SM "Ņikiforovska vidējais vispārizglītojošā skola№1"

Ogleklis un tā galvenie neorganiskie savienojumi

Eseja

Pabeidza: 9.B klases skolnieks

Sidorovs Aleksandrs

Skolotājs: Saharova L.N.

Dmitrievka 2009

Ievads

I nodaļa. Viss par oglekli

1.1. ogleklis dabā

1.2. Oglekļa allotropās modifikācijas

1.3. Oglekļa ķīmiskās īpašības

1.4. Oglekļa pielietojums

II nodaļa. Neorganiskie oglekļa savienojumi

Secinājums

Literatūra

Ievads

Ogleklis (lat. Carboneum) C - ķīmiskais elements IV grupa periodiska sistēma Mendeļejevs: atomskaitlis 6, atommasa 12.011(1). Apsveriet oglekļa atoma struktūru. Oglekļa atoma ārējā enerģijas līmenī ir četri elektroni. Iezīmēsim to grafiku:

Ogleklis ir zināms kopš seniem laikiem, un šī elementa atklājēja vārds nav zināms.

XVII gadsimta beigās. Florences zinātnieki Averani un Targioni mēģināja sakausēt vairākus mazus dimantus vienā lielā un karsēja tos ar uguns stiklu. saules stari. Dimanti pazuda pēc sadegšanas gaisā. 1772. gadā franču ķīmiķis A. Lavuazjē parādīja, ka dimanta sadegšanas laikā veidojas CO 2. Tikai 1797. gadā angļu zinātnieks S. Tenants pierādīja grafīta un ogļu būtības identitāti. Pēc vienāda daudzuma ogļu un dimanta sadedzināšanas oglekļa monoksīda (IV) apjomi izrādījās vienādi.

Oglekļa savienojumu daudzveidība, kas izskaidrojama ar tā atomu spēju dažādos veidos apvienoties savā starpā un ar citu elementu atomiem, nosaka oglekļa īpašo stāvokli citu elementu vidū.

nodaļaes. Viss par oglekli

1.1. ogleklis dabā

Ogleklis dabā ir sastopams gan brīvā stāvoklī, gan savienojumu veidā.

Brīvais ogleklis rodas kā dimants, grafīts un karabīns.

Dimanti ir ļoti reti. Lielākais zināmais dimants - "Cullinan" tika atrasts 1905. gadā Dienvidāfrikā, svēra 621,2 g un izmēri ir 10 × 6,5 × 5 cm. Dimantu fonds Maskavā glabā vienu no lielākajiem un skaistākajiem dimantiem pasaulē - "Orlov" (37,92 g).

Dimants savu nosaukumu ieguva no grieķu valodas. "adamas" - neuzvarams, neiznīcināms. Nozīmīgākās dimantu atradnes atrodas Dienvidāfrikā, Brazīlijā un Jakutijā.

Lielas grafīta atradnes atrodas Vācijā, Šrilankā, Sibīrijā, Altajajā.

Galvenie oglekli saturošie minerāli ir: magnezīts MgCO 3, kalcīts (kaļķakmens, kaļķakmens, marmors, krīts) CaCO 3, dolomīts CaMg (CO 3) 2 utt.

Visi fosilie kurināmie – nafta, gāze, kūdra, akmeņogles un brūnogles, slāneklis – tiek būvētas uz oglekļa bāzes. Sastāvā tuvu ogleklim ir dažas fosilās ogles, kas satur līdz 99% C.

Ogleklis veido 0,1% no zemes garozas.

Oglekļa monoksīda (IV) veidā CO 2 ogleklis ir daļa no atmosfēras. Hidrosfērā ir izšķīdis liels daudzums CO 2.

1.2. Oglekļa allotropās modifikācijas

Elementārais ogleklis veido trīs allotropas modifikācijas: dimants, grafīts, karabīns.

1. Dimants ir bezkrāsaina, caurspīdīga kristāliska viela, kas ārkārtīgi spēcīgi lauž gaismas starus. Oglekļa atomi dimantā ir sp 3 hibridizācijas stāvoklī. Ierosinātā stāvoklī valences elektroni oglekļa atomos ir deparēti un veidojas četri nepāra elektroni. Veidojot ķīmiskās saites, elektronu mākoņi iegūst tādu pašu iegarenu formu un atrodas telpā tā, lai to asis būtu vērstas pret tetraedra virsotnēm. Kad šo mākoņu virsotnes pārklājas ar citu oglekļa atomu mākoņiem, 109°28" leņķī rodas kovalentās saites un veidojas atomu kristāla režģis, kas raksturīgs dimantiem.

Katru oglekļa atomu dimantā ieskauj četri citi, kas atrodas no tā virzienos no tetraedra centra uz virsotnēm. Attālums starp atomiem tetraedros ir 0,154 nm. Visu saišu stiprums ir vienāds. Tādējādi dimantā esošie atomi ir "iesaiņoti" ļoti cieši. Pie 20°C dimanta blīvums ir 3,515 g/cm3. Tas izskaidro tā izcilo cietību. Dimants nevada labi elektrība.

1961. gadā Padomju Savienībā sāka rūpniecisko sintētisko dimantu ražošanu no grafīta.

Dimantu rūpnieciskajā sintēzē izmanto tūkstošiem MPa spiedienu un temperatūru no 1500 līdz 3000°C. Process tiek veikts katalizatoru klātbūtnē, kas var būt daži metāli, piemēram, Ni. Lielāko daļu izveidoto dimantu veido mazi kristāli un dimanta putekļi.

Dimants, karsējot bez piekļuves gaisam virs 1000 ° C, pārvēršas grafītā. 1750°C temperatūrā dimants ātri pārvēršas grafītā.

