Struktur des Kohlenstoffatoms. Valenzzustände des Kohlenstoffatoms

Eines der erstaunlichsten Elemente, das eine Vielzahl organischer und anorganischer Verbindungen bilden kann, ist Kohlenstoff. Dies ist ein Element mit so ungewöhnlichen Eigenschaften, dass Mendelejew ihm eine große Zukunft vorhersagte und über Merkmale sprach, die noch nicht enthüllt worden waren.

Später wurde dies praktisch bestätigt. Es wurde bekannt, dass es das wichtigste biogene Element unseres Planeten ist, das Teil absolut aller Lebewesen ist. Darüber hinaus ist es in der Lage, in Formen zu existieren, die sich in jeder Hinsicht radikal unterscheiden, gleichzeitig aber nur aus Kohlenstoffatomen bestehen.

Im Allgemeinen weist diese Struktur viele Merkmale auf, die wir im Laufe des Artikels versuchen werden, zu verstehen.

Kohlenstoff: Formel und Stellung im System der Elemente

Im Periodensystem befindet sich das Element Kohlenstoff in der Gruppe IV (nach dem neuen Modell in 14), der Hauptuntergruppe. Seine Ordnungszahl beträgt 6 und sein Atomgewicht beträgt 12,011. Die Bezeichnung eines Elements mit dem Zeichen C gibt seinen lateinischen Namen an – Carboneum. Es gibt verschiedene Formen, in denen Kohlenstoff vorliegt. Seine Formel variiert daher und hängt von der jeweiligen Modifikation ab.

Allerdings gibt es natürlich eine spezielle Notation zum Schreiben von Reaktionsgleichungen. Wenn man von einer Substanz in reiner Form spricht, wird im Allgemeinen die Summenformel von Kohlenstoff C ohne Indizierung akzeptiert.

Geschichte der Elemententdeckung

Dieses Element selbst ist seit der Antike bekannt. Schließlich ist Kohle eines der wichtigsten Mineralien der Natur. Daher war es für die alten Griechen, Römer und andere Nationen kein Geheimnis.

Neben dieser Sorte wurden auch Diamanten und Graphit verwendet. Bei Letzterem kam es lange Zeit zu vielen Verwirrungen, da Verbindungen wie z. B. oft ohne Analyse der Zusammensetzung mit Graphit verwechselt wurden:

• Silberblei;
• Eisenkarbid;
• Molybdänsulfid.

Alle waren schwarz lackiert und galten daher als Graphit. Später wurde dieses Missverständnis geklärt und diese Form von Kohlenstoff wurde zu sich selbst.

Seit 1725 haben Diamanten eine große kommerzielle Bedeutung erlangt und 1970 wurde die Technologie zu ihrer künstlichen Herstellung beherrscht. Dank der Arbeit von Karl Scheele werden seit 1779 die chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff untersucht. Dies war der Beginn einer Reihe wichtiger Entdeckungen auf dem Gebiet dieses Elements und bildete die Grundlage für die Aufklärung aller seiner einzigartigen Eigenschaften.

Kohlenstoffisotope und Verteilung in der Natur

Obwohl es sich um eines der wichtigsten biogenen Elemente handelt, beträgt sein Gesamtgehalt an der Masse der Erdkruste 0,15 %. Dies geschieht, weil es einer ständigen Zirkulation unterliegt, dem natürlichen Kreislauf der Natur.

Im Allgemeinen können wir mehrere Mineralverbindungen nennen, die Kohlenstoff enthalten. Dies sind natürliche Rassen wie:

• Dolomite und Kalksteine;
• Anthrazit;
• Ölschiefer;
• Erdgas;
• Kohle;
• Öl;
• Braunkohle;
• Torf;
• Bitumen.

Darüber hinaus sollten wir die Lebewesen nicht vergessen, die lediglich ein Speicher für Kohlenstoffverbindungen sind. Schließlich bildet es Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren und damit die wichtigsten Strukturmoleküle. Im Allgemeinen entfallen von 70 kg trockener Körpermasse 15 auf das reine Element. Und so ist es bei jedem Menschen, ganz zu schweigen von Tieren, Pflanzen und anderen Lebewesen.

Betrachtet man Wasser, also die Hydrosphäre als Ganzes und die Atmosphäre, dann liegt ein Gemisch aus Kohlenstoff und Sauerstoff vor, ausgedrückt durch die Formel CO 2. Kohlendioxid oder Kohlendioxid ist eines der Hauptgase, aus denen Luft besteht. In dieser Form beträgt der Massenanteil von Kohlenstoff 0,046 %. Noch mehr Kohlendioxid ist in den Gewässern der Weltmeere gelöst.

Die Atommasse des Elements Kohlenstoff beträgt 12,011. Es ist bekannt, dass dieser Wert als arithmetisches Mittel zwischen den Atomgewichten aller in der Natur vorkommenden Isotopenarten unter Berücksichtigung ihrer Häufigkeit (in Prozent) berechnet wird. Dies geschieht mit der betreffenden Substanz. Es gibt drei Hauptisotope, in denen Kohlenstoff vorkommt. Das:

• 12 C – sein Massenanteil beträgt überwiegend 98,93 %;
• 13 °C – 1,07 %;
• 14 C – radioaktiv, Halbwertszeit 5700 Jahre, stabiler Betastrahler.

In der Praxis zur Bestimmung des geochronologischen Alters von Proben wird häufig das radioaktive Isotop 14 C verwendet, das aufgrund seiner langen Zerfallszeit ein Indikator ist.

Allotrope Modifikationen des Elements

Kohlenstoff ist ein Element, das als einfache Substanz in mehreren Formen existiert. Das heißt, es ist in der Lage, die größte Anzahl heute bekannter allotroper Modifikationen zu bilden.

1. Kristalline Variationen – liegen in Form starker Strukturen mit regelmäßigen Atomgittern vor. Zu dieser Gruppe gehören Sorten wie:

• Diamanten;
• Fullerene;
• Graphite;
• Karabiner;
• Lonsdaleiten;
• und Röhren.

Sie alle haben unterschiedliche Gitter, an deren Knoten sich ein Kohlenstoffatom befindet. Daher die völlig einzigartigen, unterschiedlichen Eigenschaften, sowohl physikalisch als auch chemisch.

2. Amorphe Formen – sie werden von einem Kohlenstoffatom gebildet, das Teil einiger natürlicher Verbindungen ist. Das heißt, es handelt sich nicht um reine Sorten, sondern um Beimischungen anderer Elemente in geringen Mengen. Zu dieser Gruppe gehören:

• Aktivkohle;
• Stein und Holz;
• Ruß;
• Kohlenstoff-Nanoschaum;
• Anthrazit;
• glasiger Kohlenstoff;
• technische Vielfalt eines Stoffes.

Sie eint auch die Strukturmerkmale des Kristallgitters, die Eigenschaften erklären und darstellen.

3. Kohlenstoffverbindungen in Form von Clustern. Hierbei handelt es sich um eine Struktur, in der die Atome in einer speziellen Konformation eingeschlossen sind, die von innen hohl ist und mit Wasser oder den Kernen anderer Elemente gefüllt ist. Beispiele:

• Kohlenstoff-Nanokegel;
• Astralen;
• Dikohlenstoff.

Physikalische Eigenschaften von amorphem Kohlenstoff

Aufgrund der großen Vielfalt allotroper Modifikationen ist es schwierig, allgemeine physikalische Eigenschaften für Kohlenstoff zu ermitteln. Es ist einfacher, über eine bestimmte Form zu sprechen. Amorpher Kohlenstoff weist beispielsweise die folgenden Eigenschaften auf.

1. Alle Formen basieren auf feinkristallinen Graphitsorten.
2. Hohe Wärmekapazität.
3. Gute Leiteigenschaften.
4. Die Kohlenstoffdichte beträgt etwa 2 g/cm3.
5. Beim Erhitzen über 1600 0 C kommt es zu einem Übergang zu Graphitformen.

Für technische Zwecke werden häufig Ruß- und Steinsorten verwendet. Sie sind keine Manifestation der Kohlenstoffmodifikation in reiner Form, enthalten sie jedoch in sehr großen Mengen.

Kristalliner Kohlenstoff

Es gibt mehrere Möglichkeiten, bei denen Kohlenstoff eine Substanz ist, die regelmäßige Kristalle verschiedener Art bildet, in denen Atome in Reihe geschaltet sind. Als Ergebnis werden die folgenden Modifikationen gebildet.

