vikten av kolföreningar och dess allotropa modifieringar i människors liv är mycket hög. Du kan nämna några av de mest globala industrierna för att göra det tydligt att detta är sant.

Detta element bildar alla typer av fossila bränslen från vilka en person får energi.
Den metallurgiska industrin använder kol som det starkaste reduktionsmedlet för att få fram metaller från sina föreningar. Karbonater används också i stor utsträckning här.
Bygg och kemisk industri förbrukar enorma mängder kolföreningar för att syntetisera nya ämnen och erhålla de nödvändiga produkterna.

Du kan också namnge sådana sektorer av ekonomin som:

kärnkraftsindustrin;
smycken;
teknisk utrustning (smörjmedel, värmebeständiga deglar, pennor, etc.);
bestämning av bergarternas geologiska ålder - radioaktivt spårämne ¹⁴С;
kol är en utmärkt adsorbent, vilket gör den lämplig för tillverkning av filter.

Cirkulation i naturen

Mängden kol som finns i naturen ingår i en konstant cykel som cirkulerar varje sekund runt jorden. Således absorberas den atmosfäriska kolkällan - CO₂,växter och frigörs av alla levande varelser i andningsprocessen. Väl i atmosfären absorberas den igen, och cykeln slutar därför inte. Samtidigt leder döden av organiska rester till att kol frigörs och dess ansamling i jorden, varifrån det sedan återigen absorberas av levande organismer och släpps ut i atmosfären i form av gas.