MOU «Նիկիֆորովսկայա միջին հանրակրթական դպրոց№1"

Ածխածինը և նրա հիմնական անօրգանական միացությունները

Շարադրություն

Ավարտեց՝ 9Բ դասարանի աշակերտ

Սիդորով Ալեքսանդր

Ուսուցիչ՝ Սախարովա Լ.Ն.

Դմիտրիևկա 2009 թ

Ներածություն

Գլուխ I. Ամեն ինչ ածխածնի մասին

1.1. ածխածինը բնության մեջ

1.2. Ածխածնի ալոտրոպային փոփոխություններ

1.3. Ածխածնի քիմիական հատկությունները

1.4. Ածխածնի կիրառում

Գլուխ II. Անօրգանական ածխածնի միացություններ

Եզրակացություն

գրականություն

Ներածություն

Ածխածին (lat. Carboneum) C - քիմիական տարր IV խումբ պարբերական համակարգՄենդելեև՝ ատոմային թիվ 6, ատոմային զանգված՝ 12.011(1): Դիտարկենք ածխածնի ատոմի կառուցվածքը: Ածխածնի ատոմի արտաքին էներգիայի մակարդակում կա չորս էլեկտրոն։ Եկեք գծապատկերենք այն.

Ածխածինը հայտնի է եղել հին ժամանակներից, իսկ այս տարրի հայտնաբերողի անունը անհայտ է։

XVII դարի վերջին։ Ֆլորենցիացի գիտնականներ Ավերանին և Տարջիոնին փորձել են մի քանի փոքր ադամանդ միաձուլել մեկ մեծի մեջ և տաքացրել դրանք կրակե ապակիով: արևի ճառագայթներ. Ադամանդներն անհետացել են օդում այրվելուց հետո։ 1772 թվականին ֆրանսիացի քիմիկոս Ա.Լավուազեն ցույց տվեց, որ CO 2 առաջանում է ադամանդի այրման ժամանակ։ Միայն 1797 թվականին անգլիացի գիտնական Ս.Տեննանտը ապացուցեց գրաֆիտի և ածխի բնության նույնականությունը։ Հավասար քանակությամբ ածուխ և ադամանդ այրելուց հետո ածխածնի օքսիդի (IV) ծավալները պարզվել են նույնը։

Ածխածնի միացությունների բազմազանությունը, որը բացատրվում է նրա ատոմների՝ միմյանց և այլ տարրերի ատոմների հետ տարբեր ձևերով միանալու ունակությամբ, որոշում է ածխածնի հատուկ դիրքը այլ տարրերի միջև։

ԳլուխԻ. Ամեն ինչ ածխածնի մասին

1.1. ածխածինը բնության մեջ

Ածխածինը բնության մեջ հանդիպում է ինչպես ազատ վիճակում, այնպես էլ միացությունների տեսքով։

Ազատ ածխածինը հայտնվում է ադամանդի, գրաֆիտի և կարաբինի տեսքով:

Ադամանդները շատ հազվադեպ են: Հայտնի ամենամեծ ադամանդը՝ «Կուլինանը», հայտնաբերվել է 1905 թվականին Հարավային Աֆրիկայում, կշռում էր 621,2 գ և չափսերը՝ 10 × 6,5 × 5 սմ։ Մոսկվայի Diamond Fund-ում պահվում է աշխարհի ամենամեծ և ամենագեղեցիկ ադամանդներից մեկը՝ «Օրլովը» (37,92)։ է)

Ադամանդն իր անունը ստացել է հունարենից։ «ադամաս» - անպարտելի, անխորտակելի: Ադամանդի ամենանշանակալի հանքավայրերը գտնվում են Հարավային Աֆրիկայում, Բրազիլիայում և Յակուտիայում:

Գրաֆիտի խոշոր հանքավայրերը գտնվում են Գերմանիայում, Շրի Լանկայում, Սիբիրում, Ալթայում։

Ածխածին պարունակող հիմնական միներալներն են՝ մագնեզիտը MgCO 3, կալցիտը (կրաքարի սպար, կրաքար, մարմար, կավիճ) CaCO 3, դոլոմիտ CaMg (CO 3) 2 և այլն։

Բոլոր հանածո վառելիքները՝ նավթ, գազ, տորֆ, կարծր և շագանակագույն ածուխ, թերթաքար, կառուցված են ածխածնային հիմքի վրա: Ածխածնի բաղադրությամբ մոտ են որոշ հանածո ածուխներ, որոնք պարունակում են մինչև 99% C:

Ածխածինը կազմում է երկրակեղևի 0,1%-ը։

Ածխածնի երկօքսիդի (IV) տեսքով CO 2 ածխածինը մթնոլորտի մի մասն է։ Մեծ քանակությամբ CO 2 լուծվում է հիդրոսֆերայում։

1.2. Ածխածնի ալոտրոպային փոփոխություններ

Տարրական ածխածինը ձևավորում է երեք ալոտրոպ ձևափոխումներ՝ ադամանդ, գրաֆիտ, կարաբին։

1. Ադամանդը անգույն, թափանցիկ բյուրեղային նյութ է, որը չափազանց ուժեղ բեկում է լույսի ճառագայթները: Ածխածնի ատոմները ադամանդի մեջ գտնվում են sp 3 հիբրիդացման վիճակում։ Գրգռված վիճակում ածխածնի ատոմների վալենտային էլեկտրոնները քայքայվում են և ձևավորվում են չորս չզույգված էլեկտրոններ: Երբ ձևավորվում են քիմիական կապեր, էլեկտրոնային ամպերը ձեռք են բերում նույն ձգված ձևը և տեղակայված են տարածության մեջ այնպես, որ իրենց առանցքներն ուղղված են դեպի քառանիստ գագաթները։ Երբ այս ամպերի գագաթները համընկնում են ածխածնի այլ ատոմների ամպերի հետ, կովալենտային կապերը հայտնվում են 109°28 անկյան տակ, և առաջանում է ատոմային բյուրեղյա վանդակ, որը բնորոշ է ադամանդին։

Ադամանդում գտնվող յուրաքանչյուր ածխածնի ատոմ շրջապատված է չորս այլ ատոմներով, որոնք գտնվում են նրանից քառանիստի կենտրոնից մինչև գագաթները ուղղություններով: Տետրաեդրում ատոմների միջև հեռավորությունը 0,154 նմ է: Բոլոր կապերի ուժը նույնն է. Այսպիսով, ադամանդի ատոմները «փաթեթավորված» են շատ ամուր։ 20°C ջերմաստիճանում ադամանդի խտությունը 3,515 գ/սմ3 է: Սա բացատրում է նրա բացառիկ կարծրությունը: Ադամանդը լավ չի վարում էլեկտրաէներգիա.

1961 թվականին Խորհրդային Միությունում սկսվեց գրաֆիտից սինթետիկ ադամանդների արդյունաբերական արտադրությունը։

Ադամանդների արդյունաբերական սինթեզում օգտագործվում են հազարավոր ՄՊա ճնշումներ և 1500-ից մինչև 3000°C ջերմաստիճաններ։ Գործընթացն իրականացվում է կատալիզատորների առկայությամբ, որոնք կարող են լինել որոշ մետաղներ, օրինակ՝ Ni։ Ձևավորված ադամանդների հիմնական մասը մանր բյուրեղներ և ադամանդի փոշի են:

Ադամանդը, երբ տաքացվում է առանց օդի մուտքի 1000 ° C-ից բարձր, վերածվում է գրաֆիտի: 1750°C ջերմաստիճանում ադամանդի վերածումը գրաֆիտի արագ է տեղի ունենում:

Ադամանդի կառուցվածք

2. Գրաֆիտը մոխրագույն-սև բյուրեղային նյութ է՝ մետաղական փայլով, յուղոտ է շոշափելու համար, կարծրությամբ զիջում է նույնիսկ թղթին։

Գրաֆիտի բյուրեղներում ածխածնի ատոմները գտնվում են sp 2 հիբրիդացման վիճակում, որոնցից յուրաքանչյուրը կազմում է երեք կովալենտ σ կապեր հարևան ատոմների հետ: Կապի ուղղությունների միջև անկյունները 120° են: Արդյունքը ցանց է, որը կազմված է կանոնավոր վեցանկյուններից: Շերտի ներսում ածխածնի ատոմների հարակից միջուկների միջև հեռավորությունը 0,142 նմ է: Գրաֆիտի յուրաքանչյուր ածխածնի ատոմի արտաքին շերտի չորրորդ էլեկտրոնը զբաղեցնում է p-օրբիտալ, որը չի մասնակցում հիբրիդացմանը:

Ածխածնի ատոմների ոչ հիբրիդային էլեկտրոնային ամպերը ուղղված են շերտի հարթությանը ուղղահայաց և միմյանց հետ համընկնելով՝ ձևավորում են տեղայնացված σ կապեր։ Գրաֆիտի բյուրեղի հարևան շերտերը գտնվում են միմյանցից 0,335 նմ հեռավորության վրա և թույլ փոխկապակցված են հիմնականում վան դեր Վալսի ուժերով։ Հետևաբար, գրաֆիտն ունի ցածր մեխանիկական ուժ և հեշտությամբ բաժանվում է փաթիլների, որոնք ինքնին շատ ամուր են: Գրաֆիտում ածխածնի ատոմների շերտերի միջև կապը մասամբ մետաղական է: Սա բացատրում է այն փաստը, որ գրաֆիտը լավ է փոխանցում էլեկտրաէներգիան, բայց դեռ ոչ այնքան լավ, որքան մետաղները:

գրաֆիտի կառուցվածքը

Գրաֆիտի ֆիզիկական հատկությունները մեծապես տարբերվում են ուղղություններով` ածխածնի ատոմների շերտերին ուղղահայաց և զուգահեռ:

Երբ ջեռուցվում է առանց օդի մուտքի, գրաֆիտը չի ենթարկվում որևէ փոփոխության մինչև 3700°C: Այս ջերմաստիճանում այն ​​սուբլիմացվում է առանց հալվելու։

Արհեստական ​​գրաֆիտը ստացվում է 3000°C ջերմաստիճանի ածխի լավագույն դասերից՝ առանց օդային մուտքի էլեկտրական վառարաններում:

Գրաֆիտը թերմոդինամիկորեն կայուն է ջերմաստիճանների և ճնշումների լայն տիրույթում, ուստի այն ընդունվում է որպես ածխածնի ստանդարտ վիճակ: Գրաֆիտի խտությունը 2,265 գ/սմ 3 է։

3. Կարբին - մանրահատիկ սեւ փոշի: Իր բյուրեղային կառուցվածքում ածխածնի ատոմները միացված են փոփոխական մեկ և եռակի կապերով գծային շղթաներով.

−С≡С−С≡С−С≡С−

Այս նյութը առաջին անգամ ստացել է Վ.Վ. Կորշակ, Ա.Մ. Սլադկով, Վ.Ի. Կասատոչկին, Յու.Պ. Կուդրյավցևը 1960-ականների սկզբին.

Հետագայում ցույց տվեցին, որ կարաբինը կարող է գոյություն ունենալ տարբեր ձևերով և պարունակում է ինչպես պոլիացետիլենային, այնպես էլ պոլիկումուլենային շղթաներ, որոնցում ածխածնի ատոմները կապված են կրկնակի կապերով.