1. - kubisch, in dem vier Tetraeder verbunden sind. Dadurch sind alle kovalenten chemischen Bindungen jedes Atoms möglichst gesättigt und stark. Dies erklärt die physikalischen Eigenschaften: Kohlenstoffdichte 3300 kg/m3. Hohe Härte, geringe Wärmekapazität, mangelnde elektrische Leitfähigkeit – all das ist auf die Struktur des Kristallgitters zurückzuführen. Es gibt technisch hergestellte Diamanten. Sie entstehen beim Übergang von Graphit zur nächsten Modifikation unter dem Einfluss hoher Temperatur und eines bestimmten Drucks. Im Allgemeinen ist sie so hoch wie die Festigkeit – etwa 3500 0 C.
2. Graphit. Die Anordnung der Atome ähnelt der Struktur der vorherigen Substanz, allerdings sind nur drei Bindungen gesättigt, und die vierte wird länger und schwächer; sie verbindet die „Schichten“ hexagonaler Gitterringe. Als Ergebnis stellt sich heraus, dass Graphit eine weiche, fettige schwarze Substanz ist, die sich anfühlt. Es hat eine gute elektrische Leitfähigkeit und einen hohen Schmelzpunkt - 3525 0 C. Sublimationsfähig - Sublimation vom festen in den gasförmigen Zustand unter Umgehung der Flüssigkeit (bei einer Temperatur von 3700 0 C). Die Dichte von Kohlenstoff beträgt 2,26 g/cm3 und ist damit viel niedriger als die von Diamant. Dies erklärt ihre unterschiedlichen Eigenschaften. Aufgrund der geschichteten Struktur des Kristallgitters kann Graphit zur Herstellung von Bleistiftminen verwendet werden. Beim Überstreichen von Papier lösen sich die Schuppen und hinterlassen einen schwarzen Fleck auf dem Papier.
3. Fullerene. Sie wurden erst in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts entdeckt. Dabei handelt es sich um Modifikationen, bei denen Kohlenstoffe zu einer speziellen konvexen geschlossenen Struktur mit einem Hohlraum in der Mitte miteinander verbunden sind. Darüber hinaus ist die Form des Kristalls ein Polyeder mit regelmäßiger Organisation. Die Anzahl der Atome ist gerade. Die bekannteste Form von Fulleren C 60. Bei der Recherche wurden Proben einer ähnlichen Substanz gefunden:

• Meteoriten;
• Bodensedimente;
• Folguriten;
• Schungite;
• Weltraum, wo sie in Form von Gasen enthalten waren.

Alle Arten von kristallinem Kohlenstoff sind von großer praktischer Bedeutung, da sie eine Reihe nützlicher technischer Eigenschaften aufweisen.

Chemische Aktivität

Molekularer Kohlenstoff weist aufgrund seiner stabilen Konfiguration eine geringe chemische Reaktivität auf. Es kann nur zu einer Reaktion gezwungen werden, indem man dem Atom zusätzliche Energie zuführt und die Elektronen der äußeren Ebene zum Verdampfen zwingt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Wertigkeit 4. Daher hat es in Verbindungen eine Oxidationsstufe von + 2, + 4, - 4.

Fast alle Reaktionen mit einfachen Stoffen, sowohl Metallen als auch Nichtmetallen, laufen unter dem Einfluss hoher Temperaturen ab. Das betreffende Element kann entweder ein Oxidationsmittel oder ein Reduktionsmittel sein. Die letztgenannten Eigenschaften sind jedoch bei ihm besonders ausgeprägt, und darauf beruht seine Verwendung in der Metallurgie und anderen Industrien.

Im Allgemeinen hängt die Fähigkeit, chemische Wechselwirkungen einzugehen, von drei Faktoren ab:

• Kohlenstoffdispersion;
• allotrope Modifikation;
• Reaktionstemperatur.

So kommt es in manchen Fällen zu Wechselwirkungen mit folgenden Stoffen:

• Nichtmetalle (Wasserstoff, Sauerstoff);
• Metalle (Aluminium, Eisen, Kalzium und andere);
• Metalloxide und ihre Salze.

Reagiert nicht mit Säuren und Laugen, sehr selten mit Halogenen. Die wichtigste Eigenschaft von Kohlenstoff ist die Fähigkeit, untereinander lange Ketten zu bilden. Sie können sich in einem Kreislauf schließen und Verzweigungen bilden. Auf diese Weise entstehen organische Verbindungen, deren Zahl heute in Millionenhöhe liegt. Die Basis dieser Verbindungen sind zwei Elemente – Kohlenstoff und Wasserstoff. Die Zusammensetzung kann auch andere Atome enthalten: Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Halogene, Phosphor, Metalle und andere.

Grundlegende Zusammenhänge und ihre Eigenschaften

Es gibt viele verschiedene Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten. Die Formel der bekanntesten von ihnen lautet CO 2 – Kohlendioxid. Neben diesem Oxid gibt es jedoch auch CO-Monoxid oder Kohlenmonoxid sowie das Suboxid C 3 O 2.

Unter den Salzen, die dieses Element enthalten, sind Calcium- und Magnesiumcarbonate am häufigsten. So hat Calciumcarbonat mehrere Synonyme im Namen, da es in der Natur in der Form vorkommt:

• Kreide;
• Marmor;
• Kalkstein;
• Dolomit

Die Bedeutung von Erdalkalicarbonaten zeigt sich darin, dass sie aktiv an der Bildung von Stalaktiten und Stalagmiten sowie dem Grundwasser beteiligt sind.

Kohlensäure ist eine weitere Verbindung, die Kohlenstoff bildet. Seine Formel lautet H 2 CO 3. In seiner üblichen Form ist es jedoch äußerst instabil und zerfällt in Lösung sofort in Kohlendioxid und Wasser. Daher sind nur seine Salze bekannt und nicht sich selbst als Lösung.

Kohlenstoffhalogenide werden überwiegend indirekt gewonnen, da Direktsynthesen nur bei sehr hohen Temperaturen und geringen Produktausbeuten erfolgen. Eines der häufigsten ist CCL 4 – Tetrachlorkohlenstoff. Eine giftige Verbindung, die beim Einatmen zu Vergiftungen führen kann. Erhalten durch radikale photochemische Substitutionsreaktionen in Methan.

Metallkarbide sind Kohlenstoffverbindungen, in denen es die Oxidationsstufe 4 aufweist. Es sind auch Kombinationen mit Bor und Silizium möglich. Die Haupteigenschaft von Karbiden einiger Metalle (Aluminium, Wolfram, Titan, Niob, Tantal, Hafnium) ist hohe Festigkeit und ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit. Borcarbid B 4 C ist nach Diamant einer der härtesten Stoffe (9,5 nach Mohs). Diese Verbindungen werden sowohl in der Technik als auch in der chemischen Industrie als Kohlenwasserstoffquellen eingesetzt (Calciumcarbid mit Wasser führt zur Bildung von Acetylen und Calciumhydroxid).

Viele Metalllegierungen werden unter Verwendung von Kohlenstoff hergestellt, wodurch ihre Qualität und technischen Eigenschaften deutlich verbessert werden (Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff).

Besondere Aufmerksamkeit verdienen zahlreiche organische Kohlenstoffverbindungen, in denen es sich um ein Grundelement handelt, das sich mit denselben Atomen zu langen Ketten unterschiedlicher Struktur verbinden kann. Diese beinhalten:

• Alkane;
• Alkene;
• Arenen;
• Proteine;
• Kohlenhydrate;
• Nukleinsäuren;
• Alkohole;
• Carbonsäuren und viele andere Stoffklassen.

Anwendung von Kohlenstoff

Die Bedeutung von Kohlenstoffverbindungen und ihren allotropen Modifikationen im menschlichen Leben ist sehr groß. Um zu verdeutlichen, dass dies tatsächlich der Fall ist, können Sie einige der globalsten Branchen nennen.

1. Dieses Element bildet alle Arten organischer Brennstoffe, aus denen der Mensch Energie gewinnt.
2. Die metallurgische Industrie nutzt Kohlenstoff als starkes Reduktionsmittel, um aus ihren Verbindungen Metalle zu gewinnen. Auch Carbonate werden hier häufig eingesetzt.
3. Das Baugewerbe und die chemische Industrie verbrauchen große Mengen an Kohlenstoffverbindungen, um neue Stoffe zu synthetisieren und notwendige Produkte herzustellen.

Sie können auch solche Wirtschaftszweige nennen wie:

• Nuklearindustrie;
• Schmuckherstellung;
• technische Ausrüstung (Schmiermittel, hitzebeständige Tiegel, Bleistifte usw.);
• Bestimmung des geologischen Alters von Gesteinen - radioaktiver Indikator 14 C;
• Kohlenstoff ist ein ausgezeichnetes Adsorptionsmittel und kann daher zur Herstellung von Filtern verwendet werden.

