MOU "Nikiforovskaya átlagos általános iskola№1"

Szén és fő szervetlen vegyületei

Esszé

Elkészítette: 9B osztály tanulója

Sidorov Sándor

Tanár: Sakharova L.N.

Dmitrievka 2009

Bevezetés

I. fejezet Minden a szénről

1.1. szén a természetben

1.2. A szén allotróp módosulatai

1.3. A szén kémiai tulajdonságai

1.4. A szén alkalmazása

fejezet II. Szervetlen szénvegyületek

Következtetés

Irodalom

Bevezetés

Szén (lat. Carboneum) C - kémiai elem IV csoport periodikus rendszer Mengyelejev: 6-os rendszám, 12.011(1) atomtömeg. Tekintsük a szénatom szerkezetét. A szénatom külső energiaszintjén négy elektron található. Ábrázoljuk:

A szén ősidők óta ismert, és ennek az elemnek a felfedezőjének neve ismeretlen.

A XVII. század végén. Averani és Targioni firenzei tudósok megpróbáltak több kis gyémántot egy nagy gyémánttá olvasztani, és tűzüveggel hevítették őket. napsugarak. A gyémántok eltűntek, miután a levegőben égtek. 1772-ben A. Lavoisier francia kémikus kimutatta, hogy a gyémánt égése során CO 2 képződik. S. Tennant angol tudós csak 1797-ben bizonyította be a grafit és a szén természetének azonosságát. Egyenlő mennyiségű szén és gyémánt elégetése után a szén-monoxid (IV) térfogata azonosnak bizonyult.

A szénvegyületek sokfélesége, amelyet az atomjainak egymással és más elemek atomjaival való különböző módon történő egyesülési képessége magyaráz, meghatározza a szén különleges helyzetét az egyéb elemek között.

Fejezetén. Minden a szénről

1.1. szén a természetben

A szén a természetben szabad állapotban és vegyületek formájában is megtalálható.

A szabad szén gyémánt, grafit és karabély formájában fordul elő.

A gyémántok nagyon ritkák. A legnagyobb ismert gyémántot - a „Cullinant" -ot 1905-ben találták Dél-Afrikában, súlya 621,2 g, mérete 10 × 6,5 × 5 cm. A moszkvai Gyémánt Alap őrzi a világ egyik legnagyobb és legszebb gyémántját, az „Orlov"-ot (37,92). g).

A gyémánt nevét a görögről kapta. "adamas" - legyőzhetetlen, elpusztíthatatlan. A legjelentősebb gyémántlelőhelyek Dél-Afrikában, Brazíliában és Jakutföldön találhatók.

Nagy grafitlelőhelyek találhatók Németországban, Srí Lankán, Szibériában és Altajban.

A főbb széntartalmú ásványok: magnezit MgCO 3, kalcit (mészparázs, mészkő, márvány, kréta) CaCO 3, dolomit CaMg (CO 3) 2 stb.

Minden fosszilis tüzelőanyag – olaj, gáz, tőzeg, kő- és barnaszén, agyagpala – szén alapú. Összetételében a szénhez közel áll néhány olyan fosszilis szén, amely akár 99% C-ot is tartalmaz.

A szén a földkéreg 0,1%-át teszi ki.

Szén-monoxid (IV) formájában a szén a légkör része. A hidroszférában nagy mennyiségű CO 2 oldódik fel.

1.2. A szén allotróp módosulatai

Az elemi szén három allotróp módosulatot alkot: gyémánt, grafit, karabély.

1. A gyémánt színtelen, átlátszó kristályos anyag, amely rendkívül erősen töri meg a fénysugarakat. A gyémánt szénatomjai sp 3 hibridizációs állapotban vannak. A gerjesztett állapotban a szénatomokban lévő vegyértékelektronok elpárolognak, és négy párosítatlan elektron keletkezik. Amikor kémiai kötések jönnek létre, az elektronfelhők ugyanolyan hosszúkás alakot kapnak, és úgy helyezkednek el a térben, hogy tengelyeik a tetraéder csúcsai felé irányulnak. Amikor ezeknek a felhőknek a teteje átfedésben van más szénatomokból álló felhőkkel, kovalens kötések jelennek meg 109°28"-os szögben, és atomi kristályrács képződik, ami a gyémántra jellemző.

A gyémántban lévő minden egyes szénatomot négy másik körülvesz, amely a tetraéder középpontjától a csúcsok felé haladva helyezkedik el. A tetraéderben az atomok közötti távolság 0,154 nm. Minden kötés erőssége azonos. Így a gyémántban lévő atomok nagyon szorosan "pakolódnak". 20°C-on a gyémánt sűrűsége 3,515 g/cm 3 . Ez magyarázza kivételes keménységét. A gyémánt nem vezet jól elektromosság.

1961-ben a Szovjetunióban megkezdődött a szintetikus gyémántok ipari gyártása grafitból.

A gyémántok ipari szintézisénél több ezer MPa nyomást és 1500 és 3000 °C közötti hőmérsékletet használnak. Az eljárást katalizátorok jelenlétében hajtják végre, amelyek lehetnek bizonyos fémek, például Ni. A kialakult gyémántok nagy része apró kristályok és gyémántpor.

A gyémánt 1000 °C feletti levegő nélkül hevítve grafittá alakul. 1750°C-on a gyémánt gyorsan grafittá alakul.

A gyémánt szerkezete

2. A grafit szürkésfekete kristályos anyag, fémes fényű, tapintásra zsíros, keménysége még a papírnál is gyengébb.

A grafitkristályokban lévő szénatomok sp 2 hibridizációs állapotban vannak: mindegyik három kovalens σ kötést képez a szomszédos atomokkal. A kötési irányok közötti szögek 120°. Az eredmény egy szabályos hatszögekből álló rács. A rétegen belül a szomszédos szénatommagok közötti távolság 0,142 nm. A grafitban minden szénatom külső rétegének negyedik elektronja egy p-pályát foglal el, amely nem vesz részt a hibridizációban.

A szénatomok nem hibrid elektronfelhői a réteg síkjára merőlegesen orientálódnak, és egymással átfedve delokalizált σ-kötéseket alkotnak. A grafitkristály szomszédos rétegei 0,335 nm távolságra helyezkednek el egymástól, és gyengén kapcsolódnak egymáshoz, főleg van der Waals erők hatására. Ezért a grafit alacsony mechanikai szilárdságú, és könnyen szétesik pelyhekre, amelyek önmagukban nagyon erősek. A grafit szénatomjai közötti kötés részben fémes. Ez magyarázza azt a tényt, hogy a grafit jól vezeti az elektromosságot, de még mindig nem olyan jól, mint a fémek.

grafit szerkezet

A grafit fizikai tulajdonságai nagymértékben különböznek az irányokban - merőlegesen és párhuzamosan a szénatomok rétegeivel.

Levegő hozzáférés nélkül melegítve a grafit 3700°C-ig nem változik. Ezen a hőmérsékleten olvadás nélkül szublimál.

A mesterséges grafitot a legjobb minőségű kőszénből nyerik 3000°C-on elektromos kemencékben levegő hozzáférés nélkül.

A grafit termodinamikailag stabil a hőmérséklet és nyomás széles tartományában, ezért a szén szabványos állapotaként elfogadott. A grafit sűrűsége 2,265 g/cm 3 .

3. Carbin - finomszemcsés fekete por. Kristályszerkezetében a szénatomok váltakozó egyszeres és hármas kötéssel kapcsolódnak lineáris láncokká:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Ezt az anyagot először V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudrjavcev az 1960-as évek elején.

Ezt követően kimutatták, hogy a karabin különböző formákban létezhet, és poliacetilén és polikumulén láncokat is tartalmaz, amelyekben a szénatomok kettős kötéssel kapcsolódnak egymáshoz:

C=C=C=C=C=C=

Később a karabélyt megtalálták a természetben - a meteoritanyagban.