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

Հետագայում կարաբինը հայտնաբերվել է բնության մեջ՝ երկնաքարի նյութում։

Կարբինը ունի կիսահաղորդչային հատկություններ, լույսի ազդեցության տակ նրա հաղորդունակությունը մեծապես մեծանում է: Տարբեր տեսակի կապերի առկայության և բյուրեղային ցանցում ածխածնի ատոմների շղթաների կուտակման տարբեր եղանակների պատճառով ֆիզիկական հատկություններկարաբինը կարող է շատ տարբեր լինել: Երբ տաքացվում է առանց օդի մուտքի 2000°C-ից բարձր, կարաբինը կայուն է, մոտ 2300°C ջերմաստիճանի դեպքում նկատվում է նրա անցում դեպի գրաֆիտ:

Բնական ածխածինը կազմված է երկու իզոտոպներից

(98.892%) և (1.108%): Բացի այդ, մթնոլորտում հայտնաբերվել են ռադիոակտիվ իզոտոպի չնչին կեղտեր, որոնք ստացվում են արհեստականորեն։

Նախկինում ենթադրվում էր, որ փայտածուխը, մուրը և կոքսը բաղադրությամբ մոտ են մաքուր ածխածնին և հատկություններով տարբերվում են ադամանդից և գրաֆիտից, ներկայացնում են ածխածնի անկախ ալոտրոպիկ փոփոխություն («ամորֆ ածխածին»): Այնուամենայնիվ, պարզվել է, որ այդ նյութերը բաղկացած են ամենափոքր բյուրեղային մասնիկներից, որոնցում ածխածնի ատոմները միացված են այնպես, ինչպես գրաֆիտում:

4. Ածուխ - նուրբ բաժանված գրաֆիտ: Այն առաջանում է ածխածին պարունակող միացությունների ջերմային տարրալուծման ժամանակ՝ առանց օդային հասանելիության։ Ածուխները էականորեն տարբերվում են հատկություններով՝ կախված այն նյութից, որից ստացվում են և պատրաստման եղանակից։ Նրանք միշտ պարունակում են կեղտեր, որոնք ազդում են իրենց հատկությունների վրա: Ածխի ամենակարևոր դասակարգերն են կոքսը, փայտածուխը և մուրը։

Կոքսը ստացվում է օդի բացակայության դեպքում ածուխ տաքացնելու միջոցով։

Ածուխը ձևավորվում է, երբ փայտը տաքացվում է օդի բացակայության դեպքում:

Մուրը շատ նուրբ գրաֆիտի բյուրեղային փոշի է: Ձևավորվում է ածխաջրածինների (բնական գազ, ացետիլեն, սկիպիդար և այլն) այրման ժամանակ՝ օդային սահմանափակ հասանելիությամբ։

Ակտիվացված ածխածինները ծակոտկեն արդյունաբերական կլանիչներ են, որոնք հիմնականում բաղկացած են ածխածնից: Ադսորբցիան ​​կոչվում է կլանում մակերեսի կողմից: պինդ նյութերգազեր և լուծված նյութեր. Ակտիվ ածխածինները ստացվում են պինդ վառելիքից (տորֆ, շագանակագույն և կարծր ածուխ, անտրասիտ), փայտից և դրա արտադրանքներից (ածուխ, թեփ, թղթի արտադրության թափոններ), կաշվի արդյունաբերության թափոններից, կենդանական նյութերից, օրինակ՝ ոսկորներից։ Ածուխները, որոնք բնութագրվում են բարձր մեխանիկական ուժով, արտադրվում են կոկոսի և այլ ընկույզների կեղևներից՝ մրգերի սերմերից։ Ածուխի կառուցվածքը ներկայացված է բոլոր չափերի ծակոտիներով, սակայն կլանման հզորությունը և կլանման արագությունը որոշվում են միկրոծակերի պարունակությամբ մեկ միավոր զանգվածի կամ հատիկների ծավալի վրա: Ակտիվ ածխածնի արտադրության ժամանակ հումքը նախ ենթարկվում է ջերմային մշակման՝ առանց օդային մուտքի, ինչի արդյունքում նրանից հանվում է խոնավությունը և մասամբ խեժերը։ Այս դեպքում առաջանում է ածխի մեծ ծակոտկեն կառուցվածք։ Միկրոծակոտկեն կառուցվածք ստանալու համար ակտիվացումն իրականացվում է կա՛մ գազով կամ գոլորշու օքսիդացումով, կա՛մ քիմիական ռեակտիվներով մշակմամբ։

Ածխածինը ունակ է ձևավորել մի քանի ալոտրոպ մոդիֆիկացիաներ։ Դրանք են ադամանդը (ամենաիներտ ալոտրոպ մոդիֆիկացիան), գրաֆիտը, ֆուլերենը և կարաբինը։

Ածուխը և մուրը ամորֆ ածխածին են։ Ածխածինը այս վիճակում չունի կարգավորված կառուցվածք և իրականում բաղկացած է գրաֆիտի շերտերի ամենափոքր բեկորներից։ Տաք ջրի գոլորշիով մշակված ամորֆ ածխածինը կոչվում է ակտիվացված ածխածին։ 1 գրամ ակտիվացված ածխածինը, դրա մեջ բազմաթիվ ծակոտիների առկայության պատճառով, ունի ավելի քան երեք հարյուր ընդհանուր մակերես քառակուսի մետր! Տարբեր նյութեր կլանելու ունակության շնորհիվ ակտիվացված ածխածինը լայնորեն օգտագործվում է որպես ֆիլտրի լցոնիչ, ինչպես նաև էնտերոսորբենտ տարբեր տեսակներթունավորում.

Քիմիական տեսանկյունից ամորֆ ածխածինը նրա ամենաակտիվ ձևն է, գրաֆիտը միջին ակտիվություն է ցուցաբերում, իսկ ադամանդը չափազանց իներտ նյութ է։ Այս պատճառով, ստորև կքննարկվի Քիմիական հատկություններածխածինը հիմնականում պետք է վերագրվի ամորֆ ածխածնին:

Ածխածնի հատկությունների նվազեցում

Որպես վերականգնող նյութ՝ ածխածինը փոխազդում է ոչ մետաղների հետ, ինչպիսիք են թթվածինը, հալոգենները և ծծումբը։

Կախված ածխի այրման ժամանակ թթվածնի ավելցուկից կամ բացակայությունից, ածխածնի մոնօքսիդ CO կամ ածխաթթու գազ CO2:

Երբ ածխածինը փոխազդում է ֆտորի հետ, ձևավորվում է ածխածնի տետրաֆտորիդ.

Երբ ածխածինը տաքացվում է ծծմբով, ձևավորվում է ածխածնի դիսուլֆիդ CS 2.

Ածխածինը ի վիճակի է ակտիվության շարքի ալյումինից հետո մետաղները նվազեցնելու դրանց օքսիդներից: Օրինակ:

Ածխածինը նույնպես փոխազդում է ակտիվ մետաղների օքսիդների հետ, սակայն այս դեպքում, որպես կանոն, նկատվում է ոչ թե մետաղի կրճատում, այլ դրա կարբիդի ձևավորում.

Ածխածնի փոխազդեցությունը ոչ մետաղական օքսիդների հետ

Ածխածինը մտնում է ածխածնի երկօքսիդի CO 2-ի հետ համամասնական ռեակցիայի մեջ.

Արդյունաբերական տեսանկյունից ամենակարեւոր գործընթացներից է այսպես կոչված ածուխի գոլորշու բարեփոխում. Գործընթացն իրականացվում է տաք ածխի միջով ջրի գոլորշի անցնելու միջոցով։ Այս դեպքում տեղի է ունենում հետևյալ ռեակցիան.

Բարձր ջերմաստիճանի դեպքում ածխածինը կարող է նվազեցնել նույնիսկ այնպիսի իներտ միացությունը, ինչպիսին է սիլիցիումի երկօքսիդը: Այս դեպքում, կախված պայմաններից, հնարավոր է սիլիցիումի կամ սիլիցիումի կարբիդի ձևավորում ( կարբորունդ):

Նաև ածխածինը, որպես վերականգնող նյութ, փոխազդում է օքսիդացնող թթուների, մասնավորապես՝ խտացված ծծմբի և ազոտական ​​թթու:

Ածխածնի օքսիդացնող հատկությունները

Քիմիական տարրը ածխածինն այնքան էլ էլեկտրաբացասական չէ, ուստի նրա առաջացած պարզ նյութերը հազվադեպ են օքսիդացնող հատկություն ցուցաբերում այլ ոչ մետաղների նկատմամբ։

Նման ռեակցիաների օրինակ է ամորֆ ածխածնի փոխազդեցությունը ջրածնի հետ, երբ տաքացվում է կատալիզատորի առկայության դեպքում.

ինչպես նաև սիլիցիումով 1200-1300 մոտ C ջերմաստիճանում:

Ածխածինը մետաղների նկատմամբ օքսիդացնող հատկություն է ցուցաբերում։ Ածխածինը կարողանում է արձագանքել ակտիվ մետաղների և միջանկյալ ակտիվության որոշ մետաղների հետ։ Ռեակցիաները տեղի են ունենում տաքացման ժամանակ.

Ակտիվ մետաղական կարբիդները ջրով հիդրոլիզացվում են.

ինչպես նաև չօքսիդացող թթուների լուծույթները.

Այս դեպքում առաջանում են ածխաջրածիններ, որոնք պարունակում են ածխածին նույն օքսիդացման վիճակում, ինչ սկզբնական կարբիդում։

Սիլիցիումի քիմիական հատկությունները

Սիլիցիումը կարող է գոյություն ունենալ, ինչպես նաև ածխածինը բյուրեղային և ամորֆ վիճակում, և, ինչպես ածխածնի դեպքում, ամորֆ սիլիցիումը քիմիապես զգալիորեն ավելի ակտիվ է, քան բյուրեղային սիլիցիումը:

Երբեմն ամորֆ և բյուրեղային սիլիցիումը կոչվում է նրա ալոտրոպ մոդիֆիկացիաներ, ինչը, խիստ ասած, ամբողջովին ճիշտ չէ։ Ամորֆ սիլիցիումը, ըստ էության, բյուրեղային սիլիցիումի ամենափոքր մասնիկների կոնգլոմերատ է, որոնք պատահականորեն դասավորված են միմյանց նկատմամբ:

Սիլիցիումի փոխազդեցությունը պարզ նյութերի հետ

ոչ մետաղներ

ժամը նորմալ պայմաններՍիլիցիումը, իր իներտության պատճառով, արձագանքում է միայն ֆտորին.

Սիլիցիումը քլորի, բրոմի և յոդի հետ փոխազդում է միայն տաքանալիս։ Հատկանշական է, որ, կախված հալոգենի ակտիվությունից, պահանջվում է համապատասխանաբար տարբեր ջերմաստիճան.

Այսպիսով, քլորի դեպքում ռեակցիան ընթանում է 340-420 o C ջերմաստիճանում.

Բրոմով - 620-700 o C:

Յոդով - 750-810 o C:

Բոլոր սիլիցիումի հալոգենիդները հեշտությամբ հիդրոլիզվում են ջրով.

ինչպես նաև ալկալային լուծույթներ.

Սիլիցիումի արձագանքը թթվածնի հետ ընթանում է, սակայն այն պահանջում է շատ ուժեղ ջեռուցում (1200-1300 ° C), քանի որ ուժեղ օքսիդի թաղանթը դժվարացնում է փոխազդեցությունը.

1200-1500 ° C ջերմաստիճանի դեպքում սիլիցիումը դանդաղորեն փոխազդում է ածխածնի հետ գրաֆիտի տեսքով՝ ձևավորելով կարբորունդ SiC - նյութ, որն ունի ատոմային բյուրեղյա ցանց, որը նման է ադամանդի և գրեթե չի զիջում նրան ուժով.