Radfahren in der Natur

Die in der Natur vorkommende Kohlenstoffmasse ist in einen konstanten Kreislauf eingebunden, der sich zyklisch jede Sekunde rund um den Globus abspielt. So wird die atmosphärische Kohlenstoffquelle CO 2 von Pflanzen aufgenommen und von allen Lebewesen bei der Atmung abgegeben. Sobald es in die Atmosphäre gelangt, wird es wieder absorbiert und so geht der Kreislauf weiter. In diesem Fall führt das Absterben organischer Überreste zur Freisetzung von Kohlenstoff und dessen Anreicherung im Boden, von wo aus er dann wieder von lebenden Organismen aufgenommen und in Form von Gas in die Atmosphäre abgegeben wird.

DEFINITION

Kohlenstoff- das sechste Element des Periodensystems. Bezeichnung - C vom lateinischen „carboneum“. Befindet sich in der zweiten Periode, Gruppe IVA. Bezieht sich auf Nichtmetalle. Die Atomladung beträgt 6.

Kohlenstoff kommt in der Natur sowohl in freiem Zustand als auch in Form zahlreicher Verbindungen vor. Freier Kohlenstoff kommt in Form von Diamant und Graphit vor. Neben fossiler Kohle gibt es in den Tiefen der Erde große Ölvorkommen. Kohlensäuresalze, insbesondere Calciumcarbonat, kommen in großen Mengen in der Erdkruste vor. In der Luft befindet sich immer Kohlendioxid. Schließlich bestehen pflanzliche und tierische Organismen aus Stoffen, an deren Bildung Kohlenstoff beteiligt ist. Damit ist dieses Element eines der häufigsten auf der Erde, obwohl sein Gesamtgehalt in der Erdkruste nur etwa 0,1 % (Gew.) beträgt.

Atom- und Molekülmasse von Kohlenstoff

Die relative Molekülmasse einer Substanz (M r) ist eine Zahl, die angibt, wie oft die Masse eines bestimmten Moleküls größer als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms ist, und die relative Atommasse eines Elements (A r). Wie oft ist die durchschnittliche Masse der Atome eines chemischen Elements größer als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms?

Da Kohlenstoff im freien Zustand in Form einatomiger Moleküle C vorliegt, stimmen die Werte seiner Atom- und Molekülmassen überein. Sie entsprechen 12,0064.

Allotropie und allotrope Modifikationen von Kohlenstoff

Im freien Zustand liegt Kohlenstoff in Form von Diamant vor, der im kubischen und hexagonalen (Lonsdaleit) System kristallisiert, und Graphit, der zum hexagonalen System gehört (Abb. 1). Kohlenstoffformen wie Holzkohle, Koks oder Ruß weisen eine ungeordnete Struktur auf. Es gibt auch synthetisch erhaltene allotrope Modifikationen – das sind Carbin und Polycumulen – Kohlenstoffarten, die aus linearen Kettenpolymeren des Typs -C= C- oder = C = C= aufgebaut sind.

Reis. 1. Allotrope Modifikationen von Kohlenstoff.

Es sind auch allotrope Modifikationen von Kohlenstoff bekannt, die folgende Namen haben: Graphen, Fulleren, Nanoröhren, Nanofasern, Astralen, Glaskohlenstoff, kolossale Nanoröhren; amorpher Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoknospen und Kohlenstoff-Nanoschaum.

Kohlenstoffisotope

In der Natur kommt Kohlenstoff in Form der beiden stabilen Isotope 12 C (98,98 %) und 13 C (1,07 %) vor. Ihre Massenzahlen betragen 12 bzw. 13. Der Kern eines Atoms des 12-C-Kohlenstoffisotops enthält sechs Protonen und sechs Neutronen, und das 13-C-Isotop enthält die gleiche Anzahl an Protonen und fünf Neutronen.

Es gibt ein künstliches (radioaktives) Kohlenstoffisotop, 14 C, mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren.

Kohlenstoffionen

Das äußere Energieniveau des Kohlenstoffatoms verfügt über vier Elektronen, die Valenzelektronen sind:

1s 2 2s 2 2p 2 .

Durch chemische Wechselwirkung kann Kohlenstoff seine Valenzelektronen verlieren, d.h. ihr Donor sein und sich in positiv geladene Ionen verwandeln oder Elektronen von einem anderen Atom aufnehmen, d.h. seien ihr Akzeptor und verwandeln sich in negativ geladene Ionen:

C 0 -2e → C 2+ ;

C 0 -4e → C 4+ ;

C 0 +4e → C 4- .

Molekül und Kohlenstoffatom

Im freien Zustand liegt Kohlenstoff in Form einatomiger Moleküle C vor. Hier sind einige Eigenschaften, die das Kohlenstoffatom und -molekül charakterisieren:

Kohlenstofflegierungen

Die weltweit bekanntesten Kohlenstofflegierungen sind Stahl und Gusseisen. Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, deren Kohlenstoffgehalt 2 % nicht überschreitet. In Gusseisen (auch eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff) ist der Kohlenstoffgehalt höher – von 2 bis 4 %.

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

BEISPIEL 2

KOHLENSTOFF, C, chemisches Element der Gruppe IV des Periodensystems, Atomgewicht 12,00, Ordnungszahl 6. Bis vor Kurzem galt Kohlenstoff als isotopenfrei; Erst kürzlich ist es mit besonders empfindlichen Methoden gelungen, die Existenz des C 13-Isotops nachzuweisen. Kohlenstoff ist eines der wichtigsten Elemente im Hinblick auf seine Verbreitung, die Anzahl und Vielfalt seiner Verbindungen, seine biologische Bedeutung (als Organogen), die umfassende technische Nutzung von Kohlenstoff selbst und seinen Verbindungen (als Rohstoffe und als Quelle für Kohlenstoff). Energie für den Industrie- und Haushaltsbedarf) und schließlich im Hinblick auf seine Rolle bei der Entwicklung der chemischen Wissenschaft. Kohlenstoff im freien Zustand weist ein ausgeprägtes Phänomen der Allotropie auf, das seit mehr als anderthalb Jahrhunderten bekannt, aber immer noch nicht vollständig erforscht ist, sowohl wegen der extremen Schwierigkeit, Kohlenstoff in chemisch reiner Form zu erhalten, als auch wegen der meisten Konstanten von Allotrope Kohlenstoffmodifikationen variieren stark in Abhängigkeit von den morphologischen Merkmalen ihrer Struktur, die durch die Produktionsmethode und -bedingungen bestimmt werden.

Kohlenstoff bildet zwei kristalline Formen – Diamant und Graphit – und ist auch im amorphen Zustand in der sogenannten Form bekannt. amorphe Kohle. Die Individualität des letzteren ist aufgrund neuerer Forschungen umstritten: Kohle wurde mit Graphit identifiziert, wobei beide als morphologische Varianten derselben Form – „schwarzer Kohlenstoff“ – betrachtet wurden, und der Unterschied in ihren Eigenschaften wurde durch die physikalische Struktur und den Grad erklärt der Ausbreitung des Stoffes. In jüngster Zeit liegen jedoch Fakten vor, die die Existenz von Kohle als besondere allotrope Form bestätigen (siehe unten).

Natürliche Kohlenstoffquellen und -vorräte. Gemessen an der Häufigkeit in der Natur steht Kohlenstoff unter den Elementen an zehnter Stelle und macht 0,013 % der Atmosphäre, 0,0025 % der Hydrosphäre und etwa 0,35 % der Gesamtmasse der Erdkruste aus. Der größte Teil des Kohlenstoffs liegt in Form von Sauerstoffverbindungen vor: Die atmosphärische Luft enthält etwa 800 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von CO 2 -Dioxid; im Wasser der Ozeane und Meere – bis zu 50.000 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von CO 2, Kohlensäureionen und Bikarbonaten; in Gesteinen - unlösliche Carbonate (Kalzium, Magnesium und andere Metalle), und allein der Anteil von CaCO 3 macht ~160·10 6 Milliarden Tonnen Kohlenstoff aus. Diese kolossalen Reserven stellen jedoch keinen Energiewert dar; viel wertvoller sind brennbare kohlenstoffhaltige Materialien – fossile Kohlen, Torf, dann Öl, Kohlenwasserstoffgase und andere natürliche Bitumen. Auch die Reserve dieser Stoffe in der Erdkruste ist recht bedeutend: Die Gesamtkohlenstoffmasse in fossilen Kohlen erreicht ~6000 Milliarden Tonnen, in Öl ~10 Milliarden Tonnen usw. Im freien Zustand ist Kohlenstoff recht selten (Diamant und teilweise). der Graphitsubstanz). Fossile Kohlen enthalten fast oder keinen freien Kohlenstoff: Sie bestehen aus ch. arr. hochmolekulare (polyzyklische) und sehr stabile Verbindungen von Kohlenstoff mit anderen Elementen (H, O, N, S) sind noch sehr wenig untersucht. Kohlenstoffverbindungen der belebten Natur (der Biosphäre des Globus), die in pflanzlichen und tierischen Zellen synthetisiert werden, zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Vielfalt an Eigenschaften und Zusammensetzungsmengen aus; Auch die häufigsten Stoffe der Pflanzenwelt – Ballaststoffe und Lignin – spielen als Energieressourcen eine Rolle. Dank eines kontinuierlichen Kreislaufs bleibt Kohlenstoff in der Natur konstant verteilt. Der Kreislauf besteht aus der Synthese komplexer organischer Substanzen in pflanzlichen und tierischen Zellen und dem umgekehrten Zerfall dieser Substanzen während ihrer oxidativen Zersetzung (Verbrennung, Zerfall, Atmung). zur Bildung von CO 2, das wiederum Pflanzen zur Synthese nutzen. Das allgemeine Schema dieses Zyklus könnte sein in folgender Form dargestellt:

Kohlenstoffproduktion. Kohlenstoffhaltige Verbindungen pflanzlichen und tierischen Ursprungs sind bei hohen Temperaturen instabil und zersetzen sich, wenn sie ohne Luftzugang auf mindestens 150–400 °C erhitzt werden, wobei Wasser und flüchtige Kohlenstoffverbindungen freigesetzt werden und ein fester, nichtflüchtiger, kohlenstoffreicher Rückstand zurückbleibt Kohle genannt. Dieser pyrolytische Prozess wird als Verkohlung oder Trockendestillation bezeichnet und ist in der Technik weit verbreitet. Die Hochtemperaturpyrolyse von fossilen Kohlen, Öl und Torf (bei einer Temperatur von 450–1150 °C) führt zur Freisetzung von Kohlenstoff in Graphitform (Koks, Retortenkohle). Je höher die Verkohlungstemperatur der Ausgangsmaterialien ist, desto näher ist die resultierende Kohle oder der Koks in ihrer Zusammensetzung dem freien Kohlenstoff und in ihren Eigenschaften dem Graphit.

Amorphe Kohle, die bei Temperaturen unter 800 °C entsteht, kann dies nicht. wir betrachten es als freien Kohlenstoff, da es erhebliche Mengen chemisch gebundener anderer Elemente enthält, Ch. arr. Wasserstoff und Sauerstoff. Von den technischen Produkten kommen Aktivkohle und Ruß in ihren Eigenschaften dem amorphen Kohlenstoff am nächsten. Die reinste Kohle kann sein gewonnen durch Verkohlung von reinem Zucker oder Piperonal, spezielle Behandlung von Gasruß usw. Künstlicher Graphit, der auf elektrothermischem Weg gewonnen wird, besteht in seiner Zusammensetzung aus nahezu reinem Kohlenstoff. Naturgraphit ist immer mit mineralischen Verunreinigungen verunreinigt und enthält zudem einen gewissen Anteil an gebundenem Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O); in einem relativ reinen Zustand könnte es sein. wird erst nach einer Reihe spezieller Behandlungen gewonnen: mechanische Anreicherung, Waschen, Behandlung mit Oxidationsmitteln und Kalzinierung bei hohen Temperaturen, bis flüchtige Stoffe vollständig entfernt sind. In der Kohlenstofftechnologie handelt es sich nie um völlig reinen Kohlenstoff; Dies gilt nicht nur für natürliche Kohlenstoffrohstoffe, sondern auch für die Produkte ihrer Anreicherung, Veredelung und thermischen Zersetzung (Pyrolyse). Nachfolgend finden Sie den Kohlenstoffgehalt einiger kohlenstoffhaltiger Materialien (in %):

Physikalische Eigenschaften von Kohlenstoff. Freier Kohlenstoff ist fast vollständig unschmelzbar, nichtflüchtig und bei normalen Temperaturen in keinem der bekannten Lösungsmittel löslich. Es löst sich nur in einigen geschmolzenen Metallen, insbesondere bei Temperaturen nahe deren Siedepunkt: in Eisen (bis zu 5 %), Silber (bis zu 6 %) | Ruthenium (bis zu 4 %), Kobalt, Nickel, Gold und Platin. In Abwesenheit von Sauerstoff ist Kohlenstoff das hitzebeständigste Material; Der flüssige Zustand von reinem Kohlenstoff ist unbekannt und seine Umwandlung in Dampf beginnt erst bei Temperaturen über 3000 °C. Daher wurde die Bestimmung der Eigenschaften von Kohlenstoff ausschließlich für den festen Aggregatzustand durchgeführt. Von den Kohlenstoffmodifikationen weist Diamant die konstantesten physikalischen Eigenschaften auf; die Eigenschaften von Graphit in seinen verschiedenen Proben (selbst den reinsten) variieren erheblich; Die Eigenschaften amorpher Kohle sind noch vielfältiger. In der Tabelle sind die wichtigsten physikalischen Konstanten verschiedener Kohlenstoffmodifikationen gegenübergestellt.

Diamant ist ein typisches Dielektrikum, während Graphit und Kohlenstoff metallische elektrische Leitfähigkeit aufweisen. In absoluten Werten schwankt ihre Leitfähigkeit in einem sehr weiten Bereich, bei Kohlen ist sie jedoch immer niedriger als bei Graphiten; in Graphiten kommt die Leitfähigkeit echten Metallen nahe. Die Wärmekapazität aller Kohlenstoffmodifikationen tendiert bei Temperaturen >1000°C zu einem konstanten Wert von 0,47. Bei Temperaturen unter -180 °C wird die Wärmekapazität von Diamant verschwindend gering und bei -27 °C geht sie praktisch gegen Null.

Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff. Beim Erhitzen auf über 1000 °C wandeln sich sowohl Diamant als auch Kohle allmählich in Graphit um, der daher als die stabilste (bei hohen Temperaturen) monotrope Form von Kohlenstoff angesehen werden sollte. Die Umwandlung von amorpher Kohle in Graphit beginnt offenbar bei etwa 800 °C und endet bei 1100 °C (an diesem letzten Punkt verliert Kohle ihre Adsorptionsaktivität und Fähigkeit zur Reaktivierung und ihre elektrische Leitfähigkeit steigt stark an und bleibt in der Zukunft nahezu konstant). Freier Kohlenstoff zeichnet sich durch Inertheit bei normalen Temperaturen und erhebliche Aktivität bei hohen Temperaturen aus. Amorphe Kohle ist chemisch am aktivsten, während Diamant am widerstandsfähigsten ist. Beispielsweise reagiert Fluor mit Kohle bei einer Temperatur von 15 °C, mit Graphit erst bei 500 °C und mit Diamant bei 700 °C. Beim Erhitzen an der Luft beginnt poröse Kohle bei unter 100 °C zu oxidieren, Graphit bei etwa 650 °C und Diamant bei über 800 °C. Bei Temperaturen ab 300 °C verbindet sich Kohle mit Schwefel zu Schwefelkohlenstoff CS 2. Bei Temperaturen über 1800 °C beginnt Kohlenstoff (Kohle) mit Stickstoff zu interagieren und bildet (in geringen Mengen) Cyanogen C 2 N 2. Die Wechselwirkung von Kohlenstoff mit Wasserstoff beginnt bei 1200 °C und im Temperaturbereich von 1200–1500 °C entsteht ausschließlich Methan CH 4; über 1500°C – eine Mischung aus Methan, Ethylen (C 2 H 4) und Acetylen (C 2 H 2); Bei Temperaturen in der Größenordnung von 3000 °C wird fast ausschließlich Acetylen gewonnen. Bei der Temperatur des Lichtbogens geht Kohlenstoff eine direkte Verbindung mit Metallen, Silizium und Bor ein und bildet die entsprechenden Karbide. Direkte oder indirekte Wege können möglich sein. Es wurden Verbindungen des Kohlenstoffs mit allen bekannten Elementen erhalten, mit Ausnahme von Gasen der Nullgruppe. Kohlenstoff ist ein nichtmetallisches Element, das einige Anzeichen von Amphoterität aufweist. Das Kohlenstoffatom hat einen Durchmesser von 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) und enthält in der äußeren Kugel 4 Valenzelektronen, die ebenso leicht abgegeben oder zu 8 addiert werden können; Daher beträgt die normale Wertigkeit von Kohlenstoff, sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff, vier. In den allermeisten seiner Verbindungen ist Kohlenstoff vierwertig; Es sind nur wenige Verbindungen aus zweiwertigem Kohlenstoff (Kohlenmonoxid und seine Acetale, Isonitrile, Fulminatsäure und ihre Salze) und dreiwertigem Kohlenstoff (das sogenannte „freie Radikal“) bekannt.