A Carbyne félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, fény hatására vezetőképessége jelentősen megnő. Különböző típusú kötések létezése és a szénatomok láncainak kristályrácsban való egymásra halmozásának különböző módjai miatt fizikai tulajdonságok karabély nagyon változatos lehet. 2000 °C feletti levegőhöz való hozzáférés nélkül melegítve a karabély stabil; körülbelül 2300 °C hőmérsékleten megfigyelhető a grafittá való átalakulása.

A természetes szén két izotópból áll

(98,892%) és (1,108%). Ezenkívül egy mesterségesen előállított radioaktív izotóp kisebb szennyeződéseit is találták a légkörben.

Korábban azt hitték, hogy a szén, a korom és a koksz összetételében közel áll a tiszta szénhez, és tulajdonságaikban különböznek a gyémánttól és a grafittól, a szén független allotróp módosulatát jelentik („amorf szén”). Azt találták azonban, hogy ezek az anyagok a legkisebb kristályos részecskékből állnak, amelyekben a szénatomok ugyanúgy kapcsolódnak egymáshoz, mint a grafitban.

4. Szén – finom eloszlású grafit. Széntartalmú vegyületek levegő hozzáférés nélküli hőbomlása során keletkezik. A szenek tulajdonságai jelentősen különböznek attól az anyagtól függően, amelyből nyerik, és az előállítás módjától függően. Mindig tartalmaznak olyan szennyeződéseket, amelyek befolyásolják tulajdonságaikat. A szén legfontosabb fajtái a koksz, a szén és a korom.

A kokszot a szén levegő hiányában történő hevítésével nyerik.

Faszén keletkezik, amikor a fát levegő hiányában hevítik.

A korom nagyon finom grafit kristályos por. Szénhidrogének (földgáz, acetilén, terpentin stb.) elégetésekor keletkezik, korlátozott levegő hozzáféréssel.

Az aktív szén porózus ipari adszorbensek, amelyek főleg szénből állnak. Az adszorpciót felületi abszorpciónak nevezzük. szilárd anyagok gázok és oldott anyagok. Az aktív szenet szilárd tüzelőanyagokból (tőzeg, barna- és kőszén, antracit), fából és termékeiből (szén, fűrészpor, papírgyártási hulladék), bőripari hulladékból, állati anyagokból, például csontokból nyerik. A nagy mechanikai szilárdsággal jellemezhető szenet kókuszdió és más diófélék héjából, gyümölcsök magjából állítják elő. A szén szerkezetét minden méretű pórus képviseli, azonban az adszorpciós kapacitást és adszorpciós sebességet a granulátum egységnyi tömegére vagy térfogatára jutó mikropórusok mennyisége határozza meg. Az aktív szén előállítása során az alapanyagot először hőkezelésnek vetik alá levegő hozzáférés nélkül, aminek eredményeként a nedvesség és részben a gyanta eltávolítható belőle. Ebben az esetben a szén nagy pórusú szerkezete képződik. A mikroporózus szerkezet kialakítása érdekében az aktiválást gázzal vagy gőzzel történő oxidációval vagy kémiai reagensekkel történő kezeléssel hajtják végre.

A szén számos allotróp módosulat kialakítására képes. Ezek a gyémánt (a leginert allotróp módosulat), a grafit, a fullerén és a karabély.

A szén és a korom amorf szén. A szénnek ebben az állapotban nincs rendezett szerkezete, és valójában a grafitrétegek legkisebb töredékeiből áll. A forró vízgőzzel kezelt amorf szenet aktív szénnek nevezzük. 1 gramm aktív szén a sok pórus jelenléte miatt több mint háromszáz teljes felülettel rendelkezik négyzetméter! Különféle anyagok felszívó képessége miatt az aktív szenet széles körben használják szűrőtöltőként, valamint enteroszorbensként. különféle típusok mérgezés.

Kémiai szempontból az amorf szén a legaktívabb formája, a grafit közepes aktivitású, a gyémánt pedig rendkívül inert anyag. Emiatt az alábbiakban tárgyaljuk Kémiai tulajdonságok a szenet elsősorban az amorf szénnek kell tulajdonítani.

A szén tulajdonságainak csökkentése

Redukálószerként a szén nemfémekkel, például oxigénnel, halogénekkel és kénnel reagál.

A szén égetése során fellépő oxigéntöbblettől vagy -hiánytól függően a szén-monoxid CO ill szén-dioxid CO2:

Amikor a szén fluorral reagál, szén-tetrafluorid képződik:

Ha a szenet kénnel hevítik, szén-diszulfid CS 2 képződik:

A szén az alumínium után képes redukálni a fémeket az oxidjaikból. Például:

A szén az aktív fémek oxidjaival is reagál, azonban ebben az esetben általában nem a fém redukciója figyelhető meg, hanem karbidjának képződése:

A szén kölcsönhatása nemfém-oxidokkal

A szén a szén-dioxiddal CO 2 együtt arányos reakcióba lép:

Ipari szempontból az egyik legfontosabb folyamat az ún szén gőzreformálása. Az eljárást úgy hajtják végre, hogy forró szénen vízgőzt vezetnek át. Ebben az esetben a következő reakció megy végbe:

Magas hőmérsékleten a szén még olyan inert vegyületet is képes redukálni, mint a szilícium-dioxid. Ebben az esetben a körülményektől függően szilícium vagy szilícium-karbid képződése lehetséges ( karborundum):

Ezenkívül a szén, mint redukálószer, reakcióba lép oxidáló savakkal, különösen tömény kénsavval és salétromsav:

A szén oxidáló tulajdonságai

A szén kémiai elem nem erősen elektronegatív, így az általa alkotott egyszerű anyagok ritkán mutatnak oxidáló tulajdonságokat más nemfémekhez képest.

Az ilyen reakciókra példa az amorf szén kölcsönhatása hidrogénnel, ha katalizátor jelenlétében hevítik:

valamint szilíciummal 1200-1300 C körüli hőmérsékleten:

A szén a fémekhez képest oxidáló tulajdonságokat mutat. A szén képes reagálni aktív fémekkel és néhány közepes aktivitású fémmel. A reakciók hevítéskor mennek végbe:

Az aktív fémkarbidokat víz hidrolizálja:

valamint nem oxidáló savak oldatai:

Ebben az esetben olyan szénhidrogének keletkeznek, amelyek ugyanolyan oxidációs állapotú szenet tartalmaznak, mint az eredeti karbidban.

A szilícium kémiai tulajdonságai

Létezhet szilícium, valamint szén kristályos és amorf állapotban, és akárcsak a szén esetében, az amorf szilícium is lényegesen kémiailag aktívabb, mint a kristályos szilícium.

Néha az amorf és kristályos szilíciumot allotróp módosulatainak nevezik, ami szigorúan véve nem teljesen igaz. Az amorf szilícium lényegében a kristályos szilícium legkisebb részecskéinek konglomerátuma, amelyek egymáshoz képest véletlenszerűen vannak elrendezve.

A szilícium kölcsönhatása egyszerű anyagokkal

nem fémek

Nál nél normál körülmények között A szilícium tehetetlensége miatt csak fluorral reagál:

A szilícium csak melegítés közben lép reakcióba klórral, brómmal és jóddal. Jellemző, hogy a halogén aktivitásától függően ennek megfelelően eltérő hőmérséklet szükséges:

Tehát klórral a reakció 340-420 o C-on megy végbe:

Brómmal - 620-700 o C:

Jóddal - 750-810 o C:

Minden szilícium-halogenid vízzel könnyen hidrolizálható:

valamint lúgos oldatok:

A szilícium és az oxigén reakciója végbemegy, de nagyon erős melegítést igényel (1200-1300 °C), mivel az erős oxidfilm megnehezíti a kölcsönhatást:

1200-1500 ° C hőmérsékleten a szilícium lassan kölcsönhatásba lép a szénnel grafit formájában, és karborundum SiC-t képez - egy olyan anyagot, amelynek atomi kristályrácsa hasonló a gyémánthoz, és szinte nem rosszabb, mint az erőssége:

A szilícium nem lép reakcióba hidrogénnel.

fémek

Alacsony elektronegativitása miatt a szilícium csak a fémekkel szemben mutathat oxidáló tulajdonságokat. A fémek közül a szilícium reagál aktív (alkáli és alkáliföldfém), valamint sok közepes aktivitású fémmel. A kölcsönhatás eredményeként szilicidek képződnek:

Az aktív fémek szilicidjei könnyen hidrolizálhatók vízzel vagy nem oxidáló savak híg oldatával:

Ebben az esetben a SiH 4 gázszilán képződik - a metán CH 4 analógja.