Սիլիցիումը չի փոխազդում ջրածնի հետ։

մետաղներ

Իր ցածր էլեկտրաբացասականության պատճառով սիլիցիումը կարող է օքսիդացնող հատկություն ցուցաբերել միայն մետաղների նկատմամբ: Մետաղներից սիլիցիումը փոխազդում է ակտիվ (ալկալային և ալկալային հող), ինչպես նաև միջին ակտիվության շատ մետաղների հետ։ Այս փոխազդեցության արդյունքում առաջանում են սիլիցիդներ.

Ակտիվ մետաղների սիլիցիդները հեշտությամբ հիդրոլիզվում են ջրով կամ ոչ օքսիդացնող թթուների նոսր լուծույթներով.

Այս դեպքում ձևավորվում է գազի սիլանի SiH 4 - մեթանի CH 4 անալոգը:

Սիլիցիումի փոխազդեցությունը բարդ նյութերի հետ

Սիլիցիումը ջրի հետ չի փոխազդում նույնիսկ եռալիս, սակայն ամորֆ սիլիցիումը փոխազդում է գերտաքացած ջրի գոլորշիների հետ մոտ 400-500 ° C ջերմաստիճանում: Սա արտադրում է ջրածին և սիլիցիումի երկօքսիդ.

Բոլոր թթուներից սիլիցիումը (իր ամորֆ վիճակում) արձագանքում է միայն խտացված ֆտորաթթվի հետ.

Սիլիցիումը լուծվում է խտացված ալկալային լուծույթներում: Ռեակցիան ուղեկցվում է ջրածնի էվոլյուցիայով։

Տարրերի պարբերական աղյուսակում ածխածինը գտնվում է IVA խմբում երկրորդ շրջանում։ Ածխածնի ատոմի էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիան ls 2 2s 2 2p 2:Երբ այն գրգռված է, հեշտությամբ ձեռք է բերվում էլեկտրոնային վիճակ, որի դեպքում չորս արտաքին ատոմային ուղեծրերում կան չորս չզույգված էլեկտրոններ.

Սա բացատրում է, թե ինչու միացություններում ածխածինը սովորաբար քառավալենտ է: Ածխածնի ատոմում վալենտային էլեկտրոնների թվի հավասարությունը վալենտային օրբիտալների թվին, ինչպես նաև միջուկային լիցքի և ատոմի շառավիղի եզակի հարաբերակցությունը նրան հնարավորություն են տալիս հավասարապես հեշտությամբ ավելացնել և նվիրաբերել էլեկտրոններ՝ կախված նրանից. գործընկերոջ հատկությունները (Բաժ. 9.3.1): Արդյունքում ածխածինը բնութագրվում է տարբեր օքսիդացման վիճակներով՝ -4-ից +4-ով և հիբրիդացման հեշտությամբ։ ատոմային ուղեծրերտիպ sp3, sp2Եվ sp 1քիմիական կապերի ձևավորման ժամանակ (բաժին 2.1.3).

Այս ամենը ածխածնին հնարավորություն է տալիս ձևավորել միայնակ, կրկնակի և եռակի կապեր ոչ միայն միմյանց միջև, այլև այլ օրգանոգեն տարրերի ատոմների հետ։ Այս դեպքում ձևավորված մոլեկուլները կարող են ունենալ գծային, ճյուղավորված և ցիկլային կառուցվածք։

Ածխածնի ատոմների մասնակցությամբ ձևավորված սովորական էլեկտրոնների շարժունակության պատճառով դրանք տեղափոխվում են ավելի էլեկտրաբացասական տարրի ատոմ (ինդուկտիվ էֆեկտ), ինչը հանգեցնում է ոչ միայն այս կապի, այլև մոլեկուլի բևեռացմանը: . Այնուամենայնիվ, ածխածինը, շնորհիվ էլեկտրաբացասականության միջին արժեքի (0E0 = 2,5), թույլ բևեռային կապեր է ձևավորում այլ օրգանոգեն տարրերի ատոմների հետ (Աղյուսակ 12.1): Մոլեկուլներում զուգակցված կապերի համակարգերի առկայության դեպքում (բաժին 2.1.3), շարժական էլեկտրոնները (MOs) և չկիսված էլեկտրոնային զույգերը տեղակայվում են այս համակարգերում էլեկտրոնների խտության և կապի երկարությունների համապատասխանեցմամբ:

Միացությունների ռեակտիվության տեսանկյունից կարևոր դեր է խաղում կապերի բևեռացման հնարավորությունը (Բաժ. 2.1.3): Որքան մեծ է կապի բևեռացումը, այնքան բարձր է նրա ռեակտիվությունը: Ածխածին պարունակող կապերի բևեռացման կախվածությունը դրանց բնույթից արտացոլում է հետևյալ շարքը.

Ածխածին պարունակող կապերի հատկությունների վերաբերյալ բոլոր դիտարկված տվյալները ցույց են տալիս, որ միացություններում ածխածինը, մի կողմից, բավականաչափ ամուր կովալենտային կապեր է ձևավորում միմյանց և այլ օրգանոգենների հետ, իսկ մյուս կողմից՝ այդ կապերի ընդհանուր էլեկտրոնային զույգերը։ բավականին անկայուն են: Արդյունքում կարող են առաջանալ և՛ այս կապերի ռեակտիվության աճ, և՛ կայունացում։ Ածխածին պարունակող միացությունների այս հատկանիշներն են, որ ածխածինը դարձնում են թիվ մեկ օրգանոգեն։

Ածխածնի միացությունների թթու-բազային հատկությունները.Ածխածնի երկօքսիդը(4) թթվային օքսիդ է, իսկ դրա համապատասխան հիդրօքսիդը՝ ածխաթթու H2CO3, թույլ թթու է։ Ածխածնի երկօքսիդի (4) մոլեկուլը ոչ բևեռ է, հետևաբար այն վատ է լուծվում ջրում (0,03 մոլ/լ 298 Կ ջերմաստիճանում)։ Այս դեպքում սկզբում լուծույթում առաջանում է CO2 H2O հիդրատ, որում CO2-ը գտնվում է ջրի մոլեկուլների ասոցիացիայի խոռոչում, իսկ հետո այդ հիդրատը դանդաղ և շրջելիորեն վերածվում է H2CO3-ի։ Ջրի մեջ լուծված ածխածնի երկօքսիդի (4) մեծ մասը հիդրատի ձև է։

Օրգանիզմում, արյան էրիթրոցիտներում, կարբոանհիդրազ ֆերմենտի ազդեցությամբ, CO2 H2O-ի և H2CO3 հիդրատի միջև հավասարակշռությունը շատ արագ է հաստատվում։ Սա թույլ է տալիս անտեսել CO2-ի առկայությունը հիդրատի տեսքով էրիթրոցիտներում, բայց ոչ արյան պլազմայում, որտեղ չկա կարբոն անհիդրազ: Ստացված H2CO3-ը ֆիզիոլոգիական պայմաններում տարանջատվում է բիկարբոնատային անիոնի, իսկ ավելի ալկալային միջավայրում՝ կարբոնատային անիոնի.

Կարբոնաթթուն գոյություն ունի միայն լուծույթում: Այն առաջացնում է երկու շարք աղեր՝ բիկարբոնատներ (NaHCO3, Ca(HC0 3) 2) և կարբոնատներ (Na2CO3, CaCO3)։ Բիկարբոնատները ջրի մեջ ավելի լուծելի են, քան կարբոնատները: Աղի ջրային լուծույթներում ածխաթթու, հատկապես կարբոնատները, հեշտությամբ հիդրոլիզվում են անիոնի կողմից՝ ստեղծելով ալկալային միջավայր.

Նյութեր, ինչպիսիք են NaHC03 խմորի սոդա; կավիճ CaCO3, սպիտակ մագնեզիա 4MgC03 * Mg (OH) 2 * H2O, հիդրոլիզացված առաջացմամբ ալկալային միջավայր, օգտագործվում են որպես հակաթթուներ (չեզոքացնող թթուներ)՝ ստամոքսահյութի բարձր թթվայնությունը նվազեցնելու համար.

Կարբոնաթթվի և բիկարբոնատ իոնի (Н2СО3, НСО3(-)) համադրությունը կազմում է բիկարբոնատային բուֆերային համակարգ (Բաժին 8.5)՝ արյան պլազմայի փառահեղ բուֆերային համակարգ, որն ապահովում է արյան pH-ի կայունությունը pH = 7,40 ± 0,05:

Բնական ջրերում կալցիումի և մագնեզիումի բիկարբոնատների առկայությունը որոշում է դրանց ժամանակավոր կարծրությունը։ Երբ այդպիսի ջուրը եռում է, նրա կարծրությունը վերանում է։ Դա պայմանավորված է HCO3 (-) անիոնի հիդրոլիզով, ածխաթթվի ջերմային տարրալուծմամբ և կալցիումի և մագնեզիումի կատիոնների նստեցմամբ՝ չլուծվող CaCO 3 և Mg (OH) 2 միացությունների տեսքով.

Mg(OH) 2-ի առաջացումը պայմանավորված է մագնեզիումի կատիոնի ամբողջական հիդրոլիզով, որը տեղի է ունենում այս պայմաններում Mg(0H)2-ի ավելի ցածր լուծելիության պատճառով՝ համեմատած MgC03-ի հետ:

Կենսաբժշկական պրակտիկայում, բացի ածխաթթվից, պետք է գործ ունենալ այլ ածխածին պարունակող թթուների հետ: Սա հիմնականում տարբեր օրգանական թթուների, ինչպես նաև հիդրոցիանաթթվի HCN-ի մեծ տեսականի է: Թթվային հատկությունների տեսանկյունից այս թթուների ուժը տարբեր է.

Այս տարբերությունները պայմանավորված են փոխադարձ ազդեցությունատոմները մոլեկուլում, տարանջատող կապի բնույթը և անիոնի կայունությունը, այսինքն՝ տեղակայումը լիցքավորելու նրա կարողությունը:

Hydrocyanic թթու, կամ ջրածնի ցիանիդ, HCN - անգույն, ցնդող հեղուկ (T bale = 26 °C) դառը նուշի հոտով, խառնվում է ջրի հետ ցանկացած հարաբերակցությամբ։ Ջրային լուծույթներում այն ​​իրեն շատ թույլ թթվի նման է պահում, որի աղերը կոչվում են ցիանիդներ։ Ալկալիների և հողալկալիական մետաղների ցիանիդները լուծելի են ջրում, մինչդեռ դրանք հիդրոլիզվում են անիոնի կողմից, ինչի պատճառով նրանք ջրային լուծույթներ hydrocyanic թթվի հոտ (դառը նուշի հոտ) և ունեն pH >12:

Օդում պարունակվող CO2-ի երկարատև ազդեցության դեպքում ցիանիդները քայքայվում են հիդրոցիանաթթվի արտազատմամբ.

Այս ռեակցիայի արդյունքում կալիումի ցիանիդը (կալիումի ցիանիդ) և դրա լուծույթները երկարատև պահպանման ժամանակ կորցնում են իրենց թունավորությունը։ Ցիանիդային անիոնը ամենաուժեղ անօրգանական թույներից է, քանի որ այն ակտիվ լիգանդ է և հեշտությամբ ձևավորում է կայուն բարդ միացություններ Fe3+ և Сu2(+) պարունակող ֆերմենտներով՝ որպես կոմպլեքսավորող իոններ (Վտ. 10.4).