Kohlenstoff bildet mit Sauerstoff zwei normale Oxide: saures Kohlendioxid CO 2 und neutrales Kohlenmonoxid CO. Darüber hinaus gibt es eine Reihe Kohlenstoffsuboxide mehr als 1 C-Atom enthalten und keine technische Bedeutung haben; Das bekannteste davon ist das Suboxid der Zusammensetzung C 3 O 2 (ein Gas mit einem Siedepunkt von +7 °C und einem Schmelzpunkt von -111 °C). Das erste Produkt der Verbrennung von Kohlenstoff und seinen Verbindungen ist CO 2, das nach der Gleichung entsteht:

C+O 2 = CO 2 +97600 cal.

Die Bildung von CO bei unvollständiger Verbrennung von Kraftstoff ist das Ergebnis eines sekundären Reduktionsprozesses; Das Reduktionsmittel ist in diesem Fall Kohlenstoff selbst, der bei Temperaturen über 450 °C mit CO 2 nach der Gleichung reagiert:

CO 2 +C = 2СО -38800 cal;

diese Reaktion ist reversibel; Oberhalb von 950 °C ist die Umwandlung von CO 2 in CO nahezu vollständig, was in gaserzeugenden Öfen erfolgt. Die energetische Reduktionsfähigkeit von Kohlenstoff bei hohen Temperaturen wird auch bei der Herstellung von Wassergas (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) und in metallurgischen Prozessen genutzt, um aus seinem Oxid freies Metall zu gewinnen. Allotrope Formen von Kohlenstoff reagieren unterschiedlich auf die Wirkung einiger Oxidationsmittel: Beispielsweise hat eine Mischung aus KCIO 3 + HNO 3 auf Diamant überhaupt keine Wirkung, amorphe Kohle wird vollständig zu CO 2 oxidiert, während Graphit aromatische Verbindungen – Graphitsäuren – erzeugt mit der Summenformel (C 2 OH) x aufwärts Mellitsäure C 6 (COOH) 6 . Verbindungen von Kohlenstoff mit Wasserstoff – Kohlenwasserstoffe – sind äußerst zahlreich; Aus ihnen werden die meisten anderen organischen Verbindungen genetisch hergestellt, zu denen neben Kohlenstoff am häufigsten H, O, N, S und Halogene gehören.

Die außergewöhnliche Vielfalt organischer Verbindungen, von denen bis zu 2 Millionen bekannt sind, ist auf bestimmte Eigenschaften des Elements Kohlenstoff zurückzuführen. 1) Kohlenstoff zeichnet sich durch eine starke chemische Bindung mit den meisten anderen Elementen aus, sowohl metallischen als auch nichtmetallischen, wodurch er mit beiden relativ stabile Verbindungen eingeht. Bei der Verbindung mit anderen Elementen neigt Kohlenstoff kaum dazu, Ionen zu bilden. Die meisten organischen Verbindungen sind homöopolar und dissoziieren unter normalen Bedingungen nicht; Das Aufbrechen intramolekularer Bindungen in ihnen erfordert oft einen erheblichen Energieaufwand. Bei der Beurteilung der Stärke von Verbindungen sollte man allerdings unterscheiden; a) absolute Bindungsstärke, thermochemisch gemessen, und b) die Fähigkeit der Bindung, unter dem Einfluss verschiedener Reagenzien aufzubrechen; Diese beiden Merkmale stimmen nicht immer überein. 2) Kohlenstoffatome verbinden sich außergewöhnlich leicht miteinander (unpolar) und bilden offene oder geschlossene Kohlenstoffketten. Die Länge solcher Ketten unterliegt offenbar keinen Beschränkungen; So sind recht stabile Moleküle mit offenen Ketten aus 64 Kohlenstoffatomen bekannt. Die Länge und Komplexität offener Ketten hat keinen Einfluss auf die Stärke der Verbindung ihrer Glieder untereinander oder mit anderen Elementen. Unter geschlossenen Ketten bilden sich am leichtesten 6- und 5-gliedrige Ringe, obwohl auch Ringketten mit 3 bis 18 Kohlenstoffatomen bekannt sind. Die Fähigkeit von Kohlenstoffatomen, sich gut zu verbinden, erklärt die besonderen Eigenschaften von Graphit und den Mechanismus von Verkohlungsprozessen; Es verdeutlicht auch die Tatsache, dass Kohlenstoff in Form zweiatomiger C 2 -Moleküle unbekannt ist, was in Analogie zu anderen leichten nichtmetallischen Elementen zu erwarten wäre (in Dampfform besteht Kohlenstoff aus einatomigen Molekülen). 3) Aufgrund der unpolaren Natur der Bindungen weisen viele Kohlenstoffverbindungen nicht nur äußerlich (Langsamkeit der Reaktion), sondern auch innerlich (Schwierigkeit intramolekularer Umlagerungen) chemische Inertheit auf. Das Vorhandensein großer „passiver Widerstände“ erschwert die spontane Umwandlung instabiler Formen in stabile Formen erheblich und reduziert häufig die Geschwindigkeit einer solchen Umwandlung auf Null. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, eine große Zahl isomerer Formen zu realisieren, die bei gewöhnlichen Temperaturen nahezu gleich stabil sind.

Allotropie und Atomstruktur von Kohlenstoff . Durch die Röntgenanalyse konnte die atomare Struktur von Diamant und Graphit zuverlässig ermittelt werden. Dieselbe Forschungsmethode beleuchtete die Frage nach der Existenz einer dritten allotropen Modifikation von Kohlenstoff, bei der es sich im Wesentlichen um die Amorphität oder Kristallinität von Kohle handelt: Wenn Kohle eine amorphe Formation ist, dann kann sie das nicht. weder mit Graphit noch mit Diamant identifiziert, sondern muss als Sonderform des Kohlenstoffs, als einzelner einfacher Stoff betrachtet werden. Im Diamant sind Kohlenstoffatome so angeordnet, dass jedes Atom im Zentrum eines Tetraeders liegt, dessen Eckpunkte aus 4 benachbarten Atomen bestehen; jedes dieser letzteren ist wiederum das Zentrum eines anderen ähnlichen Tetraeders; die Abstände zwischen benachbarten Atomen betragen 1,54 Ᾰ (die Kante eines Elementarwürfels des Kristallgitters beträgt 3,55 Ᾰ). Diese Struktur ist die kompakteste; es entspricht der hohen Härte, Dichte und chemischen Inertheit von Diamant (gleichmäßige Verteilung der Valenzkräfte). Die gegenseitige Verbindung der Kohlenstoffatome im Diamantgitter ist die gleiche wie in den Molekülen der meisten organischen Verbindungen der Fettreihe (tetraedrisches Kohlenstoffmodell). In Graphitkristallen sind Kohlenstoffatome in dichten Schichten mit einem Abstand von 3,35–3,41 Ᾰ voneinander angeordnet; Die Richtung dieser Schichten stimmt mit den Spaltungs- und Gleitebenen bei mechanischen Verformungen überein. In der Ebene jeder Schicht bilden die Atome ein Gitter mit sechseckigen Zellen (Unternehmen); Die Seitenlänge eines solchen Sechsecks beträgt 1,42–1,45 Ᾰ. In benachbarten Schichten liegen die Sechsecke nicht untereinander: Ihre vertikale Übereinstimmung wiederholt sich erst nach 2 Schichten in der dritten. Die drei Bindungen jedes Kohlenstoffatoms liegen in derselben Ebene und bilden Winkel von 120°; Die 4. Bindung ist abwechselnd in die eine oder andere Richtung von der Ebene zu den Atomen benachbarter Schichten gerichtet. Die Abstände zwischen Atomen in einer Schicht sind streng konstant, der Abstand zwischen einzelnen Schichten kann jedoch konstant sein durch äußere Einflüsse verändert: Beispielsweise sinkt er beim Pressen unter Druck bis 5000 atm auf 2,9 Ᾰ, beim Aufquellen von Graphit in konzentrierter HNO 3 steigt er auf 8 Ᾰ. In der Ebene einer Schicht sind Kohlenstoffatome homöopolar gebunden (wie in Kohlenwasserstoffketten), aber die Bindungen zwischen Atomen benachbarter Schichten sind eher metallischer Natur; Dies zeigt sich daran, dass die elektrische Leitfähigkeit von Graphitkristallen in Richtung senkrecht zu den Schichten etwa 100-mal höher ist als die Leitfähigkeit in Richtung der Schicht. Das. Graphit hat in der einen Richtung die Eigenschaften eines Metalls und in der anderen die Eigenschaften eines Nichtmetalls. Die Anordnung der Kohlenstoffatome in jeder Schicht des Graphitgitters ist genau die gleiche wie in den Molekülen komplexer Kernaromaten. Diese Konfiguration erklärt gut die starke Anisotropie von Graphit, die außergewöhnlich entwickelte Spaltung, die Gleiteigenschaften und die Bildung aromatischer Verbindungen während seiner Oxidation. Die amorphe Modifikation des Rußes existiert offenbar als eigenständige Form (O. Ruff). Am wahrscheinlichsten ist eine schaumartige Zellstruktur ohne jegliche Regelmäßigkeit; Die Wände solcher Zellen bestehen aus Schichten aktiver Atome Kohlenstoff etwa 3 Atome dick. In der Praxis liegt die aktive Substanz der Kohle meist unter einer Hülle aus eng beieinander liegenden inaktiven Kohlenstoffatomen, die graphitisch ausgerichtet sind, und wird von Einschlüssen sehr kleiner Graphitkristallite durchdrungen. Es gibt wahrscheinlich keinen bestimmten Punkt der Umwandlung von Kohle → Graphit: Zwischen beiden Modifikationen gibt es einen kontinuierlichen Übergang, bei dem die zufällig zusammengedrängte Masse der C-Atome der amorphen Kohle in ein regelmäßiges Kristallgitter aus Graphit umgewandelt wird. Aufgrund ihrer zufälligen Anordnung weisen Kohlenstoffatome in amorpher Kohle eine maximale Restaffinität auf, die (nach Langmuirs Vorstellungen über die Identität von Adsorptionskräften und Valenzkräften) der für Kohle charakteristischen hohen Adsorptions- und katalytischen Aktivität entspricht. Im Kristallgitter ausgerichtete Kohlenstoffatome nutzen ihre gesamte Affinität (im Diamant) oder den größten Teil (im Graphit) für die gegenseitige Adhäsion; Dies entspricht einer Abnahme der chemischen Aktivität und der Adsorptionsaktivität. Bei Diamant ist die Adsorption nur auf der Oberfläche eines Einkristalls möglich, während bei Graphit Restvalenz auf beiden Oberflächen jedes flachen Gitters (in den „Rissen“ zwischen Atomschichten) auftreten kann, was durch die Tatsache bestätigt wird, dass Graphit kann in Flüssigkeiten aufquellen (HNO 3) und der Mechanismus seiner Oxidation zu Graphitsäure.