A szilícium kölcsönhatása összetett anyagokkal

A szilícium még forraláskor sem lép reakcióba vízzel, azonban az amorf szilícium kölcsönhatásba lép a túlhevített vízgőzzel körülbelül 400-500 °C hőmérsékleten. Ez hidrogént és szilícium-dioxidot termel:

Az összes sav közül a szilícium (amorf állapotában) csak tömény hidrogén-fluoriddal reagál:

A szilícium koncentrált lúgos oldatokban oldódik. A reakciót hidrogénfejlődés kíséri.

A szén az elemek periódusos rendszerében a második periódusban található az IVA csoportban. A szénatom elektronikus konfigurációja ls 2 2s 2 2p 2 . Gerjesztésekor könnyen elérhető egy olyan elektronikus állapot, amelyben négy párosítatlan elektron van a négy külső atompályán:

Ez megmagyarázza, hogy a vegyületekben a szén általában négy vegyértékű. A szénatomban lévő vegyértékelektronok számának egyenlősége a vegyértékpályák számával, valamint a magtöltés és az atom sugarának egyedi aránya lehetővé teszi számára, hogy ugyanolyan könnyen hozzáadjon és adjon elektronokat, attól függően, hogy a partner tulajdonságait (9.3.1. szakasz). Ennek eredményeként a szenet különböző oxidációs állapotok jellemzik -4 és +4 között, valamint a hibridizáció egyszerűsége. atomi pályák típus sp3,sp2És sp 1 kémiai kötések kialakulása során (2.1.3. szakasz):

Mindez lehetővé teszi a szénnek, hogy egyszeres, kettős és hármas kötéseket hozzon létre nemcsak egymás között, hanem más organogén elemek atomjaival is. Az ilyenkor keletkező molekulák lineáris, elágazó és ciklikus szerkezetűek lehetnek.

A közös elektronok mobilitása miatt - a szénatomok részvételével képződő MO - egy elektronegatívabb elem atomja felé tolódnak el (induktív hatás), ami nemcsak ennek a kötésnek, hanem a molekula egészének polaritásához vezet. . A szén azonban az elektronegativitás átlagértéke (0E0 = 2,5) miatt gyengén poláris kötéseket képez más organogén elemek atomjaival (12.1. táblázat). Konjugált kötésrendszerek jelenlétében a molekulákban (2.1.3. fejezet), a mobil elektronok (MO-k) és a meg nem osztott elektronpárok delokalizálódnak az elektronsűrűség és a kötéshosszok egymáshoz igazodásával ezekben a rendszerekben.

A vegyületek reaktivitása szempontjából fontos szerepet játszik a kötések polarizálhatósága (2.1.3. fejezet). Minél nagyobb egy kötés polarizálhatósága, annál nagyobb a reakcióképessége. A széntartalmú kötések polarizálhatóságának természetétől való függése a következő sorozatot tükrözi:

A széntartalmú kötések tulajdonságaira vonatkozó összes figyelembe vett adat arra utal, hogy a vegyületekben lévő szén egyrészt kellően erős kovalens kötéseket képez egymással és más organogénekkel, másrészt e kötések közös elektronpárjaival. meglehetősen labilisak. Ennek eredményeként ezeknek a kötéseknek a reaktivitása és stabilizálódása egyaránt megnőhet. A széntartalmú vegyületeknek ezek a tulajdonságai teszik a szenet az első számú szerves vegyületté.

A szénvegyületek sav-bázis tulajdonságai. A szén-monoxid(4) savas oxid, a megfelelő hidroxid, a szénsav H2CO3 pedig gyenge sav. A szén-monoxid(4) molekula nem poláris, ezért vízben rosszul oldódik (298 K-en 0,03 mol/l). Ebben az esetben először az oldatban CO2 H2O hidrát képződik, amelyben a CO2 a vízmolekulák társult üregében van, majd ez a hidrát lassan és reverzibilisen H2CO3-dá alakul. A vízben oldott szén-monoxid (4) nagy része hidrát formában van.

A szervezetben, a vér eritrocitáiban a karboanhidráz enzim hatására nagyon gyorsan kialakul az egyensúly a CO2 H2O és a H2CO3 hidrát között. Ez lehetővé teszi, hogy figyelmen kívül hagyjuk a CO2 jelenlétét hidrát formájában az eritrocitákban, de nem a vérplazmában, ahol nincs szénsav-anhidráz. A keletkező H2CO3 fiziológiás körülmények között bikarbonát anionná, lúgosabb környezetben karbonát anionná disszociál:

A szénsav csak oldatban létezik. Két sósorozatot képez - bikarbonátokat (NaHCO3, Ca(HC0 3) 2) és karbonátokat (Na2CO3, CaCO3). A bikarbonátok jobban oldódnak vízben, mint a karbonátok. Só vizes oldatában szénsav A karbonátokat az anion könnyen hidrolizálja, így lúgos környezet jön létre:

Olyan anyagok, mint a NaHC03 szódabikarbóna; kréta CaCO3, fehér magnézia 4MgC03 * Mg (OH) 2 * H2O, képződéssel hidrolizált lúgos környezet savlekötőkként (semlegesítő savakként) használják a gyomornedv magas savasságának csökkentésére:

A szénsav és a bikarbonát ion (Н2СО3, НСО3(-)) kombinációja bikarbonát pufferrendszert képez (8.5. szakasz) - a vérplazma csodálatos pufferrendszerét, amely biztosítja a vér pH-jának állandóságát pH = 7,40 ± 0,05 értéken.

A természetes vizekben a kalcium- és magnézium-hidrogén-karbonát jelenléte meghatározza azok átmeneti keménységét. Az ilyen víz felforralásakor a keménysége megszűnik. Ennek oka a HCO3 (-) anion hidrolízise, ​​a szénsav hőbomlása, valamint a kalcium- és magnéziumkationok oldhatatlan CaCO 3 és Mg (OH) 2 vegyületek formájában történő kiválása:

A Mg(OH) 2 képződését a magnéziumkation teljes hidrolízise okozza, amely ilyen körülmények között a Mg(0H)2 MgC0 3-hoz képest kisebb oldhatósága miatt megy végbe.

Az orvosbiológiai gyakorlatban a szénsav mellett más széntartalmú savakkal is foglalkozni kell. Ez elsősorban a különféle szerves savak széles választéka, valamint a hidrogén-cianid-HCN. A savas tulajdonságok szempontjából ezeknek a savaknak az erőssége eltérő:

Ezek a különbségek okai kölcsönös befolyásolás a molekulában lévő atomok, a disszociáló kötés természete és az anion stabilitása, azaz töltésdelokalizációs képessége.

Hidrocianid, vagy hidrogén-cianid, HCN - színtelen, illékony folyadék (T bála = 26 °C) keserűmandula illatú, vízzel bármilyen arányban elegyedik. Vizes oldatokban nagyon gyenge savként viselkedik, melynek sóit cianidoknak nevezik. Az alkáli- és alkáliföldfémek cianidjai vízben oldódnak, miközben az anion hidrolizálja őket, aminek következtében vizes oldatok hidrogén-cianid szagú (keserű mandula illata), és pH-értéke >12:

A levegőben lévő CO2-nak való hosszan tartó expozíció esetén a cianidok hidrogén-cianid felszabadulásával bomlanak le:

E reakció eredményeként a kálium-cianid (kálium-cianid) és oldatai a hosszú távú tárolás során elvesztik mérgező hatásukat. A cianid-anion az egyik legerősebb szervetlen méreg, mivel aktív ligandum és könnyen képez stabil komplex vegyületeket Fe3+ és Сu2(+) komplexképző ionokat tartalmazó enzimekkel (Sec. 10.4).

redox tulajdonságok. Mivel a vegyületekben lévő szén bármilyen -4 és +4 közötti oxidációs állapotot mutathat, a szabad szén a reakció során elektronokat is adhat és hozzáadhat, redukálószerként vagy oxidálószerként működve, a második reagens tulajdonságaitól függően:

Ha erős oxidálószerek szerves anyagokkal lépnek kölcsönhatásba, akkor ezeknek a vegyületeknek a szénatomjai nem teljes vagy teljes oxidációja következhet be.