Dimanta uzbūve

2. Grafīts ir pelēkmelna kristāliska viela ar metālisku spīdumu, taukaina uz tausti, cietība ir zemāka pat par papīru.

Oglekļa atomi grafīta kristālos atrodas sp 2 hibridizācijas stāvoklī: katrs no tiem veido trīs kovalentās σ saites ar blakus esošajiem atomiem. Leņķi starp savienojuma virzieniem ir 120°. Rezultāts ir režģis, kas sastāv no regulāriem sešstūriem. Attālums starp blakus esošajiem oglekļa atomu kodoliem slānī ir 0,142 nm. Katra oglekļa atoma ārējā slāņa ceturtais elektrons grafītā aizņem p-orbitāli, kas nav iesaistīts hibridizācijā.

Oglekļa atomu nehibrīdie elektronu mākoņi ir orientēti perpendikulāri slāņa plaknei un, pārklājoties viens ar otru, veido delokalizētas σ-saites. Blakus esošie slāņi grafīta kristālā atrodas 0,335 nm attālumā viens no otra un ir vāji savstarpēji saistīti, galvenokārt ar van der Vālsa spēkiem. Tāpēc grafītam ir zema mehāniskā izturība un tas viegli sadalās pārslās, kas pašas par sevi ir ļoti spēcīgas. Saite starp oglekļa atomu slāņiem grafītā ir daļēji metāliska. Tas izskaidro faktu, ka grafīts labi vada elektrību, bet tomēr ne tik labi kā metāli.

grafīta struktūra

Grafīta fizikālās īpašības ļoti atšķiras virzienos - perpendikulāri un paralēli oglekļa atomu slāņiem.

Sildot bez gaisa piekļuves, grafīts nemainās līdz 3700°C. Šajā temperatūrā tas sublimējas bez kušanas.

Mākslīgo grafītu iegūst no labākajām akmeņoglēm 3000°C elektriskajās krāsnīs bez gaisa piekļuves.

Grafīts ir termodinamiski stabils plašā temperatūru un spiediena diapazonā, tāpēc tas tiek pieņemts kā oglekļa standarta stāvoklis. Grafīta blīvums ir 2,265 g/cm 3 .

3. Carbin - smalki graudains melns pulveris. Tā kristāla struktūrā oglekļa atomi ir savienoti ar mainīgām vienkāršām un trīskāršām saitēm lineārās ķēdēs:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Šo vielu pirmo reizi ieguva V.V. Koršaks, A.M. Sladkovs, V.I. Kasatočkins, Yu.P. Kudrjavcevs 60. gadu sākumā.

Pēc tam tika parādīts, ka karabīns var pastāvēt dažādās formās un satur gan poliacetilēna, gan polikumulēna ķēdes, kurās oglekļa atomi ir saistīti ar dubultsaitēm:

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

Vēlāk karabīns tika atrasts dabā – meteorīta vielā.

Karbīnam ir pusvadītāju īpašības; gaismas iedarbībā tā vadītspēja ievērojami palielinās. Sakarā ar to, ka kristāla režģī pastāv dažāda veida saites un dažādi veidi, kā oglekļa atomu ķēdes sakrauj fizikālās īpašības karabīne var ļoti atšķirties. Karsējot bez piekļuves gaisam virs 2000°C, karabīns ir stabils, aptuveni 2300°C temperatūrā tiek novērota tā pāreja uz grafītu.

Dabiskais ogleklis sastāv no diviem izotopiem

(98,892%) un (1,108%). Turklāt atmosfērā tika atrasti nelieli radioaktīvā izotopa piemaisījumi, kas iegūti mākslīgi.

Iepriekš tika uzskatīts, ka kokogles, sodrēji un kokss pēc sastāva ir tuvu tīram ogleklim un pēc īpašībām atšķiras no dimanta un grafīta, ir neatkarīga oglekļa alotropiskā modifikācija (“amorfais ogleklis”). Tomēr tika konstatēts, ka šīs vielas sastāv no mazākajām kristāliskajām daļiņām, kurās oglekļa atomi ir savienoti tāpat kā grafītā.

4. Akmeņogles - smalki sadalīts grafīts. Tas veidojas oglekli saturošu savienojumu termiskās sadalīšanās laikā bez gaisa piekļuves. Ogles būtiski atšķiras pēc īpašībām atkarībā no vielas, no kuras tās iegūtas, un sagatavošanas metodes. Tie vienmēr satur piemaisījumus, kas ietekmē to īpašības. Vissvarīgākās ogļu kategorijas ir kokss, kokogles un sodrēji.

Koksu iegūst, karsējot ogles bez gaisa.

Kokogles veidojas, kad koksni silda bez gaisa.

Kvēpi ir ļoti smalks grafīta kristālisks pulveris. Tas veidojas ogļūdeņražu (dabasgāzes, acetilēna, terpentīna u.c.) sadegšanas laikā ar ierobežotu gaisa piekļuvi.

Aktivētās ogles ir poraini rūpnieciski adsorbenti, kas galvenokārt sastāv no oglekļa. Adsorbciju sauc par absorbciju virsmā. cietvielas gāzes un izšķīdušās vielas. Aktīvās ogles iegūst no cietā kurināmā (kūdra, brūnogles un akmeņogles, antracīts), koksnes un tās izstrādājumu (ogles, zāģu skaidas, papīra ražošanas atkritumi), ādas rūpniecības atkritumiem, dzīvnieku izcelsmes materiāliem, piemēram, kauliem. Ogles, kurām raksturīga augsta mehāniskā izturība, iegūst no kokosriekstu un citu riekstu čaumalām, no augļu sēklām. Ogļu struktūru attēlo visu izmēru poras, taču adsorbcijas spēju un adsorbcijas ātrumu nosaka mikroporu saturs granulu masas vai tilpuma vienībā. Aktīvās ogles ražošanā izejviela vispirms tiek pakļauta termiskai apstrādei bez gaisa piekļuves, kā rezultātā no tā tiek noņemts mitrums un daļēji sveķi. Šajā gadījumā veidojas liela poru ogļu struktūra. Lai iegūtu mikroporainu struktūru, aktivāciju veic vai nu oksidējot ar gāzi vai tvaiku, vai apstrādājot ar ķīmiskiem reaģentiem.

Ogleklis spēj veidot vairākas alotropiskas modifikācijas. Tie ir dimants (inertākā alotropiskā modifikācija), grafīts, fullerēns un karabīns.