Technische Bedeutung von Kohlenstoff. Was b betrifft. oder m. freier Kohlenstoff, der bei den Prozessen der Verkohlung und Verkokung anfällt, dann basiert seine Verwendung in der Technologie sowohl auf seinen chemischen (Inertheit, Reduktionsfähigkeit) als auch auf seinen physikalischen Eigenschaften (Hitzebeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Adsorptionskapazität). So werden Koks und Holzkohle neben ihrer teilweisen direkten Nutzung als flammenloser Brennstoff auch zur Herstellung gasförmiger Brennstoffe (Generatorgase) eingesetzt; in der Metallurgie von Eisen- und Nichteisenmetallen – zur Reduktion von Metalloxiden (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); in der chemischen Technik – als Reduktionsmittel bei der Herstellung von Sulfiden (Na, Ca, Ba) aus Sulfaten, wasserfreien Chloridsalzen (Mg, Al), aus Metalloxiden, bei der Herstellung von löslichem Glas und Phosphor – als Rohstoff für die Herstellung von Kalziumkarbid, Karborund und anderen Karbiden, Schwefelkohlenstoff usw.; in der Bauindustrie - als Wärmedämmstoff. Retortenkohle und Koks dienen als Materialien für Elektroden von Elektroöfen, Elektrolysebädern und galvanischen Zellen, zur Herstellung von Lichtbogenkohlen, Rheostaten, Kommutatorbürsten, Schmelztiegeln usw. sowie als Düse in turmartigen chemischen Anlagen. Zusätzlich zu den oben genannten Anwendungen wird Holzkohle zur Herstellung von konzentriertem Kohlenmonoxid, Zyanidsalzen, zur Zementierung von Stahl verwendet, wird häufig als Adsorptionsmittel und Katalysator für einige synthetische Reaktionen verwendet und ist schließlich in Schwarzpulver und anderen Sprengstoffen enthalten und pyrotechnische Kompositionen.

Analytische Bestimmung von Kohlenstoff. Die qualitative Bestimmung von Kohlenstoff erfolgt durch Verkohlung einer Stoffprobe ohne Luftzugang (was nicht für alle Stoffe geeignet ist) oder, was viel zuverlässiger ist, durch erschöpfende Oxidation, beispielsweise durch Kalzinierung im Gemisch mit Kupferoxid, und die Bildung von CO 2 wird durch gewöhnliche Reaktionen nachgewiesen. Zur Quantifizierung von Kohlenstoff wird eine Probe des Stoffes in einer Sauerstoffatmosphäre verbrannt; Das entstehende CO 2 wird durch eine Alkalilösung aufgefangen und mit herkömmlichen Methoden der quantitativen Analyse nach Gewicht oder Volumen bestimmt. Diese Methode eignet sich zur Kohlenstoffbestimmung nicht nur in organischen Verbindungen und technischen Kohlen, sondern auch in Metallen.

Man nennt es die Grundlage des Lebens. Es kommt in allen organischen Verbindungen vor. Nur er ist in der Lage, aus Millionen von Atomen Moleküle wie DNA zu bilden.

Haben Sie den Helden erkannt? Das Kohlenstoff. Die Anzahl seiner der Wissenschaft bekannten Verbindungen liegt bei nahezu 10.000.000.

Alle anderen Elemente zusammen werden nicht so viel haben. Es ist nicht verwunderlich, dass ausschließlich einer der beiden Zweige der Chemie studiert wird Kohlenstoffverbindungen und wird in der High School unterrichtet.

Wir schlagen vor, den Lehrplan in Erinnerung zu rufen und ihn durch neue Fakten zu ergänzen.

Was ist Kohlenstoff?

Erstens, Element Kohlenstoff– zusammengesetzt. In der neuen Norm ist der Stoff der Gruppe 14 zugeordnet.

In der veralteten Version des Systems gehört Kohlenstoff zur Hauptuntergruppe der 4. Gruppe.

Die Bezeichnung des Elements ist der Buchstabe C. Die Seriennummer des Stoffes ist 6, er gehört zur Gruppe der Nichtmetalle.

Organischer Kohlenstoff kommt in der Natur neben Mineralien vor. Der Fullerenstein ist also das 6. Element in seiner reinen Form.

Unterschiede im Aussehen sind auf verschiedene Arten der Kristallgitterstruktur zurückzuführen. Auch die polaren Eigenschaften des mineralischen Kohlenstoffs hängen davon ab.

Graphit zum Beispiel ist weich und wird nicht umsonst Schreibstiften und allen anderen Menschen auf der Erde zugesetzt. Daher ist es logisch, die Eigenschaften von Kohlenstoff selbst und nicht seine Modifikationen zu berücksichtigen.

Eigenschaften von Kohlenstoff

Beginnen wir mit den Eigenschaften, die allen Nichtmetallen gemeinsam sind. Sie sind elektronegativ, das heißt, sie ziehen gemeinsame Elektronenpaare an, die mit anderen Elementen gebildet werden.

Es stellt sich heraus, dass Kohlenstoff Nichtmetalloxide in den Zustand von Metallen reduzieren kann.

Das 6. Element tut dies jedoch nur, wenn es erhitzt wird. Unter normalen Bedingungen ist der Stoff chemisch inert.

Nichtmetalle haben in ihren äußeren Elektronenebenen mehr Elektronen als Metalle.

Aus diesem Grund neigen die Atome des 6. Elements dazu, einen Bruchteil ihrer eigenen Orbitale zu vervollständigen, anstatt ihre Teilchen an jemanden weiterzugeben.

Bei Metallen mit einem Minimum an Elektronen auf den Außenschalen ist es einfacher, entfernte Teilchen abzugeben als fremde anzuziehen.

Die Hauptform der 6. Substanz ist ein Atom. Theoretisch sollten wir darüber reden Kohlenstoffmolekül. Die meisten Nichtmetalle bestehen aus Molekülen.

Kohlenstoff c und - haben jedoch mit Ausnahme einer atomaren Struktur. Aus diesem Grund haben Elementverbindungen hohe Schmelzpunkte.

Eine weitere charakteristische Eigenschaft vieler Kohlenstoffformen ist. Für dasselbe ist es maximal, gleich 10 Punkte.

Da wir über die Formen der 6. Substanz sprechen, möchten wir darauf hinweisen, dass kristallin nur eine davon ist.

Kohlenstoffatome ordnen sich nicht immer in einem Kristallgitter an. Es gibt eine amorphe Variante.

Beispiele hierfür sind: Holz, Koks, glasiger Kohlenstoff. Dies sind Verbindungen, die jedoch keine geordnete Struktur haben.

Wird ein Stoff mit anderen kombiniert, können auch Gase entstehen. Bei einer Temperatur von 3700 Grad verwandelt sich kristalliner Kohlenstoff in sie.