Az anaerob oxidáció körülményei között oxigén hiányában vagy hiányában egy szerves vegyület szénatomja, az ezekben a vegyületekben lévő oxigénatomok mennyiségétől és a külső körülményektől függően, CO 2, CO, C, sőt CH 4-vé alakulhat, és más organogének H2O, NH3 és H2S alakulnak át.

Teljes oxidáció a szervezetben szerves vegyületek Az oxigén oxidáz enzimek jelenlétében (aerob oxidáció) a következő egyenlettel írható le:

Az oxidációs reakciók fenti egyenleteiből látható, hogy a szerves vegyületekben csak a szénatomok változtatják meg az oxidációs állapotot, míg a többi organogének atomjai megtartják oxidációs állapotukat.

A hidrogénezési reakciókban, azaz a hidrogén (redukálószer) többszörös kötéshez való hozzáadásakor az azt alkotó szénatomok csökkentik oxidációs állapotukat (oxidálószerként működnek):

Az új szénközi kötés megjelenésével járó szerves szubsztitúciós reakciók, például a Wurtz-reakcióban, szintén redoxreakciók, amelyekben a szénatomok oxidálószerként, a fématomok pedig redukálószerként működnek:

Hasonló jelenség figyelhető meg a képződési reakciókban is fémorganikus vegyületek:

Ugyanakkor az új szénközi kötés kialakulásával járó alkilezési reakciókban az oxidálószer és a redukálószer szerepét a szubsztrát és a reagens szénatomjai játsszák:

A poláris reagensnek a szubsztrátumhoz többszörös szénközi kötésen keresztül történő hozzáadásának reakciói eredményeként az egyik szénatom csökkenti az oxidáció mértékét, ami egy oxidálószer tulajdonságait mutatja, a másik pedig növeli az oxidáció mértékét, redukálószer:

Ezekben az esetekben a szubsztrát szénatomjainak intramolekuláris oxidációjának-redukciójának reakciója megy végbe, azaz a folyamat diszmutációk, redox tulajdonságokat nem mutató reagens hatására.

A szerves vegyületek szénatomjaik rovására történő intramolekuláris diszmutációjának tipikus reakciói az aminosavak vagy ketosavak dekarboxilezési reakciói, valamint a szerves vegyületek átrendeződési és izomerizációs reakciói, amelyeket a fejezetben tárgyaltunk. 9.3. A szerves reakciókra adott példák, valamint a Sec. 9.3 meggyőzően jelzik, hogy a szerves vegyületek szénatomjai egyaránt lehetnek oxidáló és redukáló szerek.

Szénatom egy vegyületben- oxidálószer, ha a reakció eredményeként a kevésbé elektronegatív elemek (hidrogén, fémek) atomjaival megnövekszik a kötéseinek száma, mivel ezeknek a kötéseknek a közös elektronjait vonzva a szóban forgó szénatom csökkenti oxidációs állapotát .

Szénatom egy vegyületben- redukálószer, ha a reakció eredményeként megnövekszik a kötéseinek száma több elektronegatív elem atomjaival(C, O, N, S), mert e kötések közös elektronjait eltolva a szóban forgó szénatom megnöveli az oxidációs állapotát.

Így a szerves kémiában számos reakció a szénatomok redox kettőssége miatt redox reakció. Ezekkel a reakciókkal ellentétben azonban szervetlen kémia, a szerves vegyületekben az oxidálószer és a redukálószer közötti elektronok újraeloszlása ​​csak a kémiai kötés közös elektronpárjának az oxidálószerként működő atom felé való eltolódásával járhat együtt. Ahol ezt a kapcsolatot konzerválható, de erős polarizációja esetén eltörhet.

A szénvegyületek komplexképző tulajdonságai. A vegyületek szénatomjában nincsenek megosztatlan elektronpárok, ezért csak a több kötést tartalmazó szénvegyületek működhetnek ligandumként. A komplexképződés folyamataiban különösen aktívak a szén-monoxid (2) hármas poláris kötésének elektronjai és a hidrogén-cianid anionja.

Egy szén-monoxid(2) molekulában a szén- és oxigénatomok egy és egy kötést alkotnak a két 2p atomos pályájuk kölcsönös átfedése miatt a cseremechanizmus révén. A harmadik kötést, vagyis még egy kötést a donor-akceptor mechanizmus hozza létre. Az akceptor a szénatom szabad 2p atomi pályája, a donor pedig az oxigénatom, amely egy magányos elektronpárt biztosít a 2p pályáról:

A megnövekedett kötési sokféleség nagy stabilitást és inertséget biztosít ennek a molekulának normál körülmények között a sav-bázis (CO - nem sóképző oxid) és a redox tulajdonságok (CO - redukálószer) tekintetében. T > 1000 K). Ugyanakkor aktív ligandummá teszi a d-fémek atomjaival és kationjaival, elsősorban a vassal komplexképződési reakciókban, mellyel vas-pentakarbonil, illékony mérgező folyadék keletkezik:

Nevelési képesség összetett vegyületek A d-fém kationokkal a szén-monoxid (H) élő rendszerekre gyakorolt ​​toxicitásának oka (Sec. 10.4) szivárgás miatt reverzibilis reakciók Fe 2+ kationt tartalmazó hemoglobinnal és oxihemoglobinnal karboxihemoglobint képezve:

Ezek az egyensúlyok a karboxihemoglobin HHbCO képződése felé tolódnak el, amelynek stabilitása 210-szer nagyobb, mint az oxihemoglobin HHbO2 stabilitása. Ez a karboxihemoglobin felhalmozódásához vezet a vérben, és ennek következtében csökken az oxigénszállító képessége.

A hidrogén-cianid-anion CN- könnyen polarizálható - elektronokat is tartalmaz, amelyek miatt hatékonyan képez komplexeket d-fémekkel, beleértve az enzimek részét képező életfémeket is. Ezért a cianidok erősen mérgező vegyületek (10.4. szakasz).

A szén körforgása a természetben. A természetben a szén körforgása elsősorban a szén oxidációs és redukciós reakcióin alapul (12.3. ábra).

A növények (1) szén-monoxidot (4) asszimilálnak a légkörből és a hidroszférából. A növényi tömeg egy részét (2) az ember és az állatok fogyasztják. Az állatok légzése és maradványaik korhadása (3), valamint a növények légzése, az elhalt növények korhadása és a fa elégetése (4) visszavezeti a CO2-t a légkörbe és a hidroszférába. A növények (5) és állatok (6) maradványainak mineralizációja tőzeg, fosszilis szén, olaj, gáz képződésével a szén természeti erőforrásokká való átalakulásához vezet. A CO2 és a különböző kőzetek között karbonátok (közeg, savas és lúgos) képződésével lejátszódó sav-bázis reakciók (7) ugyanabban az irányban hatnak:

A ciklusnak ez a szervetlen része CO2-veszteséghez vezet a légkörben és a hidroszférában. A szén, olaj, gáz (8), tűzifa (4) égetésével és feldolgozásával kapcsolatos emberi tevékenység éppen ellenkezőleg, szén-monoxiddal (4) gazdagítja a környezetet. Sokáig azt hitték, hogy a fotoszintézis állandóan tartja a légkör CO2-koncentrációját. Jelenleg azonban a légkör CO2-tartalmának emberi tevékenység miatti növekedését nem kompenzálja annak természetes csökkenése. Teljes bevétel A CO2 a légkörben megemelkedik geometriai progresszióévi 4-5%-kal. Számítások szerint 2000-ben a légkör CO2-tartalma megközelítőleg eléri a 0,04%-ot az 1990-es 0,03% helyett.

