Uhlík je atóm uhlíka. Hmotnosť uhlíka

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 05:40

Jedným z najúžasnejších prvkov, ktoré môžu vytvárať obrovské množstvo zlúčenín organickej a anorganickej povahy, je uhlík. Tento prvok je vo svojich vlastnostiach taký nezvyčajný, že mu dokonca Mendelejev predpovedal skvelú budúcnosť a hovoril o vlastnostiach, ktoré ešte neboli zverejnené.

Neskôr sa to prakticky potvrdilo. Stalo sa známym, že je to hlavný biogénny prvok našej planéty, ktorý je súčasťou absolútne všetkých živých bytostí. Navyše, schopný existovať vo formách, ktoré sú radikálne odlišné vo všetkých ohľadoch, ale zároveň pozostávajú iba z atómov uhlíka.

Vo všeobecnosti má táto štruktúra veľa funkcií a pokúsime sa s nimi v priebehu článku zaoberať.

Uhlík: vzorec a pozícia v systéme prvkov

V periodickom systéme sa prvok uhlík nachádza v IV (podľa nového modelu v 14) skupine, hlavnej podskupine. Jeho poradové číslo je 6, atómová hmotnosť je 12 011. Označenie prvku znakom C označuje jeho názov v latinčine – carboneum. Existuje niekoľko rôznych foriem, v ktorých uhlík existuje. Jeho vzorec je preto odlišný a závisí od konkrétnej úpravy.

Na písanie reakčných rovníc je však zápis špecifický,samozrejme mať. Vo všeobecnosti, keď hovoríme o látke v jej čistej forme, molekulárny vzorec uhlíka C sa používa bez indexovania.

História objavovania prvkov

Tento prvok samotný je známy už od staroveku. Koniec koncov, jedným z najdôležitejších minerálov v prírode je uhlie. Preto pre starých Grékov, Rimanov a ďalšie národnosti nebol tajomstvom.

Okrem tejto odrody boli použité aj diamanty a grafit. S posledným z nich bolo dlho veľa mätúcich situácií, pretože často bez analýzy zloženia boli pre grafit brané také zlúčeniny, ako napríklad:

• strieborné olovo;
• karbid železa;
• sulfid molybdénu.

Všetky boli natreté čiernou farbou, a preto sú považované za grafitové. Neskôr sa toto nedorozumenie vyjasnilo a táto forma uhlíka sa stala sama sebou.

Od roku 1725 majú diamanty veľký komerčný význam a v roku 1970 bola zvládnutá technológia ich umelého získavania. Od roku 1779 sa vďaka práci Karla Scheeleho skúmali chemické vlastnosti uhlíka. To bol začiatok série dôležitých objavov v oblasti tohto prvku a stal sa základom pre zistenie všetkých jeho najunikátnejších vlastností.

Izotopy uhlíka a distribúcia v prírode

Napriek tomu, že predmetný prvok je jedným z najdôležitejších biogénnych prvkov, jeho celkový obsah v hmote zemskej kôry je 0,15 %. Je to spôsobené tým, že je vystavený neustálemu obehu, prirodzenému kolobehu v prírode.

Vo všeobecnosti je ich niekoľkominerálne zlúčeniny obsahujúce uhlík. Toto sú také prirodzené plemená ako:

• dolomity a vápence;
• antracit;
• ropná bridlica;
• zemný plyn;
• uhlie;
• olej;
• lignite;
• rašelina;
• bitúmen.

Okrem toho by sme nemali zabúdať na živé bytosti, ktoré sú len zásobárňou zlúčenín uhlíka. Koniec koncov, tvorili bielkoviny, tuky, sacharidy, nukleové kyseliny, čo znamená najdôležitejšie štruktúrne molekuly. Vo všeobecnosti pri prepočte suchej telesnej hmotnosti zo 70 kg pripadá 15 na čistý prvok. A tak je to s každým človekom, nehovoriac o zvieratách, rastlinách a iných tvoroch.