Unter normalen Bedingungen ist ein Element gasförmig, wenn es beispielsweise vorliegt Kohlenmonoxid.

Die Leute nennen es Kohlenmonoxid. Die Reaktion seiner Bildung ist jedoch aktiver und schneller, wenn dennoch die Hitze eingeschaltet wird.

Gasförmige Verbindungen Kohlenstoff Mit Sauerstoff manche. Es gibt beispielsweise auch Monoxid.

Dieses Gas ist unter normalen Bedingungen farblos und giftig. Solch Kohlenmonoxid hat eine Dreifachbindung im Molekül.

Aber kehren wir zum reinen Element zurück. Obwohl es chemisch recht inert ist, kann es dennoch nicht nur mit Metallen, sondern auch mit deren Oxiden und, wie aus dem Gespräch über Gase hervorgeht, mit Sauerstoff interagieren.

Die Reaktion ist auch mit möglich Wasserstoff. Kohlenstoff interagiert, wenn einer der Faktoren oder alle zusammen „spielen“: Temperatur, allotroper Zustand, Dispersion.

Letzteres bezeichnet das Verhältnis der Oberfläche von Partikeln eines Stoffes zu dem von ihnen eingenommenen Volumen.

Allotropie ist die Möglichkeit mehrerer Formen derselben Substanz, also kristallin, amorph oder Kohlenstoffgas.

Unabhängig davon, wie die Faktoren zusammenfallen, reagiert das Element jedoch überhaupt nicht mit Säuren und Laugen. Ignoriert Kohlenstoff und fast alle Halogene.

Am häufigsten bindet sich die sechste Substanz an sich selbst und bildet dieselben großräumigen Moleküle aus Hunderten und Millionen von Atomen.

gebildete Moleküle, Kohlenstoff reagieren mit noch weniger Elementen und Verbindungen.

Anwendung von Kohlenstoff

Die Anwendung des Elements und seiner Derivate ist so umfangreich wie ihre Anzahl. Kohlenstoffgehalt Es gibt mehr im Leben eines Menschen, als man denkt.

Aktivkohle aus der Apotheke ist der 6. Stoff. in von – er ist derselbe.

Auch der Graphit in Bleistiften ist Kohlenstoff, der auch in Kernreaktoren und elektrischen Maschinenkontakten benötigt wird.

Auch Methan-Kraftstoff steht auf der Liste. Kohlendioxid Das für die Produktion benötigte Kältemittel kann Trockeneis, also ein Kältemittel, sein.

Kohlendioxid dient als Konservierungsmittel, füllt Gemüsespeicher und wird auch zur Herstellung von Carbonaten benötigt.

Letztere werden beispielsweise im Bauwesen eingesetzt. Und Carbonat ist nützlich bei der Seifenherstellung und Glasproduktion.

Kohlenstoffformel entspricht auch Cola. Es ist nützlich für Metallurgen.

Koks dient als Reduktionsmittel beim Schmelzen von Erzen und der Gewinnung von Metallen daraus.

Auch gewöhnlicher Ruß ist Kohlenstoff, der als Dünger und Füllstoff verwendet wird.

Haben Sie sich jemals gefragt, warum Autoreifen gefärbt sind? Das ist Ruß. Es verleiht dem Gummi Festigkeit.

Ruß findet sich auch in Schuhcremes, Druckfarben und Mascara. Der populäre Name wird nicht immer verwendet. Industrielle fordern Ruß Kohlenschwarz.

Kohlenstoffmasse beginnt im Bereich der Nanotechnologie eingesetzt zu werden. Es wurden ultrakleine Transistoren sowie 6-7-mal stärkere Röhren hergestellt.

Soviel zum Thema Nichtmetall. Übrigens haben Wissenschaftler von . Sie stellten ein Aerogel aus Kohlenstoffröhren und Graphen her.

Es ist auch ein langlebiges Material. Klingt schwer. Tatsächlich ist Aerogel jedoch leichter als Luft.

IN Eisenkohlenstoff hinzugefügt, um sogenannten Kohlenstoffstahl herzustellen. Sie ist härter als sonst.

Allerdings sollte der Massenanteil des 6. Elements ein paar bis drei Prozent nicht überschreiten. Andernfalls verschlechtern sich die Eigenschaften des Stahls.

Die Liste geht weiter und weiter. Aber woher können wir endlos Kohlenstoff bekommen? Wird es abgebaut oder synthetisiert? Diese Fragen werden wir in einem separaten Kapitel beantworten.

Kohlenstoffabbau

Kohlendioxid, Methan, separat Kohlenstoff, kann chemisch, also durch gezielte Synthese, gewonnen werden. Dies ist jedoch nicht rentabel.

Kohlenstoffgas und seine festen Modifikationen lassen sich zusammen mit Kohle einfacher und kostengünstiger fördern.

Jährlich werden etwa 2 Milliarden Tonnen aus den Eingeweiden der Erde gewonnen. Genug, um die Welt mit Ruß zu versorgen.

Sie werden aus Kimbirlitrohren gewonnen. Dabei handelt es sich um vertikale geologische Körper, durch Lava zementierte Gesteinsfragmente.

Hier sind sie zu finden. Daher vermuten Wissenschaftler, dass das Mineral in Tiefen von Tausenden von Kilometern am selben Ort wie Magma entsteht.

Graphitvorkommen hingegen sind horizontal und befinden sich nahe der Oberfläche.

Daher ist der Abbau des Minerals recht einfach und kostengünstig. Jährlich werden etwa 500.000 Tonnen Graphit aus dem Untergrund gewonnen.

Um Aktivkohle zu erhalten, muss man die Kohle erhitzen und sie mit einem Wasserdampfstrahl behandeln.

Wissenschaftler haben sogar herausgefunden, wie man Proteine ​​im menschlichen Körper nachbilden kann. Ihre Basis ist auch Kohlenstoff. Stickstoff und Wasserstoff ist die angrenzende Aminogruppe.

Sie brauchen auch Sauerstoff. Das heißt, Proteine ​​sind auf Aminosäuren aufgebaut. Es ist nicht in aller Munde, aber es ist viel wichtiger für das Leben als der Rest.

Wesentlich weniger benötigt der Körper beispielsweise Schwefel-, Salpeter- und Salzsäure.

Kohlenstoff ist also etwas, wofür es sich zu bezahlen lohnt. Lassen Sie uns herausfinden, wie groß die Preisspanne für verschiedene Waren ab dem 6. Element ist.

Der Preis für Kohlenstoff

Für das Leben ist Kohlenstoff, wie leicht zu verstehen ist, von unschätzbarem Wert. Wie in anderen Lebensbereichen hängt der Preis vom Namen des Produkts und seiner Qualität ab.

Sie zahlen beispielsweise mehr, wenn sie keine Fremdeinschlüsse enthalten.

Bisher kosteten Aerogel-Proben für ein paar Quadratzentimeter Dutzende Dollar.

In Zukunft versprechen die Hersteller jedoch, das Material in Rollen zu liefern und es kostengünstig anzufordern.

Carbon Black, also Ruß, wird für 5-7 Rubel pro Kilo verkauft. Dementsprechend zahlen sie etwa 5.000 bis 7.000 Rubel pro Tonne.

Allerdings kann die Einführung einer CO2-Steuer in den meisten Industrieländern zu einem Preisanstieg führen.

Die Kohlenstoffindustrie gilt als Verursacher des Treibhauseffekts. Unternehmen müssen für Emissionen, insbesondere CO 2 , zahlen.

Es ist das wichtigste Treibhausgas und gleichzeitig ein Indikator für die Luftverschmutzung. Diese Information ist ein Wermutstropfen.

Es macht einem klar, dass Kohlenstoff, wie alles andere auf der Welt, auch eine Kehrseite und nicht nur einen Vorteil hat.

Organisches Leben auf der Erde wird durch Kohlenstoffverbindungen repräsentiert. Das Element ist Teil der Hauptbestandteile zellulärer Strukturen: Proteine, Kohlenhydrate und Fette und bildet auch die Grundlage der Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure. In der anorganischen Natur ist Kohlenstoff eines der häufigsten Elemente, die die Erdkruste und die Atmosphäre des Planeten bilden. Die organische Chemie als Teilgebiet der chemischen Wissenschaft widmet sich ausschließlich den Eigenschaften des chemischen Elements Kohlenstoff und seiner Verbindungen. Unser Artikel befasst sich mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff und den Merkmalen seiner Eigenschaften.