A széntartalmú vegyületek tulajdonságainak és jellemzőinek átgondolása után ismét hangsúlyozni kell a szén vezető szerepét.

Rizs. 12.3. A szén körforgása természet

1. számú organogén: először is a szénatomok alkotják a szerves vegyületek molekuláinak vázát; másodsorban a szénatomok kulcsszerepet játszanak a redox folyamatokban, hiszen az összes organogén atomjai közül a szénre a legjellemzőbb a redox kettősség. A szerves vegyületek tulajdonságaival kapcsolatos további információkért lásd a IV. modult "A bioszerves kémia alapjai".

Általános jellemzők valamint az IVA csoport p-elemeinek biológiai szerepe. A szén elektronikus analógjai az IVA csoport elemei: szilícium Si, germánium Ge, ón Sn és ólom Pb (lásd 1.2. táblázat). Ezen elemek atomsugara a rendszám növekedésével természetesen növekszik, míg ionizációs energiájuk és elektronegativitásuk ebben az esetben természetesen csökken (1.3. fejezet). Ezért a csoport első két eleme: a szén és a szilícium tipikus nemfémek, a germánium, ón, ólom pedig fémek, mivel leginkább az elektronok visszatérése jellemzi őket. A Ge - Sn - Pb sorozatban a fémes tulajdonságok javulnak.

A redox tulajdonságok szempontjából a C, Si, Ge, Sn és Pb elemek normál körülmények között meglehetősen stabilak levegővel és vízzel szemben (fémek Sn és Pb - a felületen oxidfilm képződése miatt). Ugyanakkor az ólom(4) vegyületek erős oxidálószerek:

A komplexképző tulajdonságok leginkább az ólomra jellemzőek, mivel Pb 2+ kationjai erős komplexképzők az IVA csoport többi p-elemének kationjaihoz képest. Az ólomkationok stabil komplexeket képeznek a bioligandumokkal.

Az IVA csoport elemei élesen különböznek mind a szervezetben lévő tartalomban, mind biológiai szerepükben. A szén alapvető szerepet játszik a szervezet életében, amelynek tartalma körülbelül 20%. Az IVA csoport többi elemének törzstartalma 10 -6 -10 -3% tartományban van. Ugyanakkor, ha kétségtelenül játszik a szilícium és a germánium fontos szerep a szervezet életében, akkor az ón és különösen az ólom mérgező. Így az IVA csoport elemeinek atomtömegének növekedésével vegyületeik toxicitása nő.

A szén vagy szilícium-dioxid SiO2 részecskéiből álló por, ha szisztematikusan érintkezik a tüdővel, betegségeket - pneumokoniózist - okoz. A szénpor esetében ez antrakózis, a bányászok foglalkozási megbetegedése. Szilikózis akkor lép fel, amikor a Si02-t tartalmazó port belélegzik. A pneumokoniózis kialakulásának mechanizmusát még nem állapították meg. Feltételezhető, hogy a szilikátszemcsék biológiai folyadékokkal való hosszan tartó érintkezésekor gélszerű állapotban Si02 yH2O polikovasav képződik, amelynek a sejtekben történő lerakódása a sejtpusztuláshoz vezet.

Az ólom mérgező hatása nagyon régóta ismert az emberiség előtt. Az ólom felhasználása edények és vízvezetékek gyártásához az emberek tömeges mérgezéséhez vezetett. Jelenleg az ólom továbbra is az egyik fő szennyezőanyag környezet, mivel az ólomvegyületek légkörbe történő kibocsátása meghaladja a 400 000 tonnát évente. Az ólom főleg a csontvázban halmozódik fel rosszul oldódó Pb3(PO4)2 foszfát formájában, és a csontok demineralizációja során rendszeres mérgező hatást fejt ki a szervezetre. Ezért az ólom halmozott méregnek minősül. Az ólomvegyületek toxicitása elsősorban komplexképző tulajdonságaival és bioligandumokkal szembeni nagy affinitásával függ össze, különösen a szulfhidril-csoportokat (-SH) tartalmazókkal szemben:

Az ólomionok komplex vegyületeinek képződése fehérjékkel, foszfolipidekkel és nukleotidokkal ezek denaturálásához vezet. Az ólomionok gyakran gátolják az EM 2+ metalloenzimeket, kiszorítva belőlük az életfémkationokat:

Az ólom és vegyületei mérgek, amelyek elsősorban a idegrendszer, erek és vér. Az ólomvegyületek ugyanakkor befolyásolják a fehérjeszintézist, a sejtek energiaegyensúlyát és genetikai apparátusát.

Az orvostudományban összehúzó hatású külső antiszeptikumként használják őket: ólom-acetát Pb (CH3COO) 2 ZH2O (ólomápoló krémek) és ólom (2) oxid PbO (ólomvakolat). Ezen vegyületek ólomionjai reakcióba lépnek a mikrobiális sejtek és szövetek citoplazmájának fehérjéivel (albuminokkal), gélszerű albuminátokat képezve. A gélek képződése elpusztítja a mikrobákat, ráadásul megnehezíti a szövetsejtekbe való behatolásukat, ami csökkenti a helyi gyulladásos választ.

Fontos terület praktikus alkalmazás legújabb felfedezések a fizika, a kémia, sőt a csillagászat területén - szokatlan, néha egyedi tulajdonságokkal rendelkező új anyagok létrehozása és tanulmányozása. Az uráli szövetségi egyetemmel együttműködve készített cikksorozatban fogunk elmondani arról, hogy milyen irányban végzik ezeket a munkákat, és mit sikerült elérniük a tudósoknak. Első szövegünk olyan szokatlan anyagoknak szól, amelyek a legáltalánosabb anyagból, a szénből nyerhetők.

Ha megkérdezünk egy vegyészt, hogy melyik elem a legfontosabb, sokféle választ kaphatunk. Valaki azt fogja mondani a hidrogénről - a világegyetem leggyakoribb eleméről, valaki az oxigénről - a földkéreg leggyakoribb eleméről. De leggyakrabban a "szén" választ fogja hallani - ő az, aki minden szerves anyag mögött áll, a DNS-től és a fehérjéktől az alkoholokig és szénhidrogénekig.

Cikkünket ennek az elemnek a változatos megjelenési formáinak szenteljük: kiderül, hogy pusztán atomjaiból tucatnyi különböző anyag építhető fel - grafittól gyémántig, karbintól fullerénekig és nanocsövekig. Bár mindegyik teljesen azonos szénatomokból áll, tulajdonságaik gyökeresen eltérőek - és ebben nagy szerepe van az atomok elrendezésének az anyagban.

Grafit

A természetben a tiszta szén leggyakrabban grafit formájában található meg – ez egy puha fekete anyag, amely könnyen hámlik, és tapintásra csúszósnak tűnik. Sokan emlékezhetnek arra, hogy a ceruza vezetékei grafitból készülnek – de ez nem mindig igaz. Az ólom gyakran grafitforgácsból és ragasztóból készül, de vannak teljesen grafit ceruzák is. Érdekes módon a világ természetes grafittermelésének több mint egyhuszadát ceruzára költik.

Mi a különleges a grafitban? Először is jól vezeti az elektromosságot – bár maga a szén nem olyan, mint a többi fém. Ha egy grafitlapot veszünk, akkor kiderül, hogy a vezetőképesség síkja mentén körülbelül százszor nagyobb, mint keresztirányban. Ez közvetlenül összefügg az anyag szénatomjainak elrendezésével.

Ha megnézzük a grafit szerkezetét, látni fogjuk, hogy különálló, egy atom vastagságú rétegekből áll. Mindegyik réteg hatszögekből álló rács, amely méhsejtre emlékeztet. A rétegben lévő szénatomok kovalens kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Sőt, a kémiai kötést biztosító elektronok egy része "elkenődik" az egész síkon. Mozgásuk könnyűsége határozza meg a grafit magas vezetőképességét a szénpelyhek síkja mentén.