Kokogles un sodrēji ir amorfs ogleklis. Ogleklim šajā stāvoklī nav sakārtotas struktūras, un tas faktiski sastāv no mazākajiem grafīta slāņu fragmentiem. Amorfo ogli, kas apstrādāta ar karsta ūdens tvaikiem, sauc par aktīvo ogli. 1 gramam aktīvās ogles, jo tajā ir daudz poru, kopējā virsma ir vairāk nekā trīs simti kvadrātmetri! Pateicoties spējai absorbēt dažādas vielas, aktīvā ogle tiek plaši izmantota kā filtru pildviela, kā arī kā enterosorbents. dažādi veidi saindēšanās.

No ķīmiskā viedokļa amorfs ogleklis ir tā aktīvākā forma, grafīts uzrāda vidēju aktivitāti, un dimants ir ārkārtīgi inerta viela. Šī iemesla dēļ tas ir apspriests tālāk Ķīmiskās īpašības ogleklis galvenokārt būtu attiecināms uz amorfo oglekli.

Samazinošas oglekļa īpašības

Kā reducētājs ogleklis reaģē ar nemetāliem, piemēram, skābekli, halogēniem un sēru.

Atkarībā no skābekļa pārpalikuma vai trūkuma ogļu sadegšanas laikā oglekļa monoksīds CO vai oglekļa dioksīds CO2:

Ogleklim reaģējot ar fluoru, veidojas oglekļa tetrafluorīds:

Karsējot oglekli ar sēru, veidojas oglekļa disulfīds CS 2:

Ogleklis spēj reducēt metālus pēc alumīnija aktivitāšu sērijās no to oksīdiem. Piemēram:

Ogleklis reaģē arī ar aktīvo metālu oksīdiem, taču šajā gadījumā parasti tiek novērota nevis metāla reducēšanās, bet gan tā karbīda veidošanās:

Oglekļa mijiedarbība ar nemetālu oksīdiem

Ogleklis iesaistās līdzproporcijas reakcijā ar oglekļa dioksīdu CO 2:

Viens no svarīgākajiem procesiem no rūpnieciskā viedokļa ir t.s ogļu tvaika reformēšana. Process tiek veikts, izlaižot ūdens tvaikus caur karstām oglēm. Šajā gadījumā notiek šāda reakcija:

Augstās temperatūrās ogleklis spēj reducēt pat tādu inertu savienojumu kā silīcija dioksīds. Šajā gadījumā atkarībā no apstākļiem ir iespējama silīcija vai silīcija karbīda veidošanās ( karborunds):

Arī ogleklis kā reducētājs reaģē ar oksidējošām skābēm, jo ​​īpaši ar koncentrētu sērskābi un slāpekļskābe:

Oglekļa oksidējošās īpašības

Ķīmiskais elements ogleklis nav ļoti elektronnegatīvs, tāpēc vienkāršajām vielām, ko tas veido, reti piemīt oksidējošas īpašības attiecībā pret citiem nemetāliem.

Šādu reakciju piemērs ir amorfā oglekļa mijiedarbība ar ūdeņradi, karsējot katalizatora klātbūtnē:

kā arī ar silīciju 1200-1300 temperatūrā apmēram C:

Ogleklim piemīt oksidējošas īpašības attiecībā pret metāliem. Ogleklis spēj reaģēt ar aktīviem metāliem un dažiem metāliem ar vidēju aktivitāti. Sildot, reakcijas notiek:

Aktīvos metālu karbīdus hidrolizē ūdens:

kā arī neoksidējošu skābju šķīdumi:

Šajā gadījumā veidojas ogļūdeņraži, kas satur oglekli tādā pašā oksidācijas stāvoklī kā sākotnējā karbīdā.

Silīcija ķīmiskās īpašības

Var pastāvēt silīcijs, kā arī ogleklis kristāliskā un amorfā stāvoklī, un, tāpat kā oglekļa gadījumā, amorfais silīcijs ir ievērojami ķīmiski aktīvāks nekā kristāliskais silīcijs.

Dažreiz amorfo un kristālisko silīciju sauc par tā alotropiskajām modifikācijām, kas, stingri ņemot, nav pilnīgi taisnība. Amorfais silīcijs būtībā ir mazāko kristāliskā silīcija daļiņu konglomerāts, kas nejauši sakārtotas viena pret otru.

Silīcija mijiedarbība ar vienkāršām vielām

nemetāli

Plkst normāli apstākļi Silīcijs sava inerces dēļ reaģē tikai ar fluoru:

Silīcijs reaģē ar hloru, bromu un jodu tikai sildot. Raksturīgi, ka atkarībā no halogēna aktivitātes ir nepieciešama attiecīgi atšķirīga temperatūra:

Tātad ar hloru reakcija notiek 340-420 o C temperatūrā:

Ar bromu - 620-700 o C:

Ar jodu - 750-810 o C:

Visus silīcija halogenīdus viegli hidrolizē ūdens:

kā arī sārmu šķīdumi:

Silīcija reakcija ar skābekli notiek, taču tai ir nepieciešama ļoti spēcīga karsēšana (1200-1300 ° C), jo spēcīga oksīda plēve apgrūtina mijiedarbību:

1200–1500 ° C temperatūrā silīcijs lēnām mijiedarbojas ar oglekli grafīta formā, veidojot karborunda SiC - vielu ar atomu kristālisko režģi, kas ir līdzīgs dimantam un gandrīz nav zemāks par to:

Silīcijs nereaģē ar ūdeņradi.

metāli

Zemās elektronegativitātes dēļ silīcijam var būt oksidējošas īpašības tikai attiecībā uz metāliem. No metāliem silīcijs reaģē ar aktīviem (sārmzemju un sārmzemju), kā arī daudziem vidējas aktivitātes metāliem. Šīs mijiedarbības rezultātā veidojas silicīdi:

Aktīvo metālu silicīdi ir viegli hidrolizējami ar ūdeni vai atšķaidītu neoksidējošu skābju šķīdumiem:

Šajā gadījumā veidojas gāzes silāns SiH 4 - metāna CH 4 analogs.