Ak vezmeme do úvahy zloženie vzduchu a vody, teda hydrosféru ako celok a atmosféru, potom existuje zmes uhlík-kyslík, vyjadrená vzorcom CO_{2. Dioxid alebo oxid uhličitý je jedným z hlavných plynov, ktoré tvoria vzduch. V tejto forme je hmotnostný zlomok uhlíka 0,046%. Ešte viac oxidu uhličitého sa rozpustí vo vodách oceánov.}

Atómová hmotnosť uhlíka ako prvku je 12 011. Je známe, že táto hodnota sa počíta ako aritmetický priemer medzi atómovými hmotnosťami všetkých izotopových druhov, ktoré existujú v prírode, berúc do úvahy ich prevalenciu (v percentách). To je aj prípad predmetnej látky. Existujú tri hlavné izotopy, v ktorých sa uhlík nachádza. Toto je:

• ¹²С - jeho hmotnostný zlomok je vo veľkej väčšine 98,93 %;
• ¹³C -1,07 %;
• ¹⁴C - rádioaktívny, polčas rozpadu 5700 rokov, stabilný beta žiarič.

V praxi určovania geochronologického veku vzoriek je široko používaný rádioaktívny izotop ¹⁴С, čo je indikátor kvôli dlhej dobe rozpadu.

Alotropické modifikácie prvku

Uhlík je prvok, ktorý existuje ako jednoduchá látka v niekoľkých formách. To znamená, že je schopný vytvoriť najväčší počet dnes známych alotropických modifikácií.

1. Kryštalické variácie - existujú vo forme silných štruktúr s pravidelnými mriežkami atómového typu. Táto skupina zahŕňa odrody ako:

• diamanty;
• fullerenes;
• graphites;
• carbines;
• lonsdaleites;
• uhlíkové vlákna a rúrky.

Všetky sa líšia štruktúrou kryštálovej mriežky, v ktorej uzloch je atóm uhlíka. Preto sú úplne jedinečné, rozdielne vlastnosti, fyzikálne aj chemické.

2. Amorfné formy – sú tvorené atómom uhlíka, ktorý je súčasťou niektorých prírodných zlúčenín. To znamená, že nejde o čisté odrody, ale s nečistotami iných prvkov v malých množstvách. Táto skupina zahŕňa:

• aktívne uhlie;
• kameň a drevo;
• sadze;
• uhlíková nanopena;
• antracit;
• sklovitý uhlík;
• technický druh látky.

Spájajú ich aj funkcieštruktúry kryštálovej mriežky, vysvetľujúce a prejavujúce vlastnosti.

3. Zlúčeniny uhlíka vo forme zhlukov. Takáto štruktúra, v ktorej sú atómy zvnútra uzavreté v špeciálnej konformačnej dutine, naplnenej vodou alebo jadrami iných prvkov. Príklady:

• uhlíkové nanokužele;
• astralens;
• dicarbon.

Fyzikálne vlastnosti amorfného uhlíka

Vzhľadom na širokú škálu alotropných modifikácií je ťažké identifikovať akékoľvek spoločné fyzikálne vlastnosti uhlíka. Je ľahšie hovoriť o konkrétnej forme. Napríklad amorfný uhlík má nasledujúce vlastnosti.

1. Srdcom všetkých foriem sú jemne kryštalické odrody grafitu.
2. Vysoká tepelná kapacita.
3. Dobré vodivé vlastnosti.
4. Hustota uhlíka je približne 2 g/cm³.
5. Pri zahriatí nad 1600 ⁰C dochádza k prechodu na grafitové formy.

Odrody sadzí, dreveného uhlia a kameňa sa široko používajú na priemyselné účely. Nie sú prejavom modifikácie uhlíka v jeho čistej forme, ale obsahujú ho vo veľmi veľkých množstvách.

Kryštalický uhlík

Existuje niekoľko možností, v ktorých je uhlík látkou, ktorá tvorí pravidelné kryštály rôznych typov, kde sú atómy zapojené do série. Výsledkom sú nasledujúce úpravy.