A különálló rétegek a van der Waals erők miatt kapcsolódnak egymáshoz - sokkal gyengébbek, mint a szokásos kémiai kötés, de elegendőek ahhoz, hogy a grafitkristály ne váljon le spontán módon. Egy ilyen eltérés ahhoz a tényhez vezet, hogy az elektronok sokkal nehezebben mozognak a síkra merőlegesen - az elektromos ellenállás 100-szorosára nő.

Elektromos vezetőképessége, valamint más elemek atomjainak rétegek közé való beágyazásának képessége miatt a grafitot lítium-ion akkumulátorok és más áramforrások anódjaként használják. A grafitelektródák nélkülözhetetlenek a fémes alumínium gyártásához – és még a trolibuszok is használják az áramgyűjtők grafit csúszóérintkezőit.

Ezenkívül a grafit egy olyan diamágnes, amely az egyik legnagyobb szuszceptibilitású egységnyi tömegre vetítve. Ez azt jelenti, hogy ha egy grafitdarabot mágneses térbe helyezünk, akkor az minden lehetséges módon megpróbálja ezt a mezőt kiszorítani magából - egészen addig a pontig, hogy a grafit lebeghessen egy kellően erős mágnesen.

A grafit utolsó fontos tulajdonsága pedig a hihetetlen tűzállósága. A leginkább tűzálló anyag ma a hafnium-karbidok egyike, amelynek olvadáspontja körülbelül 4000 Celsius fok. Ha azonban megpróbálja megolvasztani a grafitot, akkor körülbelül száz atmoszféra nyomáson megőrzi keménységét 4800 Celsius fokig (légköri nyomáson a grafit szublimál - elpárolog, megkerülve a folyékony fázist). Ennek eredményeként grafit alapú anyagokat használnak például a rakétafúvókák testében.

gyémánt

Sok nyomás alatt álló anyag elkezdi megváltoztatni atomi szerkezetét - fázisátalakulás következik be. A grafit ebben az értelemben nem különbözik más anyagoktól. Százezer atmoszféra nyomáson és 1-2 ezer Celsius fokos hőmérsékleten a szénrétegek közeledni kezdenek egymáshoz, kémiai kötések, és ha egyszer a sima síkok hullámossá válnak. Gyémánt keletkezik, a szén egyik legszebb formája.

A gyémánt tulajdonságai gyökeresen eltérnek a grafitétól – ez egy kemény átlátszó anyag. Rendkívül nehéz megkarcolni (a Mohs keménységi skála 10-es tulajdonosa, ez a maximális keménység). Ugyanakkor a gyémánt és a grafit elektromos vezetőképessége kvintillió tényezővel különbözik (ez egy 18 nullát tartalmazó szám).

Gyémánt sziklában

Wikimedia Commons

Ez határozza meg a gyémántok felhasználását: a bányászott és mesterséges gyémántok nagy részét a fémmegmunkálásban és más iparágakban használják fel. Például széles körben elterjedtek a gyémántporral vagy bevonattal ellátott csiszolókorongok és vágószerszámok. A gyémánt bevonatokat még a sebészetben is használják - szikéhez. Ezeknek a köveknek az ékszeriparban való felhasználása mindenki számára jól ismert.

A bámulatos keménységet a tudományos kutatások is használják – a laboratóriumok kiváló minőségű gyémántok segítségével vizsgálják az anyagokat több millió atmoszféra nyomáson. Erről bővebben a "" anyagunkban olvashat.

Grafén

A grafit tömörítése és hevítése helyett mi, Andrey Geim és Konstantin Novoselov nyomán, egy ragasztószalagot ragasztunk a grafitkristályra. Ezután hámozzuk le – vékony grafitréteg marad a ragasztószalagon. Ismételjük meg ezt a műveletet még egyszer - a ragasztószalagot vékony rétegre ragasztjuk, és újra lehúzzuk. A réteg még vékonyabb lesz. Az eljárást még néhányszor megismételve grafént kapunk - azt az anyagot, amelyért a már említett brit fizikusok 2010-ben Nobel-díjat kaptak.

A grafén egy lapos egyrétegű szénatom, teljesen azonos a grafit atomrétegeivel. Népszerűsége a benne lévő elektronok szokatlan viselkedésének köszönhető. Úgy mozognak, mintha egyáltalán nem lenne tömegük. A valóságban természetesen az elektronok tömege ugyanaz marad, mint bármely anyagban. Mindenért a grafénváz szénatomjai a felelősek, vonzzák magukhoz a töltött részecskéket, és speciális periodikus mezőt képeznek.

Grafén alapú készülék. A fotó hátterében arany érintkezők, felettük grafén, felül vékony polimetil-metakrilát réteg

Mérnöki munka a Cambridge-ben / flickr.com

Ennek a viselkedésnek a következménye az elektronok nagy mobilitása volt - a grafénben sokkal gyorsabban mozognak, mint a szilíciumban. Emiatt sok tudós azt reméli, hogy a grafén lesz a jövő elektronikájának alapja.

Érdekes módon a grafénnek vannak szén megfelelői – és. Ezek közül az első enyhén torz ötszögletű szakaszokból áll, és a graféntől eltérően rossz elektromos vezető. A fagrafén öt-, hat- és hétszögletű szakaszokból áll. Ha a grafén tulajdonságai minden irányban azonosak, akkor a fagrafén tulajdonságainak kifejezett anizotrópiája lesz. Mindkét anyagot elméletileg megjósolták, de a valóságban még nem léteznek.

Szilícium egykristály töredéke (az előtérben) szén nanocsövek függőleges tömbjén

szén nanocsövek

Képzelje el, hogy egy kis darab grafénlapot egy csőbe teker, és a végeit összeragasztotta. Az eredmény egy üreges szerkezet, amely ugyanazokból a szénatomokból álló hatszögekből áll, mint a grafén és a grafit – egy szén nanocső. Ez az anyag sok tekintetben rokon a grafénnel – nagy a mechanikai szilárdsága (mikor azt javasolták, hogy szén nanocsövekből építsenek liftet az űrbe), nagy az elektronmobilitása.

Van azonban egy szokatlan tulajdonsága. A grafénlap egy képzeletbeli éllel párhuzamosan (az egyik hatszög oldalával) vagy szögben csavarható. Kiderült, hogy az, ahogyan egy szén nanocsövet csavarunk, nagyban befolyásolja annak elektronikus tulajdonságait, nevezetesen: inkább egy sávközű félvezetőnek vagy fémnek fog kinézni.

Többrétegű szén nanocső

Wikimedia Commons

A szén nanocsövek első megfigyelésének időpontja nem ismert pontosan. Az 1950-es és 1980-as években a szénhidrogénes reakciók (például metán pirolízis) katalizálásában részt vevő kutatók különböző csoportjai felfigyeltek a katalizátort bevonó korom megnyúlt szerkezeteire. Most, hogy csak egy meghatározott típusú (egy meghatározott kiralitású) szén nanocsöveket szintetizáljanak, a vegyészek speciális magvak használatát javasolják. Ezek kis molekulák gyűrűk formájában, amelyek viszont hatszögletű benzolgyűrűkből állnak. Olvashat például a szintézisükön végzett munkáról.

A grafénhez hasonlóan a szén nanocsövek is nagyszerűen alkalmazhatók a mikroelektronikában. Már elkészültek az első nanocsövekre épülő tranzisztorok, amelyek tulajdonságaikat tekintve hagyományos szilícium eszközök. Ezenkívül a nanocsövek képezték a tranzisztor alapját.

Karabély

Ha a szénatomok megnyúlt szerkezeteiről beszélünk, nem szabad megemlíteni a karabélyokat. Ezek lineáris láncok, amelyek a teoretikusok szerint a lehető legerősebb anyagnak bizonyulhatnak (fajlagos szilárdságról beszélünk). Például a Young-modulus a karabélyra kilogrammonként 10 giganewtonra becsülhető. Az acél esetében ez a szám 400-szor kevesebb, a grafén esetében - legalább kétszer kevesebb.