Silīcija mijiedarbība ar sarežģītām vielām

Silīcijs nereaģē ar ūdeni pat vārot, tomēr amorfais silīcijs mijiedarbojas ar pārkarsētiem ūdens tvaikiem aptuveni 400-500 ° C temperatūrā. Tas rada ūdeņradi un silīcija dioksīdu:

No visām skābēm silīcijs (amorfā stāvoklī) reaģē tikai ar koncentrētu fluorūdeņražskābi:

Silīcijs izšķīst koncentrētos sārmu šķīdumos. Reakciju pavada ūdeņraža izdalīšanās.

Ogleklis elementu periodiskajā tabulā atrodas otrajā periodā IVA grupā. Oglekļa atoma elektroniskā konfigurācija ls 2 2s 2 2p 2 . Kad tas ir satraukts, ir viegli sasniegt elektronisko stāvokli, kurā četrās ārējās atomu orbitālēs ir četri nepāra elektroni:

Tas izskaidro, kāpēc ogleklis savienojumos parasti ir četrvērtīgs. Valences elektronu skaita vienādība oglekļa atomā ar valences orbitāļu skaitu, kā arī unikālā kodola lādiņa un atoma rādiusa attiecība dod tam iespēju vienlīdz viegli pievienot un nodot elektronus atkarībā no partnera īpašībām (9.3.1. sadaļa). Tā rezultātā oglekli raksturo dažādi oksidācijas stāvokļi no -4 līdz +4 un tā hibridizācijas vieglums. atomu orbitāles veids sp3, sp2 Un sp 1ķīmisko saišu veidošanās laikā (2.1.3. sadaļa):

Tas viss dod ogleklim spēju veidot vienkāršās, dubultās un trīskāršās saites ne tikai savā starpā, bet arī ar citu organogēnu elementu atomiem. Šajā gadījumā izveidotajām molekulām var būt lineāra, sazarota un cikliska struktūra.

Sakarā ar kopējo elektronu mobilitāti - MO, kas veidojas ar oglekļa atomu piedalīšanos, tie tiek novirzīti uz vairāk elektronegatīvā elementa atomu (induktīvs efekts), kas noved pie ne tikai šīs saites, bet arī visas molekulas polaritātes. Taču ogleklis, pateicoties elektronegativitātes vidējai vērtībai (0E0 = 2,5), veido vāji polāras saites ar citu organogēnu elementu atomiem (12.1. tabula). Konjugētu saišu sistēmu klātbūtnē molekulās (2.1.3. sadaļa) mobilie elektroni (MO) un nedalītie elektronu pāri tiek delokalizēti, saskaņojot elektronu blīvumu un saišu garumus šajās sistēmās.

No savienojumu reaktivitātes viedokļa liela nozīme ir saišu polarizējamībai (2.1.3. sadaļa). Jo lielāka ir saites polarizējamība, jo augstāka ir tās reaktivitāte. Oglekļa saturošu saišu polarizējamības atkarība no to rakstura atspoguļo šādas sērijas:

Visi aplūkotie dati par oglekli saturošo saišu īpašībām liecina, ka ogleklis savienojumos veido, no vienas puses, pietiekami spēcīgas kovalentās saites savā starpā un ar citiem organogēniem, un, no otras puses, šo saišu kopīgie elektronu pāri ir diezgan labili. Rezultātā var rasties gan šo saišu reaktivitātes palielināšanās, gan stabilizācija. Tieši šīs oglekli saturošo savienojumu īpašības padara oglekli par organogēnu numur viens.

Oglekļa savienojumu skābju-bāzes īpašības. Oglekļa monoksīds (4) ir skābs oksīds, un tam atbilstošais hidroksīds, ogļskābe H2CO3, ir vāja skābe. Oglekļa monoksīda (4) molekula ir nepolāra, tāpēc tā slikti šķīst ūdenī (0,03 mol/l pie 298 K). Šajā gadījumā sākumā šķīdumā veidojas CO2 H2O hidrāts, kurā CO2 atrodas ūdens molekulu asociētā dobumā, un tad šis hidrāts lēni un atgriezeniski pārvēršas par H2CO3. Lielākā daļa ūdenī izšķīdinātā oglekļa monoksīda (4) ir hidrāta veidā.

Organismā, asins eritrocītos, enzīma karboanhidrāzes ietekmē līdzsvars starp CO2 H2O un H2CO3 hidrātu tiek izveidots ļoti ātri. Tas ļauj neņemt vērā CO2 klātbūtni hidrāta veidā eritrocītos, bet ne asins plazmā, kur nav karboanhidrāzes. Iegūtais H2CO3 fizioloģiskos apstākļos disociējas par bikarbonāta anjonu un sārmainākā vidē par karbonāta anjonu:

Ogļskābe pastāv tikai šķīdumā. Tas veido divas sāļu sērijas - bikarbonātus (NaHCO3, Ca(HC0 3) 2) un karbonātus (Na2CO3, CaCO3). Bikarbonāti ūdenī šķīst labāk nekā karbonāti. Sāls ūdens šķīdumos ogļskābe, īpaši karbonātus, anjons viegli hidrolizē, radot sārmainu vidi:

Vielas, piemēram, NaHC03 cepamā soda; krīts CaCO3, baltais magnēzija 4MgC03 * Mg (OH) 2 * H2O, hidrolizēts ar veidošanos sārmaina vide, tiek izmantoti kā antacīdi (neitralizējošas skābes) līdzekļi, lai samazinātu kuņģa sulas augsto skābumu:

Ogļskābes un bikarbonāta jonu (Н2СО3, НСО3(-)) savienojums veido bikarbonātu bufersistēmu (8.5. sadaļa) - krāšņu asins plazmas bufersistēmu, kas nodrošina asins pH noturību pie pH = 7,40 ± 0,05.