1. Diamant. Štruktúra je kubická, v ktorej sú spojené štyri štvorsteny. Výsledkom sú všetky kovalentné chemické väzby každého atómumaximálne nasýtený a odolný. To vysvetľuje fyzikálne vlastnosti: hustota uhlíka je 3300 kg/m³. Vysoká tvrdosť, nízka tepelná kapacita, nedostatok elektrickej vodivosti - to všetko je výsledkom štruktúry kryštálovej mriežky. Existujú technicky získané diamanty. Vznikajú pri prechode grafitu na ďalšiu modifikáciu vplyvom vysokej teploty a určitého tlaku. Vo všeobecnosti je bod topenia diamantu taký vysoký ako jeho pevnosť - približne 3500 ⁰C.
2. Grafit. Atómy sú usporiadané podobne ako štruktúra predchádzajúcej látky, sú však nasýtené iba tri väzby a štvrtá sa stáva dlhšou a menej pevnou, spája „vrstvy“šesťuholníkových kruhov mriežky. V dôsledku toho sa ukazuje, že grafit je na dotyk jemná, mastná čierna látka. Má dobrú elektrickú vodivosť a vysoký bod topenia - 3525 ⁰C. Schopný sublimácie - sublimácia z pevného skupenstva do plynného skupenstva s obchádzaním kvapalného skupenstva (pri teplote 3700 ⁰С). Hustota uhlíka je 2,26 g/cm^3, , čo je oveľa menej ako hustota diamantu. To vysvetľuje ich rozdielne vlastnosti. Vďaka vrstvenej štruktúre kryštálovej mriežky je možné použiť grafit na výrobu ceruziek. Po prejdení po papieri sa vločky odlepia a zanechajú na papieri čiernu stopu.
3. Fullerény. Otvorené boli až v 80. rokoch minulého storočia. Sú to modifikácie, v ktorých sú uhlíky prepojené v špeciálnej konvexnej uzavretej štruktúre, ktorá má v stredeprázdnota. A forma kryštálu - mnohosten, správna organizácia. Počet atómov je párny. Najznámejšia forma fullerénu je С₆₀. Počas výskumu sa našli vzorky podobnej látky:

• meteority;
• spodné sedimenty;
• folgurite;
• shungite;
• vonkajší priestor, kde sa nachádza vo forme plynov.

Všetky druhy kryštalického uhlíka majú veľký praktický význam, pretože majú množstvo vlastností užitočných v strojárstve.

Reaktivita

Molekulový uhlík vykazuje nízku reaktivitu vďaka svojej stabilnej konfigurácii. Môže byť prinútený vstúpiť do reakcií iba tým, že dodá atómu dodatočnú energiu a prinúti elektróny vonkajšej úrovne, aby sa odparili. V tomto bode sa valencia stáva 4. Preto v zlúčeninách má oxidačný stav + 2, + 4, - 4.

Prakticky všetky reakcie s jednoduchými látkami, kovmi aj nekovmi, prebiehajú pod vplyvom vysokých teplôt. Príslušným prvkom môže byť tak oxidačné činidlo, ako aj redukčné činidlo. Posledne menované vlastnosti sú v ňom však obzvlášť výrazné a to je základ pre jeho využitie v hutníckom a inom priemysle.

Vo všeobecnosti schopnosť vstúpiť do chemickej interakcie závisí od troch faktorov:

• disperzia uhlíka;
• alotropická modifikácia;
• reakčná teplota.

V niektorých prípadoch teda dochádza k interakcii s nasledujúcimlátky:

• nekovy (vodík, kyslík);
• kovy (hliník, železo, vápnik a iné);
• oxidy kovov a ich soli.

Nereaguje s kyselinami a zásadami, veľmi zriedkavo s halogénmi. Najdôležitejšou z vlastností uhlíka je schopnosť vytvárať medzi sebou dlhé reťazce. Môžu sa uzatvárať v cykle, vytvárať vetvy. Takto vznikajú organické zlúčeniny, ktoré sa dnes rátajú na milióny. Základom týchto zlúčenín sú dva prvky - uhlík, vodík. Môžu byť zahrnuté aj ďalšie atómy: kyslík, dusík, síra, halogény, fosfor, kovy a iné.

Hlavné zlúčeniny a ich charakteristiky

Existuje veľa rôznych zlúčenín, ktoré obsahujú uhlík. Vzorec najznámejšieho z nich je CO₂ - oxid uhličitý. Okrem tohto oxidu však existuje aj CO - oxid uhoľnatý alebo oxid uhoľnatý, ako aj suboxid C₃O₂.