Az alatta lévő vasrészecskéig nyúló vékony szál - karabély

Wikimedia Commons

A karbinok kétféleek, attól függően, hogy a szénatomok közötti kötések hogyan helyezkednek el. Ha a láncban az összes kötés egyforma, akkor kumulénről beszélünk, de ha a kötések váltakoznak (egy-hármas-egy-hármas, és így tovább), akkor poliinokról beszélünk. A fizikusok kimutatták, hogy a karabélyszál deformációval „átkapcsolható” e két típus között – feszítéskor a kumulén poliinná alakul. Érdekes módon ez gyökeresen megváltozik elektromos tulajdonságok karabély. Ha a poliin vezeti az elektromosságot, akkor a kumulén dielektrikum.

A karbinek tanulmányozásának fő nehézsége az, hogy nagyon nehéz szintetizálni. Ez kémiai hatóanyagokés könnyen oxidálódnak. Ma a láncok mindössze hatezer atom hosszúak. Ennek eléréséhez a vegyészeknek karbynt kellett növeszteni egy szén nanocsőben. Ezenkívül a karabély szintézise segít megtörni a tranzisztor kapuméret-rekordját - ez egy atomra csökkenthető.

Fullerének

Bár a hatszög az egyik legstabilabb konfiguráció, amelyet a szénatomok kialakíthatnak, a kompakt objektumok egész osztálya létezik, ahol szabályos ötszög szénből. Ezeket az objektumokat fulleréneknek nevezik.

1985-ben Harold Kroto, Robert Curl és Richard Smalley megvizsgálta a széngőzt és azt, hogy a szénatomok milyen töredékekké tapadnak össze lehűléskor. Kiderült, hogy a gázfázisban lévő tárgyaknak két osztálya van. Az első a 2-25 atomból álló klaszterek: láncok, gyűrűk és egyéb egyszerű szerkezetek. A második a 40-150 atomból álló klaszterek, amelyeket korábban nem figyeltek meg. A következő öt év során a vegyészek be tudták bizonyítani, hogy ez a második osztály egy üreges szénatomváz volt, amelyek közül a legstabilabb 60 atomból állt, és futballlabda alakú volt. A C 60 vagy buckminsterfullerene húsz hatszögletű szakaszból és 12 ötszögletű szakaszból állt, amelyeket egy gömbbe erősítettek össze.

A fullerének felfedezése nagy érdeklődést váltott ki a vegyészek körében. Ezt követően az endofullerének szokatlan osztályát szintetizálták - fulleréneket, amelyek üregében idegen atom vagy kis molekula volt. Például alig egy éve először vezettek be egy hidrogén-fluorid-molekulát a fullerénbe, ami lehetővé tette annak elektronikus tulajdonságainak nagyon pontos meghatározását.

Fulleritek – fullerén kristályok

Wikimedia Commons

1991-ben kiderült, hogy a fulleridek - fullerénkristályok, amelyekben a szomszédos poliéderek közötti üregek egy részét fémek foglalják el - olyan molekuláris szupravezetők, amelyeknek az átmeneti hőmérséklete rekord magas, nevezetesen 18 kelvin (K 3 C 60 esetén). Később még magasabb átmeneti hőmérsékletű fullerideket találtak - 33 kelvin, Cs 2 RbC 60 . Kiderült, hogy ezek a tulajdonságok közvetlenül kapcsolódnak az anyag elektronszerkezetéhez.

Q-szén

A szén közelmúltban felfedezett formái közül megemlíthető az úgynevezett Q-szén. 2015-ben ő volt az első amerikai anyagtudós az Észak-Karolinai Egyetemen. A tudósok az amorf szenet erős lézerrel sugározták be, helyileg 4000 Celsius-fokra melegítve az anyagot. Ennek eredményeként az anyag összes szénatomjának körülbelül egynegyede sp 2 hibridizációba került, azaz ugyanolyan elektronállapotba került, mint a grafitban. A fennmaradó Q-szénatomok megőrizték a gyémántra jellemző hibridizációt.

Q-szén

A gyémánttal, grafittal és a szén egyéb formáival ellentétben a Q-szén ferromágnes, például magnetit vagy vas. Ugyanakkor Curie-hőmérséklete körülbelül 220 Celsius-fok volt - csak ilyen melegítéssel veszítette el az anyag mágneses tulajdonságait. És amikor a Q-szént bórral adalékolták, a fizikusok egy másik szén szupravezetőt kaptak, amelynek átmeneti hőmérséklete körülbelül 58 kelvin.

***

A felsorolt ​​szén nem minden ismert formája. Ráadásul jelenleg a teoretikusok és a kísérletezők új szénanyagokat hoznak létre és tanulmányoznak. Különösen az Urálban végeznek ilyen munkát szövetségi egyetem. Anatolij Fedorovics Zatsepin docenshez és az Uráli Szövetségi Egyetem Fizikai és Technológiai Intézetének főkutatójához fordultunk, hogy megtudjuk, hogyan lehet megjósolni a még nem szintetizált anyagok tulajdonságait, és hogyan lehet új szénformákat létrehozni.

Anatolij Zatsepin a hat áttörés egyikén dolgozik tudományos projektek Uráli Szövetségi Egyetem „Az új alapjainak fejlesztése funkcionális anyagok a szén kisdimenziós módosításain alapul”. A munkát tudományos és ipari partnerekkel végzik Oroszországban és a világban.

A projektet az UrFU Fizikai és Technológiai Intézete, az egyetem stratégiai akadémiai egysége (SAU) valósítja meg. Az egyetem álláspontja az orosz és nemzetközi rangsor, főleg a témában.

N+1: A szénnanoanyagok tulajdonságai nagymértékben szerkezetfüggőek, és nagyon eltérőek. Meg lehet-e valahogy előre jelezni egy anyag tulajdonságait a szerkezetéből?

Anatolij Zatsepin: Megjósolható, és meg is tesszük. Vannak olyan számítógépes szimulációs módszerek, amelyek az első elv szerinti számításokat végzik ( ab initio) - lefektetünk egy bizonyos szerkezetet, modellezzük és figyelembe vesszük az ezt a szerkezetet alkotó atomok összes alapvető jellemzőjét. Ennek eredményeként megkapjuk azokat a tulajdonságokat, amelyekkel a modellezett anyag vagy új anyag rendelkezhet. Különösen a szén vonatkozásában tudtunk új, a természet által nem ismert módosulatokat modellezni. Mesterségesen létrehozhatók.

Különösen az Uráli Szövetségi Egyetemen található laboratóriumunkban folyik jelenleg egy új típusú szén fejlesztése, szintetizálása és kutatása. A következőképpen nevezhető: kétdimenziósan rendezett lineáris szénlánc. Az ilyen hosszú név annak köszönhető, hogy ez az anyag egy úgynevezett 2D szerkezet. Ezek különálló szénláncokból álló filmek, és mindegyik láncon belül a szénatomok ugyanabban a láncban vannak. kémiai forma» - sp 1 -hibridizáció. Ez teljesen szokatlan tulajdonságokat ad az anyagnak, az sp 1 -szénláncokban a szilárdság meghaladja a gyémánt és más szénmódosulatok szilárdságát.

Amikor ezekből a láncokból filmeket formálunk, azt kapjuk új anyag, amely a szénláncokban rejlő tulajdonságokkal rendelkezik, ráadásul ezeknek a rendezett láncoknak a kombinációja kétdimenziós szerkezetet vagy szuperrácsot képez egy speciális hordozón. Egy ilyen anyagnak nemcsak mechanikai tulajdonságai miatt van nagy kilátás. A legfontosabb, hogy bizonyos konfigurációjú szénláncok gyűrűbe zárhatók, és nagyon érdekes tulajdonságok keletkeznek, mint például a szupravezetés, és az ilyen anyagok mágneses tulajdonságai jobbak lehetnek, mint a meglévő ferromágneseké.

A kihívás továbbra is azok tényleges létrehozása. Szimulációnk megmutatja az utat.

Mennyiben térnek el az anyagok tényleges és előrejelzett tulajdonságai?

A hiba mindig fennáll, de tény, hogy az első elvek számításai és modellezése az egyes atomok alapvető jellemzőit - a kvantumtulajdonságokat - használja. És amikor ezekből a kvantumatomokból ilyen mikro- és nanoszinten képződnek struktúrák, akkor hibák társulnak meglévő korlátozás elmélet és a létező modellek. Például ismert, hogy a Schrödinger-egyenlet pontosan csak a hidrogénatomra oldható meg, míg a nehezebb atomokra bizonyos közelítéseket kell alkalmazni, ha arról beszélünk. szilárd anyagok vagy bonyolultabb rendszerek.