Kalcija un magnija bikarbonātu klātbūtne dabiskajos ūdeņos nosaka to pagaidu cietību. Kad šāds ūdens tiek vārīts, tā cietība tiek novērsta. Tas ir saistīts ar HCO3 (-) anjona hidrolīzi, ogļskābes termisko sadalīšanos un kalcija un magnija katjonu nogulsnēšanos nešķīstošu CaCO 3 un Mg (OH) 2 savienojumu veidā:

Mg(OH) 2 veidošanos izraisa pilnīga magnija katjona hidrolīze, kas notiek šajos apstākļos, jo Mg(0H)2 ir zemāka šķīdība salīdzinājumā ar MgC0 3.

Biomedicīnas praksē bez ogļskābes nākas saskarties ar citām oglekli saturošām skābēm. Tas galvenokārt ir daudz dažādu organisko skābju, kā arī ciānūdeņražskābes HCN. No skābo īpašību viedokļa šo skābju stiprums ir atšķirīgs:

Šīs atšķirības ir radušās savstarpēja ietekme atomi molekulā, disociējošās saites raksturs un anjona stabilitāte, t.i., tā spēja uzlādēt delokalizāciju.

Ciānūdeņražskābe jeb ciānūdeņradis, HCN – bezkrāsains, gaistošs šķidrums (T ķīpa = 26 °C) ar rūgto mandeļu smaržu, sajaucas ar ūdeni jebkurā attiecībā. Ūdens šķīdumos tā uzvedas kā ļoti vāja skābe, kuras sāļus sauc par cianīdiem. Sārmu un sārmzemju metālu cianīdi šķīst ūdenī, kamēr tos hidrolizē anjons, kā rezultātā tie ūdens šķīdumi ciānūdeņražskābes smarža (rūgto mandeļu smarža) un pH >12:

Ilgstoši saskaroties ar gaisā esošā CO2, cianīdi sadalās, izdalot ciānūdeņražskābi:

Šīs reakcijas rezultātā kālija cianīds (kālija cianīds) un tā šķīdumi, ilgstoši uzglabājot, zaudē toksiskumu. Cianīda anjons ir viens no spēcīgākajiem neorganiskajiem indēm, jo ​​tas ir aktīvs ligands un viegli veido stabilus kompleksos savienojumus ar enzīmiem, kas satur Fe3+ un Сu2(+) kā kompleksus veidojošos jonus (Sec. 10.4).

redox īpašības. Tā kā savienojumos esošais ogleklis var uzrādīt jebkuru oksidācijas pakāpi no -4 līdz +4, reakcijas laikā brīvais ogleklis var gan ziedot, gan pievienot elektronus, kas darbojas attiecīgi kā reducētājs vai oksidētājs atkarībā no otrā reaģenta īpašībām:

Spēcīgiem oksidētājiem mijiedarbojoties ar organiskām vielām, var notikt nepilnīga vai pilnīga šo savienojumu oglekļa atomu oksidēšanās.

Anaerobās oksidācijas apstākļos ar skābekļa trūkumu vai trūkumu organiskā savienojuma oglekļa atomi atkarībā no skābekļa atomu satura šajos savienojumos un ārējiem apstākļiem var pārvērsties par CO 2, CO, C un pat CH 4, bet citi organogēni pārvērsties par H2O, NH3 un H2S.

Pilnīga oksidēšanās organismā organiskie savienojumi skābekli oksidāzes enzīmu klātbūtnē (aerobā oksidēšanās) apraksta ar vienādojumu:

No iepriekšminētajiem oksidācijas reakciju vienādojumiem redzams, ka organiskajos savienojumos oksidācijas pakāpi maina tikai oglekļa atomi, bet citu organogēnu atomi saglabā savu oksidācijas pakāpi.

Hidrogenēšanas reakcijās, t.i., pievienojot ūdeņradi (reducētāju) daudzkārtējai saitei, to veidojošie oglekļa atomi pazemina oksidācijas pakāpi (darbojas kā oksidētāji):

Organiskās aizvietošanas reakcijas ar jaunas starpoglekļa saites parādīšanos, piemēram, Wurtz reakcijā, ir arī redoksreakcijas, kurās oglekļa atomi darbojas kā oksidētāji un metālu atomi kā reducētāji:

Līdzīgi tiek novēroti veidošanās reakcijās metālorganiskie savienojumi:

Tajā pašā laikā alkilēšanas reakcijās ar jaunas starpoglekļa saites veidošanos oksidētāja un reducētāja lomu spēlē attiecīgi substrāta un reaģenta oglekļa atomi:

Reakciju rezultātā, kad substrātam tiek pievienots polārais reaģents ar vairāku starpoglekļa saiti, viens no oglekļa atomiem pazemina oksidācijas pakāpi, parādot oksidētāja īpašības, bet otrs palielina oksidācijas pakāpi, darbojoties kā reducētājs:

Šajos gadījumos notiek substrāta oglekļa atomu intramolekulārās oksidēšanās-reducēšanās reakcija, t.i., process. dismutācijas, iedarbojoties ar reaģentu, kam nav redoksu īpašību.

Tipiskas organisko savienojumu intramolekulārās dismutācijas reakcijas uz to oglekļa atomu rēķina ir aminoskābju vai keto skābju dekarboksilēšanas reakcijas, kā arī organisko savienojumu pārkārtošanās un izomerizācijas reakcijas, kas tika aplūkotas sadaļā. 9.3. Dotie organisko reakciju piemēri, kā arī reakcijas no Sec. 9.3 pārliecinoši norāda, ka oglekļa atomi organiskajos savienojumos var būt gan oksidētāji, gan reducētāji.

Oglekļa atoms savienojumā- oksidētājs, ja reakcijas rezultātā palielinās tā saišu skaits ar mazāk elektronnegatīvu elementu atomiem (ūdeņradis, metāli), jo, piesaistot šo saišu kopīgos elektronus, attiecīgais oglekļa atoms pazemina savu oksidācijas pakāpi.

Oglekļa atoms savienojumā- reducētājs, ja reakcijas rezultātā palielinās tā saišu skaits ar vairāk elektronnegatīvu elementu atomiem(C, O, N, S), jo, atstumjot šo saišu kopīgos elektronus, attiecīgais oglekļa atoms palielina tā oksidācijas pakāpi.