ռեդոքսային հատկություններ.Քանի որ միացություններում ածխածինը կարող է դրսևորել ցանկացած օքսիդացման աստիճան -4-ից մինչև +4, ռեակցիայի ընթացքում ազատ ածխածինը կարող է և՛ նվիրաբերել, և՛ ավելացնել էլեկտրոններ՝ համապատասխանաբար հանդես գալով որպես վերականգնող կամ օքսիդացնող նյութ՝ կախված երկրորդ ռեագենտի հատկություններից.

Երբ ուժեղ օքսիդացնող նյութերը փոխազդում են օրգանական նյութերի հետ, կարող է առաջանալ այդ միացությունների ածխածնի ատոմների թերի կամ ամբողջական օքսիդացում։

Անաէրոբ օքսիդացման պայմաններում, թթվածնի պակասով կամ բացակայությամբ, օրգանական միացության ածխածնի ատոմները, կախված այդ միացություններում թթվածնի ատոմների պարունակությունից և արտաքին պայմաններից, կարող են վերածվել CO 2, CO, C և նույնիսկ CH 4, և այլ օրգանոգենները վերածվում են H2O, NH3 և H2S:

Ամբողջական օքսիդացում մարմնում օրգանական միացություններթթվածինը օքսիդազային ֆերմենտների առկայության դեպքում (աէրոբ օքսիդացում) նկարագրվում է հավասարմամբ.

Օքսիդացման ռեակցիաների վերը նշված հավասարումներից երևում է, որ օրգանական միացություններում միայն ածխածնի ատոմներն են փոխում օքսիդացման վիճակը, մինչդեռ մյուս օրգանոգենների ատոմները պահպանում են իրենց օքսիդացման վիճակը։

Հիդրոգենացման ռեակցիաներում, այսինքն՝ ջրածնի (վերականգնիչի) ավելացումը մի քանի կապի մեջ, ածխածնի ատոմները, որոնք կազմում են այն, իջեցնում են իրենց օքսիդացման վիճակը (գործում են որպես օքսիդացնող նյութեր).

Օրգանական փոխարինման ռեակցիաները նոր միջածխածնային կապի տեսքով, օրինակ՝ Վուրցի ռեակցիայում, նույնպես ռեդոքսային ռեակցիաներ են, որոնցում ածխածնի ատոմները գործում են որպես օքսիդացնող նյութեր, իսկ մետաղի ատոմները՝ որպես վերականգնող նյութեր.

Նմանատիպը նկատվում է ձևավորման ռեակցիաներում օրգանամետաղական միացություններ:

Միևնույն ժամանակ, նոր միջածխածնային կապի ձևավորմամբ ալկիլացման ռեակցիաներում օքսիդացնող և վերականգնող նյութի դերը խաղում են համապատասխանաբար սուբստրատի և ռեագենտի ածխածնի ատոմները.

Բազմաթիվ միջածխածնային կապի միջոցով բևեռային ռեագենտի ավելացման ռեակցիաների արդյունքում ածխածնի ատոմներից մեկը նվազեցնում է օքսիդացման աստիճանը՝ ցույց տալով օքսիդացնող նյութի հատկությունները, իսկ մյուսը մեծացնում է օքսիդացման աստիճանը՝ հանդես գալով որպես նվազեցնող նյութ.

Այս դեպքերում տեղի է ունենում սուբստրատի ածխածնի ատոմների ներմոլեկուլային օքսիդացում-նվազեցման ռեակցիա, այսինքն՝ պրոցեսը. դիսմուտացիաներ,ռեագենտի ազդեցության տակ, որը չի ցուցաբերում ռեդոքս հատկություններ:

Օրգանական միացությունների ներմոլեկուլային դիսմուտացիայի տիպիկ ռեակցիաները ածխածնի ատոմների հաշվին են ամինաթթուների կամ keto թթուների դեկարբոքսիլացման ռեակցիաները, ինչպես նաև օրգանական միացությունների վերադասավորման և իզոմերացման ռեակցիաները, որոնք դիտարկվել են Բ. 9.3. Օրգանական ռեակցիաների տրված օրինակները, ինչպես նաև ռեակցիաները Վ. 9.3-ը համոզիչ կերպով ցույց է տալիս, որ օրգանական միացություններում ածխածնի ատոմները կարող են լինել և՛ օքսիդացնող, և՛ վերականգնող նյութեր:

Ածխածնի ատոմ միացության մեջ- օքսիդացնող նյութ, եթե ռեակցիայի արդյունքում ավելանում է նրա կապերի թիվը պակաս էլեկտրաբացասական տարրերի (ջրածին, մետաղներ) ատոմների հետ, քանի որ, ներգրավելով այդ կապերի ընդհանուր էլեկտրոնները, ածխածնի ատոմը նվազեցնում է իր օքսիդացման աստիճանը. .

Ածխածնի ատոմ միացության մեջ- վերականգնող նյութ, եթե ռեակցիայի արդյունքում ավելանում է նրա կապերի թիվը ավելի էլեկտրաբացասական տարրերի ատոմների հետ.(C, O, N, S), քանի որ այդ կապերի ընդհանուր էլեկտրոնները հեռացնելով, ածխածնի ատոմը մեծացնում է իր օքսիդացման վիճակը:

Այսպիսով, օրգանական քիմիայում շատ ռեակցիաներ, ածխածնի ատոմների օքսիդացման կրկնակիության պատճառով, ռեդոքս ռեակցիաներ են։ Սակայն, ի տարբերություն այս արձագանքների անօրգանական քիմիա, օրգանական միացություններում օքսիդացնող նյութի և վերականգնող նյութի միջև էլեկտրոնների վերաբաշխումը կարող է ուղեկցվել միայն քիմիական կապի ընդհանուր էլեկտրոնային զույգի տեղափոխմամբ դեպի ատոմ, որը հանդես է գալիս որպես օքսիդացնող նյութ։ Որտեղ այս կապըկարող է պահպանվել, բայց դրա ուժեղ բևեռացման դեպքում կարող է կոտրվել։

Ածխածնի միացությունների կոմպլեքսային հատկությունները.Միացություններում ածխածնի ատոմը չունի չբաշխված էլեկտրոնային զույգեր, և, հետևաբար, միայն ածխածնի միացությունները, որոնք պարունակում են բազմաթիվ կապեր նրա մասնակցությամբ, կարող են հանդես գալ որպես լիգանդներ: Հատկապես ակտիվ են բարդ առաջացման գործընթացներում ածխածնի մոնօքսիդի (2) եռակի բևեռային կապի էլեկտրոնները և հիդրոցյանաթթվի անիոնը։

Ածխածնի երկօքսիդի (2) մոլեկուլում ածխածնի և թթվածնի ատոմները ձևավորում են մեկ և մեկ կապ՝ փոխանակման մեխանիզմով իրենց երկու 2p ատոմային ուղեծրերի փոխադարձ համընկնման պատճառով։ Երրորդ կապը, այսինքն՝ ևս մեկ կապ, ձևավորվում է դոնոր-ընդունող մեխանիզմով։ Ընդունիչը ածխածնի ատոմի ազատ 2p ատոմային ուղեծիրն է, իսկ դոնորը՝ թթվածնի ատոմը, որն ապահովում է 2p ուղեծրից միայնակ զույգ էլեկտրոններ.

Կապերի ավելացված բազմակիությունը այս մոլեկուլին ապահովում է բարձր կայունություն և իներտություն նորմալ պայմաններում թթու-բազային (CO - ոչ աղ առաջացնող օքսիդ) և օքսիդացման ռեդոքս հատկությունների (CO - նվազեցնող նյութ Տ > 1000 Կ): Միևնույն ժամանակ, այն դարձնում է ակտիվ լիգանդ d-մետաղների ատոմների և կատիոնների հետ բարդ առաջացման ռեակցիաներում, հիմնականում երկաթի հետ, որի հետ այն ձևավորում է երկաթի պենտակարբոնիլ՝ ցնդող թունավոր հեղուկ.

Կրթական կարողություն բարդ միացություններ d-մետաղների կատիոններով ածխածնի մոնօքսիդի (H) թունավորության պատճառ է հանդիսանում կենդանի համակարգերի համար (Վտ. 10.4) արտահոսքի պատճառով շրջելի ռեակցիաներհեմոգլոբինի և օքսիհեմոգլոբինի հետ, որը պարունակում է Fe 2+ կատիոն՝ կարբոքսիհեմոգլոբին ձևավորելու համար.

Այս հավասարակշռությունները տեղափոխվում են կարբոքսիհեմոգլոբին HHbCO-ի ձևավորման ուղղությամբ, որի կայունությունը 210 անգամ ավելի մեծ է, քան օքսիհեմոգլոբինը HHbO2: Սա հանգեցնում է արյան մեջ կարբոքսիհեմոգլոբինի կուտակմանը և, հետևաբար, թթվածին տեղափոխելու ունակության նվազմանը։

Հիդրոցիանաթթվի անիոն CN-ը պարունակում է նաև հեշտությամբ բևեռացվող էլեկտրոններ, որոնց պատճառով այն արդյունավետորեն բարդույթներ է կազմում d-մետաղների հետ, ներառյալ կենդանի մետաղները, որոնք ֆերմենտների մաս են կազմում: Հետևաբար, ցիանիդները խիստ թունավոր միացություններ են (Բաժին 10.4):

Ածխածնի ցիկլը բնության մեջ.Բնության մեջ ածխածնի ցիկլը հիմնականում հիմնված է ածխածնի օքսիդացման և նվազեցման ռեակցիաների վրա (նկ. 12.3):

Բույսերը յուրացնում են (1) ածխածնի երկօքսիդը (4) մթնոլորտից և հիդրոսֆերայից։ Բուսական զանգվածի մի մասը սպառվում է (2) մարդու և կենդանիների կողմից։ Կենդանիների շնչառությունը և նրանց մնացորդների փտումը (3), ինչպես նաև բույսերի շնչառությունը, մահացած բույսերի փտումը և փայտի այրումը (4) CO2-ը վերադարձնում են մթնոլորտ և հիդրոսֆերա։ Բույսերի (5) և կենդանիների (6) մնացորդների հանքայնացման գործընթացը տորֆի, հանածո ածխի, նավթի, գազի ձևավորմամբ հանգեցնում է ածխածնի անցմանը բնական ռեսուրսների: Թթու-բազային ռեակցիաները (7), որոնք ընթանում են CO2-ի և տարբեր ապարների միջև՝ կարբոնատների (միջին, թթու և հիմնային) ձևավորմամբ, գործում են նույն ուղղությամբ.