Másrészt a számítógépes számítások miatt hibák léphetnek fel. Mindezzel a durva hibák ki vannak zárva, és a pontosság elég ahhoz, hogy előre jelezzük az adott anyagban rejlő tulajdonságokat vagy hatásokat.

Hány anyagot lehet ilyen módon megjósolni?

Ami a széntartalmú anyagokat illeti, sok variáció létezik, és biztos vagyok benne, hogy még sok mindent nem tártak fel és nem fedeztek fel. Az UrFU-ban minden megvan az új szén-dioxid-anyagok kutatásához, és rengeteg munka áll még előtte.

Más tárgyakkal is foglalkozunk, például mikroelektronikai szilícium anyagokkal. A szilícium és a szén egyébként analógok, a periódusos rendszerben ugyanabban a csoportban vannak.

Vlagyimir Koroljov

A gyémánt szerkezete (A)és grafit b)

Szén(Latin carboneum) - C, a Mengyelejev-féle periódusos rendszer IV csoportjának kémiai eleme, 6-os rendszám, 12.011 atomtömeg. A természetben gyémánt-, grafit- vagy fullerénkristályok és más formákban fordul elő, szerves (szén, olaj, állati és növényi szervezetek stb.) és szervetlen anyagok (mészkő, szódabikarbóna stb.) része. Szén elterjedt, de a földkéreg tartalma mindössze 0,19%.

A szenet széles körben használják egyszerű anyagok formájában. Az ékszerek tárgyát képező értékes gyémántok mellett, nagyon fontos ipari gyémántokkal rendelkeznek - csiszoló- és vágószerszámok gyártásához. A szenet és a szén egyéb amorf formáit színtelenítésre, tisztításra, gázok adszorpciójára használják, olyan technológiai területeken, ahol fejlett felületű adszorbensekre van szükség. A karbidok, a szén vegyületei fémekkel, valamint bórral és szilíciummal (például Al 4 C 3, SiC, B 4 C) nagyon kemények, és csiszoló- és vágószerszámok készítésére használják. A szén elemi állapotban és karbidok formájában van jelen az acélokban és ötvözetekben. Az acélöntvények felületének szénnel való telítése magas hőmérsékleten (karburálás) jelentősen növeli a felület keménységét és kopásállóságát.

Történelmi hivatkozás

A grafit, a gyémánt és az amorf szén az ókor óta ismert. Régóta ismert, hogy más anyagokat is meg lehet jelölni grafittal, és a „grafit” elnevezést, amely a görög „írni” jelentésű szóból származik, A. Werner javasolta 1789-ben. A grafit története azonban zavaros, gyakran hasonló külső fizikai tulajdonságokkal rendelkező anyagokat tévesztettek vele. , mint például a molibdenit (molibdén-szulfid), amelyet egykor grafitnak tekintettek. A grafit egyéb nevei között ismert a "fekete ólom", "vaskarbid", "ezüst ólom".

1779-ben K. Scheele megállapította, hogy a grafit levegővel oxidálható szén-dioxiddá. A gyémántokat először Indiában használták, Brazíliában pedig a drágakövek 1725-ben nyertek kereskedelmi jelentőséget; A dél-afrikai lelőhelyeket 1867-ben fedezték fel.

A 20. században A fő gyémánttermelők Dél-Afrika, Zaire, Botswana, Namíbia, Angola, Sierra Leone, Tanzánia és Oroszország. A mesterséges gyémántokat, amelyek technológiáját 1970-ben hozták létre, ipari célokra állítják elő.

Tulajdonságok

A szén négy kristályos módosulata ismert:

• grafit,
• gyémánt,
• karabély,
• lonsdaleite.

Grafit- szürkésfekete, átlátszatlan, zsíros tapintású, pikkelyes, nagyon puha, fémes fényű massza. Szobahőmérsékleten és normál nyomáson (0,1 MN/m2 vagy 1 kgf/cm2) a grafit termodinamikailag stabil.

gyémánt- nagyon szilárd, kristályos anyag. A kristályoknak van egy köbös arc-központú rácsuk. Szobahőmérsékleten és normál nyomáson a gyémánt metastabil. A gyémánt észrevehető átalakulása grafittá 1400 °C feletti hőmérsékleten vákuumban vagy inert atmoszférában figyelhető meg. Légköri nyomáson és körülbelül 3700 ° C hőmérsékleten a grafit szublimál.

Folyékony szenet 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) feletti nyomáson és 3700°C feletti hőmérsékleten nyerhetünk. A szilárd szenet (koksz, korom, faszén) szintén rendezetlen szerkezetű állapot jellemzi - az úgynevezett "amorf" szén, amely nem önálló módosulás; szerkezete a finomszemcsés grafit szerkezetén alapul. Egyes "amorf" szénfajták 1500-1600 °C fölé melegítése levegő nélkül grafittá alakul át.

Az "amorf" szén fizikai tulajdonságai nagyon erősen függnek a részecskék diszperziójától és a szennyeződések jelenlététől. Az "amorf" szén sűrűsége, hőkapacitása, hővezető képessége és elektromos vezetőképessége mindig nagyobb, mint a grafité.

Karabély mesterségesen szerezték be. Ez egy finoman kristályos fekete színű por (sűrűsége 1,9-2 g / cm 3). Hosszú atomláncokból épült VAL VEL egymással párhuzamosan elhelyezve.

Lonsdaleite meteoritokban találták és mesterségesen szerezték be; szerkezetét és tulajdonságait nem állapították meg véglegesen.

A szén tulajdonságai
atomszám		6
Atomtömeg		12,011
Izotópok:	stabil	12, 13
	instabil	8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
Olvadási hőmérséklet		3550 °C
Forráshőmérséklet		4200°С
Sűrűség		1,9-2,3 g / cm 3 (grafit) 3,5-3,53 g / cm 3 (gyémánt)
Keménység (Mohs)		1-2
Tartalom a földkéregben (tömeg)		0,19%
Oxidációs állapotok		-4; +2; +4

Ötvözetek

Acél

A kokszot a kohászatban redukálószerként használják. Faszén - kovácsművekben, lőpor előállításához (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), gázok felszívásához (adszorpció), valamint a mindennapi életben. A kormot gumi töltőanyagként használják fekete festékek gyártásához - nyomdafesték és tinta, valamint száraz galvanikus cellákban. Az üveges szenet rendkívül agresszív környezetekhez, valamint a repüléshez és az űrhajózáshoz szükséges berendezések gyártásához használják.

Az aktív szén felszívja a káros anyagokat a gázokból és folyadékokból: gázálarcokat, tisztítórendszereket töltenek meg, mérgezésre használják a gyógyászatban.

A szén minden szerves anyag alapja. Minden élő szervezet nagyrészt szénből áll. A szén az élet alapja. Az élő szervezetek szénforrása általában a légkörből vagy vízből származó CO 2. A fotoszintézis eredményeként olyan biológiai táplálékláncokba kerül, amelyekben az élőlények egymást vagy egymás maradványait eszik, és ezáltal szenet vonnak ki saját testük felépítéséhez. A szén biológiai körforgása vagy oxidációval és a légkörbe való visszatéréssel, vagy szén vagy olaj formájában történő ártalmatlanítással ér véget.

A 14 C radioaktív izotóp alkalmazása hozzájárult a sikerhez molekuláris biológia a fehérje bioszintézis mechanizmusainak és az öröklődő információk átadásának vizsgálatában. A széntartalmú szerves maradványok 14 C fajlagos aktivitásának meghatározása lehetővé teszi azok korának megítélését, amelyet az őslénytan és régészet használ.

Források

Kémiai elemek és anyagok
Kémiai elemek	Nitrogén. Argon. Hidrogén. Hélium. Vas . Kalcium. Oxigén. Szilícium. Magnézium. Mangán.