Platz des Elements im Periodensystem von Mendelejew

Die Kohlenstoffuntergruppe ist die Hauptuntergruppe der Gruppe IV, zu der neben Kohlenstoff auch Silizium, Germanium, Zinn und Blei gehören. Alle diese Elemente haben die gleiche Struktur des äußeren Energieniveaus, auf dem sich vier Elektronen befinden. Dies bestimmt die Ähnlichkeit ihrer chemischen Eigenschaften. Im Normalzustand sind die Elemente der Untergruppe zweiwertig, und wenn ihre Atome in einen angeregten Zustand übergehen, weisen sie eine Wertigkeit von 4 auf. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff hängen vom Zustand der elektronischen Hüllen seines Atoms ab. So bildet ein Element, dessen Teilchen sich in einem nicht angeregten Zustand befinden, bei einer Reaktion mit Sauerstoff das indifferente Oxid CO. Kohlenstoffatome im angeregten Zustand werden zu Kohlendioxid oxidiert, das saure Eigenschaften aufweist.

Formen von Kohlenstoff in der Natur

Diamant, Graphit und Carbin sind drei allotrope Modifikationen von Kohlenstoff als einfacher Substanz. Transparente Kristalle mit einem hohen Brechungsgrad der Lichtstrahlen, die zu den härtesten Verbindungen der Natur gehören, sind Diamanten. Sie leiten die Wärme schlecht und sind Dielektrika. Das Kristallgitter ist atomar und sehr stark. Darin ist jedes Atom eines Elements von vier anderen Teilchen umgeben und bildet so ein regelmäßiges Tetraeder.

Völlig unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften des Kohlenstoffs, der Graphit bildet. Es ist eine dunkelgraue kristalline Substanz, die sich fettig anfühlt. Es hat einen schichtweisen Aufbau, die Abstände zwischen den Atomschichten sind recht groß, während ihre Anziehungskräfte schwach sind. Beim Drücken auf einen Graphitstab blättert die Substanz daher in dünne Flocken ab. Sie hinterlassen einen dunklen Fleck auf dem Papier. Graphit ist wärmeleitfähig und in der elektrischen Leitfähigkeit den Metallen etwas unterlegen.

Die Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, wird durch die Struktur des Kristalls der Substanz erklärt. Darin werden Kohlenstoffpartikel über starke kovalente chemische Bindungen an drei andere gebunden. Das vierte Valenzelektron jedes Atoms bleibt frei und kann sich durch die Substanz bewegen. Die gerichtete Bewegung negativ geladener Teilchen führt zur Entstehung von elektrischem Strom. Die Einsatzgebiete von Graphit sind vielfältig. So dient es zur Herstellung von Elektroden in der Elektrotechnik und zur Durchführung des Elektrolyseprozesses, bei dem beispielsweise Alkalimetalle in reiner Form gewonnen werden. Graphit wird in Kernreaktoren eingesetzt, um als Neutronenmoderator die Geschwindigkeit der dort ablaufenden Kettenreaktionen zu steuern. Es ist bekannt, dass die Substanz als Schieferstäbchen oder Schmiermittel zum Reiben von Teilen von Mechanismen verwendet wird.

Was ist Carbin?

Schwarzes kristallines Pulver mit glasigem Glanz ist Karabiner. Es wurde Mitte des 20. Jahrhunderts in Russland synthetisiert. Der Stoff ist Graphit in seiner Härte überlegen, chemisch passiv, hat Halbleitereigenschaften und ist die stabilste Modifikation von Kohlenstoff. Die Verbindung ist stärker als Graphit. Es gibt auch Formen von Kohlenstoff, deren chemische Eigenschaften sich voneinander unterscheiden. Dies sind Ruß, Holzkohle und Koks.

Die verschiedenen Eigenschaften allotroper Kohlenstoffmodifikationen werden durch die Struktur ihrer Kristallgitter erklärt. Es ist eine feuerfeste Substanz, farblos und geruchlos. Es ist in organischen Lösungsmitteln unlöslich, kann aber feste Lösungen bilden – Legierungen beispielsweise mit Eisen.

Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff

Abhängig von der Substanz, mit der Kohlenstoff reagiert, kann er zwei Eigenschaften aufweisen: sowohl ein Reduktionsmittel als auch ein Oxidationsmittel. Durch die Verschmelzung von Koks mit Metallen entstehen beispielsweise deren Verbindungen – Karbide. Bei der Reaktion mit Wasserstoff entstehen Kohlenwasserstoffe. Dabei handelt es sich um organische Verbindungen, beispielsweise Methan, Ethylen, Acetylen, in denen Kohlenstoff wie bei Metallen die Oxidationsstufe -4 aufweist. Reduktive chemische Reaktionen von Kohlenstoff, deren Eigenschaften wir untersuchen, treten bei seiner Wechselwirkung mit Sauerstoff, Halogenen, Wasser und basischen Oxiden auf.

Kohlenstoffoxide

Durch die Verbrennung von Kohle in Luft mit niedrigem Sauerstoffgehalt entsteht Kohlenmonoxid – zweiwertiges Kohlenoxid. Es ist farblos, geruchlos und hochgiftig. Durch die Verbindung mit Hämoglobin im Blut während der Atmung breitet sich Kohlenmonoxid im gesamten menschlichen Körper aus und führt zu Vergiftungen und schließlich zum Tod durch Ersticken. In der Einstufung tritt der Stoff an die Stelle indifferenter Oxide, reagiert nicht mit Wasser und entspricht weder einer Base noch einer Säure. Die chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff, der eine Wertigkeit von 4 hat, unterscheiden sich von den zuvor diskutierten Eigenschaften.

Kohlendioxid

Ein farbloser gasförmiger Stoff geht bei einer Temperatur von 15 °C und einem Druck von einer Atmosphäre in die feste Phase über. Es heißt Trockeneis. CO 2 -Moleküle sind unpolar, obwohl die kovalente Bindung zwischen den Sauerstoff- und Kohlenstoffatomen polar ist. Die Verbindung gehört zu den Säureoxiden. Bei der Wechselwirkung mit Wasser entsteht Carbonatsäure. Bekannt sind Reaktionen zwischen Kohlendioxid und einfachen Stoffen: Metallen und Nichtmetallen, beispielsweise mit Magnesium, Kalzium oder Koks. In ihnen spielt es die Rolle eines Oxidationsmittels.

Qualitative Reaktion auf Kohlendioxid

Um sicherzustellen, dass es sich bei dem untersuchten Gas tatsächlich um Kohlenmonoxid CO 2 handelt, wird in der anorganischen Chemie folgender Versuch durchgeführt: Der Stoff wird durch eine klare Lösung von Kalkwasser geleitet. Die Beobachtung einer Trübung der Lösung aufgrund der Ausfällung eines weißen Niederschlags von Calciumcarbonat bestätigt das Vorhandensein von Kohlendioxidmolekülen in der Reagenzienmischung. Wenn das Gas weiter durch eine Calciumhydroxidlösung geleitet wird, löst sich der CaCO 3 -Niederschlag aufgrund seiner Umwandlung in Calciumbicarbonat, ein wasserlösliches Salz, auf.

Die Rolle von Kohlenstoff im Hochofenprozess

Die chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff werden bei der industriellen Herstellung von Eisen aus seinen Erzen genutzt: magnetisches, rotes oder braunes Eisenerz. Dazu gehören vor allem die reduzierenden Eigenschaften von Kohlenstoff und Oxiden – Kohlendioxid und Kohlendioxid. Die im Hochofen ablaufenden Prozesse lassen sich als folgender Reaktionsablauf darstellen:

• Zunächst verbrennt Koks in einem auf 1.850 °C erhitzten Luftstrom unter Bildung von Kohlendioxid: C + O 2 = CO 2.
• Beim Durchgang durch heißen Kohlenstoff wird es zu Kohlenmonoxid reduziert: CO 2 + C = 2CO.
• Kohlenmonoxid reagiert mit Eisenerz und es entsteht Eisenoxid: 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2, Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2.
• Die Reaktion zur Herstellung von Eisen hat die folgende Form: FeO + CO = Fe + CO 2

Geschmolzenes Eisen löst eine Mischung aus Kohlenstoff und Kohlenmonoxid auf, wodurch eine Substanz entsteht – Zementit.

Im Hochofen geschmolzenes Gusseisen enthält neben Eisen bis zu 4,5 % Kohlenstoff und andere Verunreinigungen: Mangan, Phosphor, Schwefel. Stahl, der sich in vielerlei Hinsicht von Gusseisen unterscheidet, beispielsweise durch die Fähigkeit, ihn zu walzen und zu schmieden, enthält nur 0,3 bis 1,7 % Kohlenstoff. Stahlprodukte werden in fast allen Branchen häufig eingesetzt: Maschinenbau, Metallurgie, Medizin.

In unserem Artikel haben wir herausgefunden, welche chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff und seinen Verbindungen in verschiedenen Bereichen der menschlichen Tätigkeit genutzt werden.