Ցիկլի այս անօրգանական մասը հանգեցնում է CO2-ի կորստի մթնոլորտում և հիդրոսֆերայում: Մարդու գործունեությունը ածուխի, նավթի, գազի (8), վառելափայտի (4) այրման և վերամշակման մեջ, ընդհակառակը, հարստացնում է շրջակա միջավայրը ածխածնի երկօքսիդով (4): Երկար ժամանակ համարվում էր, որ ֆոտոսինթեզը մթնոլորտում CO2-ի կոնցենտրացիան հաստատուն է պահում։ Այնուամենայնիվ, ներկայումս մթնոլորտում CO2-ի պարունակության ավելացումը մարդու գործունեության պատճառով չի փոխհատուցվում դրա բնական նվազմամբ։ Ընդհանուր եկամուտՄթնոլորտում CO2-ը բարձրանում է երկրաչափական առաջընթացտարեկան 4-5%-ով։ Ըստ հաշվարկների՝ 2000 թվականին CO2-ի պարունակությունը մթնոլորտում կհասնի մոտավորապես 0,04%-ի՝ 0,03%-ի փոխարեն (1990 թ.)։

Ածխածին պարունակող միացությունների հատկություններն ու բնութագրերը դիտարկելուց հետո ևս մեկ անգամ պետք է ընդգծել ածխածնի առաջատար դերը։

Բրինձ. 12.3.Ածխածնի ցիկլը ներսում բնությունը

1 օրգանոգեն. նախ՝ ածխածնի ատոմները կազմում են օրգանական միացությունների մոլեկուլների կմախքը. երկրորդ, ածխածնի ատոմները առանցքային դեր են խաղում ռեդոքս պրոցեսներում, քանի որ բոլոր օրգանոգենների ատոմների մեջ ածխածնի համար է, որ առավել բնորոշ է օքսիդացման կրկնակիությունը: Օրգանական միացությունների հատկությունների մասին լրացուցիչ տեղեկությունների համար տե՛ս «Կենսօրգանական քիմիայի հիմունքները» IV մոդուլը։

ընդհանուր բնութագրերըև IVA խմբի p-տարրերի կենսաբանական դերը:Ածխածնի էլեկտրոնային անալոգներն են IVA խմբի տարրերը՝ սիլիցիումի Si, գերմանիումի Ge, անագ Sn և կապարի Pb (տես Աղյուսակ 1.2): Այս տարրերի ատոմային շառավիղները բնականաբար մեծանում են ատոմային թվի աճով, մինչդեռ դրանց իոնացման էներգիան և էլեկտրաբացասականությունը բնականաբար այս դեպքում նվազում են (Բաժ. 1.3): Հետևաբար, խմբի առաջին երկու տարրերը՝ ածխածինը և սիլիցիումը, բնորոշ ոչ մետաղներ են, իսկ գերմանիումը, անագը, կապարը՝ մետաղներ, քանի որ դրանք առավել բնութագրվում են էլեկտրոնների վերադարձով։ Ge - Sn - Pb շարքում մետաղական հատկությունները ուժեղացված են:

Redox հատկությունների տեսակետից C, Si, Ge, Sn և Pb տարրերը նորմալ պայմաններում բավականին կայուն են օդի և ջրի նկատմամբ (մետաղներ Sn և Pb՝ մակերեսի վրա օքսիդ թաղանթի ձևավորման շնորհիվ)։ Միևնույն ժամանակ կապարի(4) միացությունները ուժեղ օքսիդացնող նյութեր են.

Կոմպլեքսավորման հատկությունները առավել բնորոշ են կապարի համար, քանի որ նրա Pb 2+ կատիոնները ուժեղ կոմպլեքսավորող նյութեր են՝ համեմատած IVA խմբի մյուս p-տարրերի կատիոնների հետ: Կապարի կատիոնները բիոլիգանդների հետ կազմում են ամուր կոմպլեքսներ։

IVA խմբի տարրերը կտրուկ տարբերվում են ինչպես մարմնում պարունակությամբ, այնպես էլ իրենց կենսաբանական դերով։ Ածխածինը հիմնարար դեր է խաղում օրգանիզմի կյանքում, որտեղ նրա պարունակությունը կազմում է մոտ 20%։ IVA խմբի մնացած տարրերի մարմնում պարունակությունը գտնվում է 10 -6 -10 -3% միջակայքում: Միևնույն ժամանակ, եթե անկասկած խաղում են սիլիցիումը և գերմանիան կարևոր դերօրգանիզմի կյանքում, ապա թիթեղը և հատկապես կապարը թունավոր են։ Այսպիսով, IVA խմբի տարրերի ատոմային զանգվածի աճով մեծանում է դրանց միացությունների թունավորությունը։

Փոշին, որը բաղկացած է ածուխի կամ սիլիցիումի երկօքսիդի մասնիկներից SiO2, երբ համակարգված ենթարկվում է թոքերին, առաջացնում է հիվանդություններ՝ պնևմոկոնիոզ։ Ածխի փոշու դեպքում սա անտրակոզ է՝ հանքագործների մասնագիտական ​​հիվանդություն։ Սիլիկոզը առաջանում է Si02 պարունակող փոշին ներշնչելիս։ Պնևմոկոնիոզի զարգացման մեխանիզմը դեռ հաստատված չէ։ Ենթադրվում է, որ կենսաբանական հեղուկների հետ սիլիկատային հատիկների երկարատեւ շփման ժամանակ գելանման վիճակում առաջանում է պոլիսիլիկաթթու Si02 yH2O, որի նստվածքը բջիջներում հանգեցնում է նրանց մահվան։

Կապարի թունավոր ազդեցությունը մարդկությանը հայտնի է շատ վաղուց։ Սպասքների և ջրի խողովակների արտադրության համար կապարի օգտագործումը հանգեցրել է մարդկանց զանգվածային թունավորման։ Ներկայումս կապարը շարունակում է մնալ հիմնական աղտոտիչներից մեկը միջավայրը, քանի որ կապարի միացությունների արտանետումը մթնոլորտ կազմում է տարեկան ավելի քան 400,000 տոննա։ Կապարը կուտակվում է հիմնականում կմախքի մեջ՝ վատ լուծվող Pb3(PO4)2 ֆոսֆատի տեսքով, իսկ ոսկրերի հանքայնացման ժամանակ կանոնավոր թունավոր ազդեցություն է ունենում օրգանիզմի վրա։ Ուստի կապարը դասակարգվում է որպես կուտակային թույն։ Կապարի միացությունների թունավորությունը հիմնականում կապված է նրա կոմպլեքսավորման հատկությունների և կենսաոլիգանդների, հատկապես սուլֆհիդրիլ խմբեր (-SH) պարունակող բարձր մերձեցման հետ.

Սպիտակուցների, ֆոսֆոլիպիդների և նուկլեոտիդների հետ կապարի իոնների բարդ միացությունների առաջացումը հանգեցնում է դրանց դենատուրացիայի։ Կապարի իոնները հաճախ արգելակում են EM 2+ մետաղական ֆերմենտները՝ դրանցից տեղափոխելով կյանքի մետաղի կատիոնները.

Կապարը և դրա միացությունները թույն են, որոնք հիմնականում գործում են նյարդային համակարգ, արյունատար անոթներ և արյուն։ Միաժամանակ կապարի միացությունները ազդում են սպիտակուցների սինթեզի, բջիջների էներգետիկ հավասարակշռության և դրանց գենետիկ ապարատի վրա։

Բժշկության մեջ դրանք օգտագործվում են որպես արտաքին հականեխիչ միջոցներ՝ կապարի ացետատ Pb (CH3COO) 2 ZH2O (կապարի լոսյոններ) և կապարի (2) օքսիդ PbO (կապարի սվաղ)։ Այս միացությունների կապարի իոնները փոխազդում են մանրէաբանական բջիջների և հյուսվածքների ցիտոպլազմայի սպիտակուցների (ալբումինների) հետ՝ ձևավորելով գելանման ալբումինատներ։ Գելերի առաջացումը սպանում է մանրէները և, բացի այդ, դժվարացնում է նրանց ներթափանցումը հյուսվածքային բջիջների մեջ, ինչը նվազեցնում է տեղային բորբոքային արձագանքը։

Կարևոր տարածք գործնական կիրառություն վերջին բացահայտումներըֆիզիկայի, քիմիայի և նույնիսկ աստղագիտության ոլորտում՝ անսովոր, երբեմն եզակի հատկություններով նոր նյութերի ստեղծում և ուսումնասիրություն։ Թե ինչ ուղղություններով են իրականացվում այդ աշխատանքները, և ինչի են արդեն հաջողվել հասնել գիտնականներին, մենք կպատմենք Ուրալի դաշնային համալսարանի հետ համատեղ ստեղծված հոդվածների շարքում։ Մեր առաջին տեքստը նվիրված է արտասովոր նյութերին, որոնք կարելի է ձեռք բերել ամենատարածված նյութից՝ ածխածնից:

Եթե ​​քիմիկոսին հարցնեք, թե որ տարրն է ամենակարևորը, կարող եք շատ տարբեր պատասխաններ ստանալ: Ինչ-որ մեկը կասի ջրածնի մասին՝ տիեզերքի ամենատարածված տարրը, մեկը՝ թթվածնի մասին՝ երկրակեղևի ամենատարածված տարրը: Բայց ամենից հաճախ դուք կլսեք «ածխածին» պատասխանը՝ հենց նա է ընկած բոլոր օրգանական նյութերի հիմքում՝ ԴՆԹ-ից և սպիտակուցներից մինչև սպիրտներ և ածխաջրածիններ:

Մեր հոդվածը նվիրված է այս տարրի տարբեր արտաքին տեսքին. պարզվում է, որ տասնյակ տարբեր նյութեր կարելի է կառուցել միայն նրա ատոմներից՝ գրաֆիտից մինչև ադամանդ, կարբինից մինչև ֆուլերեններ և նանոխողովակներ: Թեև դրանք բոլորը բաղկացած են նույն ածխածնի ատոմներից, դրանց հատկությունները արմատապես տարբեր են, և նյութի մեջ ատոմների դասավորությունը մեծ դեր է խաղում դրանում:

Գրաֆիտ

Ամենից հաճախ բնության մեջ մաքուր ածխածինը կարելի է գտնել գրաֆիտի տեսքով՝ փափուկ սև նյութ, որը հեշտությամբ շերտազատվում է և թվում է, թե դիպչելիս սայթաքուն է: Շատերը կարող են հիշել, որ մատիտի խողովակները պատրաստված են գրաֆիտից, բայց դա միշտ չէ, որ ճիշտ է: Հաճախ կապարը պատրաստվում է գրաֆիտի չիպսերի և սոսինձի խառնուրդից, սակայն կան նաև ամբողջությամբ գրաֆիտի մատիտներ: Հետաքրքիր է, որ բնական գրաֆիտի համաշխարհային արտադրության ավելի քան մեկ քսաներորդը ծախսվում է մատիտների վրա:

Ինչն է հատուկ գրաֆիտի մասին: Նախ, այն լավ է փոխանցում էլեկտրականությունը, թեև ածխածինը ինքնին նման չէ այլ մետաղների: Եթե ​​վերցնենք գրաֆիտային թիթեղը, ապա կստացվի, որ նրա հարթության երկայնքով հաղորդունակությունը մոտ հարյուր անգամ ավելի մեծ է, քան լայնակի ուղղությամբ։ Սա ուղղակիորեն կապված է նյութի մեջ ածխածնի ատոմների կազմակերպման հետ:

Եթե ​​նայենք գրաֆիտի կառուցվածքին, ապա կտեսնենք, որ այն բաղկացած է մեկ ատոմ հաստությամբ առանձին շերտերից։ Շերտերից յուրաքանչյուրը վեցանկյունների ցանց է, որը հիշեցնում է բջիջ: Շերտի ներսում ածխածնի ատոմները կապված են կովալենտային քիմիական կապերով։ Ավելին, որոշ էլեկտրոններ, որոնք ապահովում են քիմիական կապը, «քսված» են ամբողջ հարթության վրա։ Նրանց շարժման հեշտությունը որոշում է գրաֆիտի բարձր հաղորդունակությունը ածխածնի փաթիլների հարթության վրա:

Առանձին շերտերը փոխկապակցված են վան դեր Վալսյան ուժերի պատճառով. դրանք շատ ավելի թույլ են, քան սովորական քիմիական կապը, բայց բավարար են ապահովելու համար, որ գրաֆիտի բյուրեղը ինքնաբերաբար չի շերտազատվի: Նման անհամապատասխանությունը հանգեցնում է նրան, որ էլեկտրոնների համար շատ ավելի դժվար է շարժվել ինքնաթիռներին ուղղահայաց՝ էլեկտրական դիմադրությունը մեծանում է 100 անգամ։

Շնորհիվ իր էլեկտրական հաղորդունակության, ինչպես նաև այլ տարրերի ատոմները շերտերի միջև ներդնելու ունակության, գրաֆիտն օգտագործվում է որպես լիթիում-իոնային մարտկոցների և հոսանքի այլ աղբյուրների անոդներ։ Գրաֆիտային էլեկտրոդները անհրաժեշտ են մետաղական ալյումինի արտադրության համար, և նույնիսկ տրոլեյբուսներում օգտագործվում են ընթացիկ կոլեկտորների գրաֆիտային լոգարիթմական կոնտակտներ:

Բացի այդ, գրաֆիտը դիամագնիս է, որն ունի մեկ միավորի զանգվածի վրա ամենաբարձր ընկալունակությունը: Սա նշանակում է, որ եթե գրաֆիտի մի կտոր տեղադրեք մագնիսական դաշտում, ապա այն ամեն կերպ կփորձի դուրս մղել այս դաշտն իրենից՝ այն աստիճանի, որ գրաֆիտը կարող է լևիտանալ բավականաչափ ուժեղ մագնիսի վրա:

Իսկ գրաֆիտի վերջին կարևոր հատկությունը նրա անհավանական հրակայունությունն է։ Այսօրվա ամենահրակայուն նյութը հաֆնիումի կարբիդներից մեկն է, որի հալման ջերմաստիճանը կազմում է մոտ 4000 աստիճան Ցելսիուս: Այնուամենայնիվ, եթե փորձեք հալեցնել գրաֆիտը, ապա մոտ հարյուր մթնոլորտի ճնշման դեպքում այն ​​կպահպանի կարծրությունը մինչև 4800 աստիճան Ցելսիուս (մթնոլորտային ճնշման դեպքում գրաֆիտը սուբլիմացվում է՝ գոլորշիանում՝ շրջանցելով հեղուկ փուլը): Արդյունքում գրաֆիտի վրա հիմնված նյութերն օգտագործվում են, օրինակ, հրթիռային վարդակների մարմիններում։

Ադամանդ

Ճնշման տակ գտնվող շատ նյութեր սկսում են փոխել իրենց ատոմային կառուցվածքը. տեղի է ունենում փուլային անցում: Գրաֆիտը այս առումով ոչնչով չի տարբերվում մյուս նյութերից։ Հարյուր հազար մթնոլորտի ճնշման և 1–2 հազար աստիճանի ջերմաստիճանի դեպքում ածխածնի շերտերը սկսում են մոտենալ միմյանց, քիմիական կապեր, և երբ հարթ ինքնաթիռները դառնում են ծալքավոր: Ձևավորվում է ադամանդ՝ ածխածնի ամենագեղեցիկ ձևերից մեկը։

Ադամանդի հատկությունները արմատապես տարբերվում են գրաֆիտի հատկություններից. այն կոշտ թափանցիկ նյութ է: Չափազանց դժվար է քերծվել (Մոհսի կարծրության սանդղակով 10-ի տերը, սա առավելագույն կարծրություն է): Միևնույն ժամանակ ադամանդի և գրաֆիտի էլեկտրական հաղորդունակությունը տարբերվում է կվինտիլիոն գործակցով (սա 18 զրո ունեցող թիվ է)։

Ադամանդ ժայռի մեջ

Wikimedia Commons

Սա որոշում է ադամանդի օգտագործումը. արդյունահանվող և արհեստական ​​ադամանդների մեծ մասն օգտագործվում է մետաղամշակման և այլ ոլորտներում: Օրինակ՝ ադամանդի փոշիով կամ ծածկույթով հղկվող անիվները և կտրող գործիքները լայն տարածում ունեն։ Ադամանդե ծածկույթները օգտագործվում են նույնիսկ վիրաբուժության մեջ՝ scalpels-ի համար: Այս քարերի օգտագործումը ոսկերչական արդյունաբերության մեջ քաջ հայտնի է բոլորին։

Զարմանալի կարծրություն օգտագործվում է նաև գիտական ​​հետազոտություններում՝ բարձրորակ ադամանդների օգնությամբ է, որ լաբորատորիաներն ուսումնասիրում են նյութերը միլիոնավոր մթնոլորտների ճնշման տակ: Այս մասին ավելին կարող եք կարդալ մեր նյութում «»:

Գրաֆեն

Գրաֆիտը սեղմելու և տաքացնելու փոխարեն՝ մենք, հետևելով Անդրեյ Գեյմին և Կոնստանտին Նովոսելովին, գրաֆիտի բյուրեղին կպչենք մի կտոր կպչուն ժապավեն։ Այնուհետև կեղևազրկեք՝ կպչուն ժապավենի վրա կմնա գրաֆիտի բարակ շերտ։ Կրկնենք այս գործողությունը ևս մեկ անգամ՝ ժապավենը քսել բարակ շերտի վրա և նորից հանել այն։ Շերտը էլ ավելի բարակ կդառնա։ Գործընթացը ևս մի քանի անգամ կրկնելով՝ ստանում ենք գրաֆեն՝ այն նյութը, որի համար 2010 թվականին վերոհիշյալ բրիտանացի ֆիզիկոսները Նոբելյան մրցանակ են ստացել։

Գրաֆենը ածխածնի ատոմների հարթ միաշերտ է, որը լիովին նույնական է գրաֆիտի ատոմային շերտերին։ Դրա ժողովրդականությունը պայմանավորված է նրանում առկա էլեկտրոնների անսովոր պահվածքով։ Նրանք շարժվում են այնպես, կարծես ընդհանրապես զանգված չունեն։ Իրականում, իհարկե, էլեկտրոնների զանգվածը մնում է նույնը, ինչ ցանկացած նյութում։ Ամեն ինչում մեղավոր են գրաֆենի շրջանակի ածխածնի ատոմները՝ ձգելով լիցքավորված մասնիկներ և ձևավորելով հատուկ պարբերական դաշտ։

Գրաֆենի վրա հիմնված սարք. Լուսանկարի հետին պլանում ոսկե կոնտակտներ են, դրանց վերևում գրաֆեն է, վերևում՝ պոլիմեթիլ մետակրիլատի բարակ շերտ։

Ինժեներություն Քեմբրիջում / flickr.com

Այս պահվածքի հետևանքը էլեկտրոնների բարձր շարժունակությունն էր՝ դրանք գրաֆենի մեջ շատ ավելի արագ են շարժվում, քան սիլիցիումում։ Այդ իսկ պատճառով շատ գիտնականներ հույս ունեն, որ գրաֆենը կդառնա ապագայի էլեկտրոնիկայի հիմքը։

Հետաքրքիր է, որ գրաֆենն ունի ածխածնի նմանակներ - և. Դրանցից առաջինը բաղկացած է մի փոքր աղավաղված հնգանկյուն հատվածներից և, ի տարբերություն գրաֆենի, էլեկտրական հոսանքի վատ հաղորդիչ է: Ֆագրաֆենը բաղկացած է հինգ, վեց և յոթանկյուն հատվածներից։ Եթե ​​գրաֆենի հատկությունները բոլոր ուղղություններով նույնն են, ապա ֆագրաֆենը կունենա հատկությունների ընդգծված անիզոտրոպիա։ Այս երկու նյութերն էլ տեսականորեն կանխատեսված էին, բայց իրականում դեռ գոյություն չունեն։

Սիլիկոնային միաբյուրեղի մի հատված (առաջին պլանում) ածխածնային նանոխողովակների ուղղահայաց զանգվածի վրա

ածխածնային նանոխողովակներ

Պատկերացրեք, որ դուք գրաֆենի թերթի մի փոքրիկ կտոր գլորել եք խողովակի մեջ և ծայրերը սոսնձել: Արդյունքը եղավ խոռոչ կառուցվածքը, որը բաղկացած էր ածխածնի ատոմների նույն վեցանկյուններից, ինչ գրաֆենը և գրաֆիտը՝ ածխածնային նանոխողովակ: Այս նյութը շատ առումներով կապված է գրաֆենի հետ. այն ունի բարձր մեխանիկական ուժ (մի անգամ առաջարկվել է ածխածնային նանոխողովակներից վերելակ կառուցել տիեզերք), էլեկտրոնների բարձր շարժունակություն:

Այնուամենայնիվ, կա մեկ անսովոր առանձնահատկություն. Գրաֆենի թերթիկը կարող է ոլորվել երևակայական եզրին զուգահեռ (վեցանկյուններից մեկի կողմը) կամ անկյան տակ։ Պարզվում է, որ այն, թե ինչպես ենք մենք ոլորում ածխածնային նանոխողովակը, մեծապես կազդի նրա էլեկտրոնային հատկությունների վրա, այն է՝ այն ավելի շատ նման կլինի կիսահաղորդչի՝ ժապավենի բացվածքով կամ մետաղի:

Բազմաշերտ ածխածնային նանոխողովակ

Wikimedia Commons

Երբ առաջին անգամ հայտնաբերվեցին ածխածնային նանոխողովակներ, հստակ հայտնի չէ: 1950-1980-ական թվականներին հետազոտողների տարբեր խմբեր, որոնք ներգրավված էին ածխաջրածինների հետ կապված ռեակցիաների կատալիզմանը (օրինակ՝ մեթանի պիրոլիզը) ուշադրություն դարձրին մուրի երկարացված կառուցվածքներին, որոնք պատում էին կատալիզատորը։ Այժմ, որպեսզի սինթեզեն ածխածնային նանոխողովակներ միայն որոշակի տեսակի (կոնկրետ քիրալիայի), քիմիկոսներն առաջարկում են օգտագործել հատուկ սերմեր։ Սրանք փոքր մոլեկուլներ են օղակների տեսքով, որոնք իրենց հերթին բաղկացած են վեցանկյուն բենզոլային օղակներից։ Դուք կարող եք կարդալ դրանց սինթեզի աշխատանքի մասին, օրինակ,.