Zo solí, ktoré obsahujú tento prvok, sú najbežnejšie uhličitany vápenaté a horečnaté. Uhličitan vápenatý má teda v názve niekoľko synoným, keďže sa v prírode vyskytuje v tvare:

• krieda;
• mramor;
• vápenec;
• dolomit.

Význam uhličitanov kovov alkalických zemín sa prejavuje v tom, že sú aktívnymi účastníkmi tvorby stalaktitov a stalagmitov, ako aj podzemných vôd.

Kyselina uhličitá je ďalšou zlúčeninou, ktorá tvorí uhlík. Jeho vzorec jeH₂CO₃. Vo svojej obvyklej forme je však mimoriadne nestabilný a v roztoku sa okamžite rozkladá na oxid uhličitý a vodu. Preto sú ako roztok známe iba jeho soli a nie samotné.

halogenidy uhlíka – získavajú sa hlavne nepriamo, keďže priama syntéza prebieha len pri veľmi vysokých teplotách a s nízkym výťažkom produktu. Jeden z najbežnejších - CCL₄ - tetrachlórmetán. Toxická zlúčenina, ktorá pri vdýchnutí môže spôsobiť otravu. Získava sa reakciami radikálovej fotochemickej substitúcie atómov vodíka v metáne.

Kovové karbidy sú zlúčeniny uhlíka, v ktorých vykazujú oxidačný stav 4. Existencia asociácií s bórom a kremíkom je tiež možná. Hlavnou vlastnosťou karbidov niektorých kovov (hliník, volfrám, titán, niób, tantal, hafnium) je vysoká pevnosť a výborná elektrická vodivosť. Karbid bóru В₄С je po diamante jednou z najtvrdších látok (9,5 podľa Mohsa). Tieto zlúčeniny sa používajú v strojárstve, ale aj v chemickom priemysle ako zdroje na výrobu uhľovodíkov (karbid vápnika s vodou vedie k tvorbe acetylénu a hydroxidu vápenatého).

Veľa kovových zliatin je vyrobených pomocou uhlíka, čím sa výrazne zvyšuje ich kvalita a technické vlastnosti (oceľ je zliatina železa a uhlíka).

Osobitnú pozornosť si zaslúžia početné organické zlúčeniny uhlíka, v ktorých je základným prvkom schopným spájať sa s rovnakými atómami do dlhých reťazcov rôznych štruktúr. Patria sem:

• alkány;
• alkény;
• arenas;
• proteíny;
• sacharidy;
• nukleové kyseliny;
• alkoholy;
• karboxylové kyseliny a mnoho ďalších tried látok.

Používanie uhlíka

Význam zlúčenín uhlíka a ich alotropných modifikácií v ľudskom živote je veľmi vysoký. Môžete vymenovať niekoľko najglobálnejších odvetví, aby bolo jasné, že je to pravda.

1. Tento prvok tvorí všetky druhy fosílnych palív, z ktorých človek získava energiu.
2. Metalurgický priemysel používa uhlík ako najsilnejšie redukčné činidlo na získavanie kovov zo svojich zlúčenín. Uhličitany sú tu tiež široko používané.
3. Stavebníctvo a chemický priemysel spotrebúvajú obrovské množstvá uhlíkových zlúčenín na syntézu nových látok a získanie potrebných produktov.

Môžete tiež pomenovať také odvetvia hospodárstva ako:

• jadrový priemysel;
• klenoty;
• technické vybavenie (mazivá, tepelne odolné tégliky, ceruzky atď.);
• určenie geologického veku hornín - rádioaktívny indikátor ¹⁴С;
• uhlík je vynikajúci adsorbent, vďaka čomu je vhodný na výrobu filtrov.

Obeh v prírode

Hmota uhlíka nachádzajúca sa v prírode je súčasťou neustáleho cyklu, ktorý sa každú sekundu otáča okolo zemegule. Takto sa absorbuje atmosférický zdroj uhlíka - CO₂rastliny a uvoľňujú ho všetky živé bytosti v procese dýchania. Keď sa dostane do atmosféry, opäť sa absorbuje, a tak sa kolobeh nezastaví. Odumieranie organických zvyškov zároveň vedie k uvoľňovaniu uhlíka a jeho hromadeniu v zemi, odkiaľ je potom opäť absorbovaný živými organizmami a uvoľnený do atmosféry vo forme plynu.