Tādējādi daudzas reakcijas organiskajā ķīmijā oglekļa atomu redoksdualitātes dēļ ir redoksreakcijas. Tomēr atšķirībā no šīm reakcijām neorganiskā ķīmija, elektronu pārdali starp oksidētāju un reducētāju organiskajos savienojumos var pavadīt tikai ķīmiskās saites kopējā elektronu pāra nobīde uz atomu, kas darbojas kā oksidētājs. Kurā šo savienojumu var saglabāties, bet spēcīgas polarizācijas gadījumā var salūzt.

Oglekļa savienojumu kompleksās īpašības. Oglekļa atomam savienojumos nav nedalītu elektronu pāru, un tāpēc tikai oglekļa savienojumi, kas satur vairākas saites ar tā līdzdalību, var darboties kā ligandi. Īpaši aktīvi kompleksu veidošanās procesos ir oglekļa monoksīda (2) trīspolārās saites un ciānūdeņražskābes anjona elektroni.

Oglekļa monoksīda (2) molekulā oglekļa un skābekļa atomi veido vienu un vienu saiti, jo abu 2p atomu orbitāles savstarpēji pārklājas apmaiņas mehānisma dēļ. Trešo saiti, t.i., vēl vienu saiti veido donora-akceptora mehānisms. Akceptors ir oglekļa atoma brīvā 2p atomu orbitāle, un donors ir skābekļa atoms, kas nodrošina atsevišķu elektronu pāri no 2p orbitāles:

Palielināta saišu daudzveidība nodrošina šai molekulai augstu stabilitāti un inerci normālos apstākļos attiecībā uz skābju-bāzes (CO - sāli neveidojošs oksīds) un redoksīpašību (CO - reducētājs pie T > 1000 K). Tajā pašā laikā tas padara to par aktīvu ligandu kompleksās veidošanās reakcijās ar d-metālu atomiem un katjoniem, galvenokārt ar dzelzi, ar kuru tas veido dzelzs pentakarbonilu, gaistošu indīgu šķidrumu:

Izglītības spējas sarežģīti savienojumi ar d-metāla katjoniem ir oglekļa monoksīda (H) toksicitātes cēlonis dzīvām sistēmām (Sec. 10.4) noplūdes dēļ atgriezeniskas reakcijas ar hemoglobīnu un oksihemoglobīnu, kas satur Fe 2+ katjonu, veidojot karboksihemoglobīnu:

Šie līdzsvari tiek novirzīti uz karboksihemoglobīna HHbCO veidošanos, kura stabilitāte ir 210 reizes lielāka nekā oksihemoglobīna HHbO2 stabilitāte. Tas noved pie karboksihemoglobīna uzkrāšanās asinīs un līdz ar to tā spējas pārnēsāt skābekli samazināšanās.

Ciānūdeņražskābes anjons CN- satur arī viegli polarizējamus - elektronus, kuru dēļ tas efektīvi veido kompleksus ar d-metāliem, ieskaitot dzīvības metālus, kas ir daļa no enzīmiem. Tāpēc cianīdi ir ļoti toksiski savienojumi (10.4. sadaļa).

Oglekļa cikls dabā. Oglekļa cikls dabā galvenokārt balstās uz oglekļa oksidēšanās un reducēšanās reakcijām (12.3. att.).

Augi asimilē (1) oglekļa monoksīdu (4) no atmosfēras un hidrosfēras. Daļu no augu masas patērē (2) cilvēki un dzīvnieki. Dzīvnieku elpošana un to atlieku trūdēšana (3), kā arī augu elpošana, mirušo augu trūdēšana un malkas dedzināšana (4) atgriež CO2 atmosfērā un hidrosfērā. Augu (5) un dzīvnieku (6) atlieku mineralizācijas process ar kūdras, fosilo ogļu, naftas, gāzes veidošanos noved pie oglekļa pārejas dabas resursos. Skābju-bāzes reakcijas (7), kas notiek starp CO2 un dažādiem akmeņiem, veidojot karbonātus (vidējo, skābo un bāzisko), darbojas vienā virzienā:

Šī cikla neorganiskā daļa izraisa CO2 zudumus atmosfērā un hidrosfērā. Cilvēka darbība ogļu, naftas, gāzes (8), malkas (4) dedzināšanā un apstrādē, gluži pretēji, bagātina vidi ar oglekļa monoksīdu (4). Ilgu laiku tika uzskatīts, ka fotosintēze uztur nemainīgu CO2 koncentrāciju atmosfērā. Taču šobrīd cilvēka darbības radīto CO2 satura pieaugumu atmosfērā nekompensē tā dabiskā samazināšanās. Kopējie ienākumi CO2 atmosfērā palielinās ģeometriskā progresija par 4-5% gadā. Pēc aprēķiniem, 2000.gadā CO2 saturs atmosfērā sasniegs aptuveni 0,04% 0,03% vietā (1990).

Apsverot oglekli saturošu savienojumu īpašības un īpašības, vēlreiz jāuzsver oglekļa vadošā loma.

Rīsi. 12.3. Oglekļa cikls iekšā daba

organogēns Nr. 1: pirmkārt, oglekļa atomi veido organisko savienojumu molekulu karkasu; otrkārt, oglekļa atomiem ir galvenā loma redoksprocesos, jo no visu organogēnu atomiem tieši ogleklim ir raksturīgākā redoksdualitāte. Plašāku informāciju par organisko savienojumu īpašībām skatiet IV modulī "Bioorganiskās ķīmijas pamati".

vispārīgās īpašības un IVA grupas p-elementu bioloģiskā loma. Oglekļa elektroniskie analogi ir IVA grupas elementi: silīcijs Si, germānija Ge, alva Sn un svins Pb (sk. 1.2. tabulu). Šo elementu atomu rādiusi dabiski palielinās, palielinoties atomu skaitam, savukārt to jonizācijas enerģija un elektronegativitāte šajā gadījumā dabiski samazinās (1.3. sadaļa). Tāpēc pirmie divi grupas elementi: ogleklis un silīcijs ir tipiski nemetāli, bet germānija, alva, svins ir metāli, jo tiem visvairāk raksturīga elektronu atgriešanās. Sērijā Ge - Sn - Pb ir uzlabotas metāliskās īpašības.