Ինչպես գրաֆենը, այնպես էլ ածխածնային նանոխողովակները կարող են մեծ կիրառություն գտնել միկրոէլեկտրոնիկայի մեջ: Արդեն ստեղծվել են նանոխողովակների վրա հիմնված առաջին տրանզիստորները, որոնք իրենց հատկություններով ավանդական սիլիկոնային սարքեր են։ Բացի այդ, նանոխողովակները հիմք են հանդիսացել տրանզիստորի հետ:

Կարաբին

Խոսելով ածխածնի ատոմների երկարավուն կառուցվածքների մասին՝ չի կարելի չհիշատակել կարաբինները։ Սրանք գծային շղթաներ են, որոնք, ըստ տեսաբանների, կարող են լինել ամենաամուր նյութը (խոսքը կոնկրետ ամրության մասին է)։ Օրինակ, Յանգի մոդուլը կարաբինի համար գնահատվում է 10 գիգանյուտոն մեկ կիլոգրամի համար: Պողպատի համար այս ցուցանիշը 400 անգամ պակաս է, գրաֆենի համար՝ առնվազն երկու անգամ պակաս։

Նիհար թել ձգվում է մինչև երկաթի մասնիկը ներքևում՝ կարաբին

Wikimedia Commons

Կարբինները երկու տեսակի են՝ կախված նրանից, թե ինչպես են դասավորված ածխածնի ատոմների միջև կապերը։ Եթե ​​շղթայի բոլոր կապերը նույնն են, ապա խոսքը կումուլենի մասին է, իսկ եթե կապերը հերթափոխ են լինում (մեկ-եռակի-մեկ-եռակի և այլն), ապա խոսքը պոլիինների մասին է։ Ֆիզիկոսները ցույց են տվել, որ կարաբինային թելը կարելի է «փոխարկել» այս երկու տեսակների միջև դեֆորմացիայի միջոցով՝ ձգվելիս կումուլենը վերածվում է պոլիինի։ Հետաքրքիր է, որ սա արմատապես փոխվում է էլեկտրական հատկություններկարաբին. Եթե ​​պոլիինը փոխանցում է էլեկտրականություն, ապա կումուլենը դիէլեկտրիկ է։

Կարբինների ուսումնասիրության հիմնական դժվարությունն այն է, որ դրանք շատ դժվար է սինթեզվում։ Դա քիմիական է ակտիվ նյութերև հեշտությամբ օքսիդանում են։ Այսօր շղթաների երկարությունը ընդամենը վեց հազար ատոմ է: Դրան հասնելու համար քիմիկոսները պետք է կարբին աճեցնեին ածխածնային նանոխողովակի ներսում: Բացի այդ, կարաբինի սինթեզը կօգնի կոտրել դարպասի չափի ռեկորդը տրանզիստորի մեջ. այն կարող է կրճատվել մինչև մեկ ատոմ:

Ֆուլերեններ

Թեև վեցանկյունը ածխածնի ատոմների ձևավորման ամենակայուն կոնֆիգուրացիաներից մեկն է, կա կոմպակտ առարկաների մի ամբողջ դաս, որտեղ կանոնավոր հնգանկյունածխածնից։ Այս առարկաները կոչվում են ֆուլերեններ:

1985 թ.-ին Հարոլդ Կրոտոն, Ռոբերտ Քերլը և Ռիչարդ Սմալլին ուսումնասիրեցին ածխածնի գոլորշին և թե ինչ բեկորների մեջ են ածխածնի ատոմները սառչելիս: Պարզվեց, որ գազային փուլում երկու դասի օբյեկտներ կան. Առաջինը 2–25 ատոմներից բաղկացած կլաստերներ են՝ շղթաներ, օղակներ և այլ պարզ կառուցվածքներ։ Երկրորդը 40–150 ատոմներից բաղկացած կլաստերներն են, որոնք նախկինում չեն նկատվել։ Հաջորդ հինգ տարիների ընթացքում քիմիկոսները կարողացան ապացուցել, որ այս երկրորդ դասը ածխածնի ատոմների սնամեջ շրջանակ էր, որոնցից ամենակայունը բաղկացած էր 60 ատոմից և ուներ ֆուտբոլի գնդակի ձև: C 60, կամ buckminsterfullerene, բաղկացած էր քսան վեցանկյուն հատվածներից և 12 հնգանկյուն հատվածներից, որոնք ամրացված էին միասին գնդակի մեջ:

Ֆուլերենների հայտնաբերումը մեծ հետաքրքրություն առաջացրեց քիմիկոսների մոտ։ Այնուհետև սինթեզվեց էնդոֆուլերենների անսովոր դաս՝ ֆուլերեններ, որոնց խոռոչում կար որևէ օտար ատոմ կամ փոքր մոլեկուլ։ Օրինակ՝ ընդամենը մեկ տարի առաջ ֆուլերենի մեջ առաջին անգամ ներմուծվեց հիդրոֆտորաթթվի մոլեկուլ, որը հնարավորություն տվեց շատ ճշգրիտ որոշել դրա էլեկտրոնային հատկությունները։

Ֆուլերիտներ - ֆուլերենի բյուրեղներ

Wikimedia Commons

1991-ին պարզվեց, որ ֆուլերիդները՝ ֆուլերենի բյուրեղները, որոնցում հարևան պոլիեդրների միջև խոռոչների մի մասը զբաղեցնում են մետաղները, մոլեկուլային գերհաղորդիչներ են այս դասի համար ռեկորդային բարձր անցումային ջերմաստիճանով, մասնավորապես՝ 18 կելվին (K 3 C 60-ի համար): Հետագայում ֆուլերիդներ են հայտնաբերվել նույնիսկ ավելի բարձր անցումային ջերմաստիճանով՝ 33 կելվին, Cs 2 RbC 60: Պարզվեց, որ նման հատկությունները ուղղակիորեն կապված են նյութի էլեկտրոնային կառուցվածքի հետ։

Q-ածխածին

Ածխածնի վերջերս հայտնաբերված ձևերից կարելի է նշել, այսպես կոչված, Q-ածխածինը։ Նա առաջին ամերիկացի նյութագետն էր Հյուսիսային Կարոլինայի համալսարանից 2015 թվականին: Գիտնականները ամորֆ ածխածինը ճառագայթել են հզոր լազերով՝ նյութը տեղային տաքացնելով մինչև 4000 աստիճան Ցելսիուս: Արդյունքում, նյութի բոլոր ածխածնի ատոմների մոտ մեկ քառորդը վերցրեց sp 2 հիբրիդացում, այսինքն, նույն էլեկտրոնային վիճակը, ինչ գրաֆիտում: Մնացած Q-ածխածնի ատոմները պահպանել են ադամանդի հիբրիդացման հատկանիշը։

Q-ածխածին

Ի տարբերություն ադամանդի, գրաֆիտի և ածխածնի այլ ձևերի, Q-ածխածինը ֆերոմագնիս է, ինչպիսիք են մագնիտիտը կամ երկաթը: Միևնույն ժամանակ, նրա Կյուրիի ջերմաստիճանը մոտ 220 աստիճան Ցելսիուս էր. միայն այդպիսի տաքացման դեպքում նյութը կորցրեց իր մագնիսական հատկությունները: Եվ երբ Q-ածխածինը լիցքավորվեց բորով, ֆիզիկոսները ստացան ևս մեկ ածխածնային գերհաղորդիչ՝ մոտ 58 կելվին անցումային ջերմաստիճանով:

***

Թվարկված են ածխածնի ոչ բոլոր հայտնի ձևերը: Ավելին, հենց հիմա տեսաբաններն ու փորձարարները ստեղծում և ուսումնասիրում են նոր ածխածնային նյութեր։ Մասնավորապես, նման աշխատանքներ են իրականացվում Ուրալում դաշնային համալսարան. Մենք դիմեցինք Անատոլի Ֆեդորովիչ Զացեպինին՝ Ուրալի դաշնային համալսարանի ֆիզիկայի և տեխնոլոգիայի ինստիտուտի դոցենտ և գլխավոր գիտաշխատողին՝ պարզելու, թե ինչպես կարելի է կանխատեսել դեռևս չսինթեզված նյութերի հատկությունները և ստեղծել ածխածնի նոր ձևեր:

Անատոլի Զացեպինը աշխատում է վեց բեկումներից մեկի վրա գիտական ​​նախագծերՈւրալի դաշնային համալսարան «Նոր հիմնարար հիմքերի զարգացում ֆունկցիոնալ նյութերհիմնված ածխածնի ցածրաչափ փոփոխությունների վրա»: Աշխատանքներն իրականացվում են Ռուսաստանի և աշխարհի ակադեմիական և արդյունաբերական գործընկերների հետ։

Ծրագիրն իրականացվում է համալսարանի ռազմավարական ակադեմիական ստորաբաժանման (UFU) ֆիզիկատեխնիկական ինստիտուտի կողմից: Համալսարանի պաշտոնը ռուսերեն և միջազգային վարկանիշային աղյուսակ, հատկապես թեմայում։

N+1. Ածխածնային նանոնյութերի հատկությունները խիստ կախված են կառուցվածքից և շատ տարբեր են: Հնարավո՞ր է նախապես ինչ-որ կերպ կանխատեսել նյութի հատկությունները նրա կառուցվածքից:

Անատոլի Զացեպին.Կարելի է կանխատեսել, և մենք դա անում ենք։ Կան համակարգչային մոդելավորման մեթոդներ, որոնք կատարում են առաջին սկզբունքների հաշվարկները ( ի սկզբանե) - մենք դնում ենք որոշակի կառուցվածք, մոդելավորում և վերցնում այս կառուցվածքը կազմող ատոմների բոլոր հիմնարար բնութագրերը: Արդյունքում ստացվում են այն հատկությունները, որոնք կարող են ունենալ այն նյութը կամ նոր նյութը, որը մենք մոդելավորում ենք։ Մասնավորապես, ածխածնի հետ կապված, մենք կարողացանք մոդելավորել բնությանը անհայտ նոր փոփոխություններ: Դրանք կարելի է արհեստականորեն ստեղծել։

Մասնավորապես, Ուրալի դաշնային համալսարանի մեր լաբորատորիան ներկայումս մշակում, սինթեզում և ուսումնասիրում է ածխածնի նոր տեսակի հատկությունները: Այն կարելի է անվանել այսպես՝ երկչափ դասավորված գծային շղթայական ածխածին։ Նման երկար անվանումը պայմանավորված է նրանով, որ այս նյութը այսպես կոչված 2D կառուցվածք է։ Սրանք թաղանթներ են, որոնք կազմված են առանձին ածխածնային շղթաներից, և յուրաքանչյուր շղթայի ներսում ածխածնի ատոմները նույնն են: քիմիական ձև» - sp 1 -հիբրիդացում. Սա նյութին տալիս է բոլորովին անսովոր հատկություններ, sp 1-ածխածնային շղթաներում ամրությունը գերազանցում է ադամանդի և ածխածնի այլ փոփոխությունների ուժը:

Երբ այս շղթաներից ֆիլմեր ենք կազմում, ստանում ենք նոր նյութ, որն ունի ածխածնային շղթաներին բնորոշ հատկություններ, գումարած այս կարգավորված շղթաների համակցությունը հատուկ հիմքի վրա երկչափ կառուցվածք կամ գերվանդակ է ստեղծում: Նման նյութը մեծ հեռանկարներ ունի ոչ միայն իր մեխանիկական հատկությունների շնորհիվ: Ամենակարևորն այն է, որ որոշակի կոնֆիգուրացիայի մեջ ածխածնային շղթաները կարող են փակվել օղակի մեջ, և առաջանում են շատ հետաքրքիր հատկություններ, ինչպիսիք են գերհաղորդականությունը, և նման նյութերի մագնիսական հատկությունները կարող են ավելի լավ լինել, քան գոյություն ունեցող ֆերոմագնիսները:

Խնդիրը մնում է դրանք իրականում ստեղծելը: Մեր սիմուլյացիան ցույց է տալիս գնալու ճանապարհը:

Որքա՞ն են տարբերվում նյութերի իրական և կանխատեսված հատկությունները:

Սխալը միշտ կա, բայց փաստն այն է, որ հաշվարկների և մոդելավորման առաջին սկզբունքներն օգտագործում են առանձին ատոմների հիմնարար բնութագրերը՝ քվանտային հատկությունները: Եվ երբ այս քվանտային ատոմներից կառուցվածքներ են ձևավորվում նման միկրո և նանոմակարդակում, ապա սխալները կապված են. առկա սահմանափակումտեսությունը և այն մոդելները, որոնք գոյություն ունեն: Օրինակ, հայտնի է, որ Շրյոդինգերի հավասարումը կարող է ճշգրիտ լուծվել միայն ջրածնի ատոմի համար, մինչդեռ ավելի ծանր ատոմների համար պետք է օգտագործվեն որոշակի մոտարկումներ, եթե խոսքը վերաբերում է. պինդ նյութերկամ ավելի բարդ համակարգեր:

Մյուս կողմից, սխալներ կարող են առաջանալ համակարգչային հաշվարկների պատճառով: Այս ամենով հանդերձ, կոպիտ սխալները բացառվում են, և ճշգրտությունը բավական է կանխատեսելու այս կամ այն ​​հատկությունը կամ ազդեցությունը, որը բնորոշ կլինի տվյալ նյութին:

Քանի՞ նյութ կարելի է կանխատեսել նման եղանակներով։

Երբ խոսքը վերաբերում է ածխածնային նյութերին, կան բազմաթիվ տատանումներ, և ես վստահ եմ, որ դեռ շատ բան չի ուսումնասիրվել և բացահայտվել: UrFU-ն ունի ամեն ինչ նոր ածխածնային նյութերի հետազոտման համար, և առջևում շատ աշխատանք կա:

Մենք գործ ունենք նաև այլ օբյեկտների հետ, օրինակ՝ միկրոէլեկտրոնիկայի համար նախատեսված սիլիցիումային նյութերի հետ: Սիլիցիումն ու ածխածինը, ի դեպ, անալոգներ են, պարբերական աղյուսակում նրանք նույն խմբում են։

Վլադիմիր Կորոլև

Ադամանդի կառուցվածք (Ա)և գրաֆիտ (բ)

Ածխածին(լատիներեն carboneum) - C, Մենդելեևի պարբերական համակարգի IV խմբի քիմիական տարր, ատոմային թիվ 6, ատոմային զանգված 12,011։ Բնության մեջ հանդիպում է ադամանդի, գրաֆիտի կամ ֆուլերինի և այլ ձևերի բյուրեղների տեսքով և օրգանական (ածուխ, յուղ, կենդանական և բուսական օրգանիզմներ և այլն) և անօրգանական նյութերի (կրաքար, խմորի սոդա և այլն) մաս է։ Ածխածինը տարածված է, սակայն երկրակեղևում դրա պարունակությունը կազմում է ընդամենը 0,19%։

Ածխածինը լայնորեն կիրառվում է պարզ նյութերի տեսքով։ Բացի թանկարժեք ադամանդներից, որոնք զարդերի առարկա են, մեծ նշանակությունունեն արդյունաբերական ադամանդներ՝ հղկման և կտրող գործիքների արտադրության համար։ Ածուխը և ածխածնի այլ ամորֆ ձևերը օգտագործվում են գունազերծման, մաքրման, գազերի կլանման համար, տեխնոլոգիայի այն ոլորտներում, որտեղ անհրաժեշտ են զարգացած մակերեսով ներծծող նյութեր: Կարբիդները, ածխածնի միացությունները մետաղների, ինչպես նաև բորի և սիլիցիումի հետ (օրինակ՝ Al 4 C 3, SiC, B 4 C) խիստ կարծր են և օգտագործվում են հղկող և կտրող գործիքներ պատրաստելու համար։ Ածխածինը առկա է պողպատներում և համաձուլվածքներում տարերային վիճակում և կարբիդների տեսքով։ Պողպատե ձուլվածքների մակերևույթի հագեցվածությունը ածխածնով բարձր ջերմաստիճանում (ածխաջրացում) զգալիորեն մեծացնում է մակերեսի կարծրությունը և մաշվածության դիմադրությունը:

Պատմական անդրադարձ

Գրաֆիտը, ադամանդը և ամորֆ ածխածինը հայտնի են դեռևս հին ժամանակներից։ Վաղուց հայտնի է, որ գրաֆիտով կարելի է նշել նաև այլ նյութեր, և հենց «գրաֆիտ» անվանումը, որը ծագում է հունարեն «գրել» բառից, առաջարկվել է Ա. Վերների կողմից 1789 թվականին: Այնուամենայնիվ, գրաֆիտի պատմությունը հետևյալն է. շփոթված, հաճախ նմանատիպ արտաքին ֆիզիկական հատկություններ ունեցող նյութերը սխալմամբ շփոթվում էին դրա հետ: , օրինակ՝ մոլիբդենիտը (մոլիբդենի սուլֆիդ), որը ժամանակին համարվում էր գրաֆիտ: Գրաֆիտի այլ անվանումներից հայտնի են «սև կապար», «երկաթի կարբիդ», «արծաթ կապար»։

1779 թվականին Կ. Շելեն պարզեց, որ գրաֆիտը կարող է օքսիդացվել օդի հետ՝ առաջացնելով ածխաթթու գազ։ Առաջին անգամ ադամանդները կիրառվեցին Հնդկաստանում, իսկ Բրազիլիայում թանկարժեք քարերը առևտրային նշանակություն ձեռք բերեցին 1725 թ. Հարավային Աֆրիկայում հանքավայրերը հայտնաբերվել են 1867 թ.

20-րդ դարում Ադամանդների հիմնական արտադրողներն են Հարավային Աֆրիկան, Զաիրը, Բոտսվանան, Նամիբիան, Անգոլան, Սիերա Լեոնեն, Տանզանիան և Ռուսաստանը: Արհեստական ​​ադամանդները, որոնց տեխնոլոգիան ստեղծվել է 1970 թվականին, արտադրվում են արդյունաբերական նպատակներով։

Հատկություններ

Հայտնի են ածխածնի չորս բյուրեղային փոփոխություններ.

• գրաֆիտ,
• ադամանդ,
• կարաբին,
• lonsdaleite.

Գրաֆիտ- մոխրագույն-սև, անթափանց, դիպչելիս յուղոտ, թեփուկավոր, մետաղական փայլով շատ փափուկ զանգված: Սենյակային ջերմաստիճանում և նորմալ ճնշման դեպքում (0,1 MN/m2, կամ 1 kgf/cm2) գրաֆիտը թերմոդինամիկորեն կայուն է։

Ադամանդ- շատ պինդ, բյուրեղային նյութ: Բյուրեղները ունեն խորանարդ դեմքի կենտրոնացված վանդակ: Սենյակային ջերմաստիճանում և նորմալ ճնշման դեպքում ադամանդը մետակայուն է: Ադամանդի նկատելի փոխակերպումը գրաֆիտի նկատվում է վակուումում կամ իներտ մթնոլորտում 1400°C-ից բարձր ջերմաստիճանում: Մթնոլորտային ճնշման և մոտ 3700 ° C ջերմաստիճանի դեպքում գրաֆիտը սուբլիմացվում է:

Հեղուկ ածխածին կարելի է ստանալ 10,5 ՄՆ/մ2 (105 կգֆ/սմ2) և 3700°C-ից բարձր ջերմաստիճաններում: Պինդ ածխածինը (կոքս, մուր, փայտածուխ) բնութագրվում է նաև անկարգ կառուցվածքով վիճակով՝ այսպես կոչված «ամորֆ» ածխածինով, որը ինքնուրույն մոդիֆիկացում չէ. դրա կառուցվածքը հիմնված է մանրահատիկ գրաֆիտի կառուցվածքի վրա: «Ամորֆ» ածխածնի որոշ տեսակների տաքացնելը 1500-1600 ° C-ից բարձր առանց օդի առաջացնում է դրանց փոխակերպումը գրաֆիտի:

«Ամորֆ» ածխածնի ֆիզիկական հատկությունները խիստ կախված են մասնիկների ցրվածությունից և կեղտերի առկայությունից։ «Ամորֆ» ածխածնի խտությունը, ջերմային հզորությունը, ջերմային հաղորդունակությունը և էլեկտրական հաղորդունակությունը միշտ ավելի բարձր են, քան գրաֆիտը։

Կարաբինստացված արհեստական ​​ճանապարհով: Այն սև գույնի նուրբ բյուրեղային փոշի է (խտությունը՝ 1,9-2 գ/սմ 3)։ Կառուցված է ատոմների երկար շղթաներից ՀԵՏիրար զուգահեռ դրված.

Լոնսդեյլիտհայտնաբերվել է երկնաքարերում և ստացվել արհեստականորեն. դրա կառուցվածքն ու հատկությունները վերջնականապես չեն հաստատվել։

Ածխածնի հատկությունները
ատոմային համարը		6
Ատոմային զանգված		12,011
Իզոտոպներ:	կայուն	12, 13
	անկայուն	8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
Հալման ջերմաստիճանը		3550°С
Եռման ջերմաստիճանը		4200°С
Խտություն		1,9-2,3 գ / սմ 3 (գրաֆիտ) 3,5-3,53 գ / սմ 3 (ադամանդ)
Կարծրություն (Mohs)		1-2
Երկրակեղևի պարունակությունը (զանգված.)		0,19%
Օքսիդացման վիճակներ		-4; +2; +4

համաձուլվածքներ

Պողպատե

Կոկը մետաղագործության մեջ օգտագործվում է որպես վերականգնող նյութ։ Ածուխ - դարբնոցներում վառոդ ստանալու համար (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), գազերը կլանելու (ադսորբցիա), ինչպես նաև առօրյա կյանքում։ Մուրն օգտագործվում է որպես ռետինե լցոնիչ, սև ներկերի՝ տպագրական թանաքի և թանաքի, ինչպես նաև չոր գալվանական բջիջների արտադրության համար։ Ապակե ածխածինը օգտագործվում է բարձր ագրեսիվ միջավայրերի, ինչպես նաև ավիացիայի և տիեզերագնացության համար սարքավորումների արտադրության համար:

Ակտիվացված փայտածուխը կլանում է գազերից և հեղուկներից վնասակար նյութերը. լցնում են հակագազեր, մաքրման համակարգեր, օգտագործվում է բժշկության մեջ թունավորման համար։

Ածխածինը բոլոր օրգանական նյութերի հիմքն է։ Յուրաքանչյուր կենդանի օրգանիզմ հիմնականում կազմված է ածխածնից։ Ածխածինը կյանքի հիմքն է։ Կենդանի օրգանիզմների համար ածխածնի աղբյուրը սովորաբար մթնոլորտից կամ ջրից CO 2 է: Ֆոտոսինթեզի արդյունքում այն ​​մտնում է կենսաբանական սննդային շղթաներ, որոնցում կենդանի էակները ուտում են միմյանց կամ միմյանց մնացորդները և դրանով իսկ ածխածին են արդյունահանում՝ սեփական մարմինը կառուցելու համար: Ածխածնի կենսաբանական ցիկլը ավարտվում է կա՛մ օքսիդացումով և վերադարձով դեպի մթնոլորտ, կա՛մ ածխի կամ նավթի տեսքով հեռացմամբ։

Հաջողությանը նպաստեց ռադիոակտիվ 14 C իզոտոպի օգտագործումը մոլեկուլային կենսաբանությունսպիտակուցների կենսասինթեզի և ժառանգական տեղեկատվության փոխանցման մեխանիզմների ուսումնասիրության մեջ։ Ածխածնային օրգանական մնացորդներում 14 C-ի հատուկ ակտիվության որոշումը թույլ է տալիս դատել դրանց տարիքը, որն օգտագործվում է պալեոնտոլոգիայում և հնագիտության մեջ:

Աղբյուրներ

Քիմիական տարրեր և նյութեր
Քիմիական տարրեր	Ազոտ. Արգոն. Ջրածին. Հելիում. Երկաթ. Կալցիում. Թթվածին. Սիլիկոն։ Մագնեզիում. Մանգան.