No redoksīpašību viedokļa elementi C, Si, Ge, Sn un Pb normālos apstākļos ir diezgan stabili attiecībā pret gaisu un ūdeni (metāli Sn un Pb - oksīda plēves veidošanās dēļ uz virsmas). Tajā pašā laikā svina (4) savienojumi ir spēcīgi oksidētāji:

Kompleksu veidojošās īpašības ir visraksturīgākās svinam, jo ​​tā Pb 2+ katjoni ir spēcīgi kompleksveidotāji, salīdzinot ar pārējo IVA grupas p-elementu katjoniem. Svina katjoni veido spēcīgus kompleksus ar bioligandiem.

IVA grupas elementi krasi atšķiras gan pēc satura organismā, gan pēc to bioloģiskās lomas. Ogleklim ir būtiska loma organisma dzīvē, kur tā saturs ir aptuveni 20%. Atlikušo IVA grupas elementu saturs ķermenī ir robežās no 10 -6 -10 -3%. Tajā pašā laikā, ja neapšaubāmi spēlē silīcijs un germānija svarīga loma organisma dzīvē, tad alva un īpaši svins ir toksiski. Tādējādi, palielinoties IVA grupas elementu atomu masai, palielinās to savienojumu toksicitāte.

Putekļi, kas sastāv no ogļu vai silīcija dioksīda SiO2 daļiņām, sistemātiski pakļaujoties plaušām, izraisa slimības - pneimokoniozi. Ogļu putekļu gadījumā tā ir antrakoze, kalnraču arodslimība. Silikoze rodas, kad tiek ieelpoti Si02 saturoši putekļi. Pneimokoniozes attīstības mehānisms vēl nav noskaidrots. Tiek pieņemts, ka silikāta graudiem ilgstoši saskaroties ar bioloģiskiem šķidrumiem, želejveida stāvoklī veidojas polisilīcijskābe Si02 yH2O, kuras nogulsnēšanās šūnās izraisa to nāvi.

Svina toksiskā iedarbība cilvēcei ir zināma jau ļoti ilgu laiku. Svina izmantošana trauku un ūdensvadu ražošanā izraisīja cilvēku masveida saindēšanos. Pašlaik svins joprojām ir viens no galvenajiem piesārņotājiem vidi, jo svina savienojumu izplūde atmosfērā pārsniedz 400 000 tonnu gadā. Svins galvenokārt uzkrājas skeletā slikti šķīstošā fosfāta Pb3(PO4)2 veidā, un kaulu demineralizācijas laikā tas regulāri toksiski iedarbojas uz organismu. Tāpēc svins tiek klasificēts kā kumulatīvā inde. Svina savienojumu toksicitāte galvenokārt ir saistīta ar to kompleksu veidojošajām īpašībām un augstu afinitāti pret bioligandiem, īpaši tiem, kas satur sulfhidrilgrupas (-SH):

Svina jonu kompleksu savienojumu veidošanās ar olbaltumvielām, fosfolipīdiem un nukleotīdiem izraisa to denaturāciju. Svina joni bieži inhibē EM 2+ metaloenzīmus, izspiežot no tiem dzīvības metālu katjonus:

Svins un tā savienojumi ir indes, kas galvenokārt iedarbojas uz nervu sistēma, asinsvadi un asinis. Tajā pašā laikā svina savienojumi ietekmē olbaltumvielu sintēzi, šūnu enerģijas bilanci un to ģenētisko aparātu.

Medicīnā tos izmanto kā savelkošus ārējos antiseptiskos līdzekļus: svina acetāts Pb (CH3COO) 2 ZH2O (svina losjoni) un svina (2) oksīds PbO (svina apmetums). Šo savienojumu svina joni reaģē ar mikrobu šūnu un audu citoplazmas olbaltumvielām (albumīniem), veidojot želejveida albuminātus. Gēlu veidošanās iznīcina mikrobus un turklāt apgrūtina to iekļūšanu audu šūnās, kas samazina lokālo iekaisuma reakciju.

Svarīga joma praktisks pielietojums jaunākie atklājumi fizikas, ķīmijas un pat astronomijas jomā - jaunu materiālu ar neparastām, dažkārt unikālām īpašībām radīšana un izpēte. Par virzieniem, kādos šie darbi tiek veikti un ko zinātniekiem jau ir izdevies sasniegt, mēs pastāstīsim rakstu sērijā, kas izveidota sadarbībā ar Urālas Federālo universitāti. Mūsu pirmais teksts ir veltīts neparastiem materiāliem, kurus var iegūt no visizplatītākās vielas – oglekļa.

Ja pajautājat ķīmiķim, kurš elements ir vissvarīgākais, jūs varat saņemt daudz dažādu atbilžu. Kāds teiks par ūdeņradi - visizplatītāko elementu Visumā, kāds par skābekli - visizplatītāko elementu zemes garozā. Bet visbiežāk jūs dzirdēsiet atbildi "ogleklis" - tas ir tas, kurš ir visu organisko vielu pamatā, sākot no DNS un olbaltumvielām līdz spirtiem un ogļūdeņražiem.

Mūsu raksts ir veltīts šī elementa daudzveidīgajam izskatam: izrādās, ka tikai no tā atomiem var uzbūvēt desmitiem dažādu materiālu - no grafīta līdz dimantam, no karbīna līdz fullerēniem un nanocaurulēm. Lai gan tie visi sastāv no pilnīgi vieniem un tiem pašiem oglekļa atomiem, to īpašības ir radikāli atšķirīgas – un atomu izvietojumam materiālā tajā ir liela nozīme.

Grafīts

Visbiežāk dabā tīru oglekli var atrast grafīta veidā – mīksts melns materiāls, kas viegli nolobās un šķiet slidens uz tausti. Daudzi var atcerēties, ka zīmuļu vadi ir izgatavoti no grafīta, taču tas ne vienmēr ir taisnība. Bieži vien svins ir izgatavots no grafīta šķembu un līmes kompozīta, taču ir arī pilnīgi grafīta zīmuļi. Interesanti, ka vairāk nekā divdesmitā daļa no pasaulē saražotā dabiskā grafīta tiek tērēta zīmuļiem.

Kas ir īpašs par grafītu? Pirmkārt, tas labi vada elektrību – lai gan pats ogleklis nav tāds kā citi metāli. Ja ņemam grafīta plāksni, izrādās, ka vadītspēja gar tās plakni ir aptuveni simts reizes lielāka nekā šķērsvirzienā. Tas ir tieši saistīts ar to, kā materiālā ir sakārtoti oglekļa atomi.

Ja skatāmies uz grafīta struktūru, mēs redzēsim, ka tas sastāv no atsevišķiem slāņiem viena atoma biezumā. Katrs no slāņiem ir sešstūru režģis, kas atgādina šūnveida formu. Oglekļa atomi slānī ir saistīti ar kovalentām ķīmiskām saitēm. Turklāt daži elektroni, kas nodrošina ķīmisko saiti, tiek "izsmērēti" pa visu plakni. To kustības vieglums nosaka grafīta augsto vadītspēju pa oglekļa pārslu plakni.

Atsevišķi slāņi ir savstarpēji saistīti van der Vāla spēku dēļ – tie ir daudz vājāki par parasto ķīmisko saiti, taču pietiekoši, lai nodrošinātu, ka grafīta kristāls spontāni neatslāņojas. Šāda neatbilstība noved pie tā, ka elektroniem ir daudz grūtāk pārvietoties perpendikulāri plaknēm - elektriskā pretestība palielinās 100 reizes.

Pateicoties tā elektrovadītspējai, kā arī spējai starp slāņiem iegult citu elementu atomus, grafīts tiek izmantots kā anodi litija jonu akumulatoriem un citiem strāvas avotiem. Grafīta elektrodi ir būtiski metāliskā alumīnija ražošanai - un pat trolejbusos tiek izmantoti grafīta bīdāmie strāvas kolektoru kontakti.

Turklāt grafīts ir diamagnēts ar vienu no augstākajām jutībām uz masas vienību. Tas nozīmē, ka, ja jūs ievietojat grafīta gabalu magnētiskajā laukā, tad tas visos iespējamos veidos mēģinās izspiest šo lauku no sevis - līdz tādam līmenim, ka grafīts var levitēt pāri pietiekami spēcīgam magnētam.

Un pēdējā svarīgā grafīta īpašība ir tā neticamā ugunsizturība. Mūsdienās visizturīgākā viela ir viens no hafnija karbīdiem, kura kušanas temperatūra ir aptuveni 4000 grādi pēc Celsija. Taču, ja mēģināt izkausēt grafītu, tad pie aptuveni simts atmosfēru spiediena tas saglabās cietību līdz 4800 grādiem pēc Celsija (pie atmosfēras spiediena grafīts sublimējas – iztvaiko, apejot šķidro fāzi). Rezultātā materiāli uz grafīta bāzes tiek izmantoti, piemēram, raķešu sprauslu korpusos.

Dimants

Daudzi materiāli zem spiediena sāk mainīt savu atomu struktūru – notiek fāzes pāreja. Grafīts šajā ziņā neatšķiras no citiem materiāliem. Pie simts tūkstošu atmosfēru spiediena un 1–2 tūkstošu grādu pēc Celsija temperatūras oglekļa slāņi sāk tuvoties viens otram, ķīmiskās saites, un pēc tam gludās plaknes kļūst rievotas. Izveidojas dimants, viena no skaistākajām oglekļa formām.

Dimanta īpašības kardināli atšķiras no grafīta īpašībām – tas ir ciets caurspīdīgs materiāls. To ir ārkārtīgi grūti saskrāpēt (īpašnieks 10 pēc Mosa cietības skalas, tā ir maksimālā cietība). Tajā pašā laikā dimanta un grafīta elektriskā vadītspēja atšķiras par kvintiljonu koeficientu (tas ir skaitlis ar 18 nullēm).

Dimants klintī

Wikimedia Commons

Tas nosaka dimantu izmantošanu: lielākā daļa iegūto un mākslīgo dimantu tiek izmantoti metālapstrādes un citās nozarēs. Piemēram, ir plaši izplatīti slīpripi un griezējinstrumenti ar dimanta pulveri vai pārklājumu. Dimanta pārklājumus izmanto pat ķirurģijā – skalpeļiem. Šo akmeņu izmantošana juvelierizstrādājumu industrijā visiem ir labi zināma.

Apbrīnojamo cietību izmanto arī zinātniskajos pētījumos – tieši ar kvalitatīvu dimantu palīdzību laboratorijas pēta materiālus pie miljoniem atmosfēru spiediena. Vairāk par to varat lasīt mūsu materiālā "".

Grafēns

Tā vietā, lai saspiestu un karsētu grafītu, mēs, sekojot Andrejam Geimam un Konstantīnam Novoselovam, pielīmēsim grafīta kristālam līmlentes gabalu. Pēc tam noloba – uz līmlentes paliks plāns grafīta slānis. Atkārtosim šo darbību vēl vienu reizi - līmlenti piestiprināsim plānā kārtā un atkal nolobīsim. Slānis kļūs vēl plānāks. Procedūru atkārtojot vēl dažas reizes, iegūstam grafēnu – materiālu, par kuru 2010. gadā jau minētie britu fiziķi saņēma Nobela prēmiju.

Grafēns ir plakans oglekļa atomu vienslānis, kas ir pilnīgi identisks grafīta atomu slāņiem. Tā popularitāte ir saistīta ar tajā esošo elektronu neparasto uzvedību. Viņi pārvietojas tā, it kā viņiem vispār nebūtu masas. Patiesībā, protams, elektronu masa paliek tāda pati kā jebkurā vielā. Pie visa vainīgi grafēna rāmja oglekļa atomi, kas piesaista lādētas daļiņas un veido īpašu periodisku lauku.

Ierīce uz grafēna bāzes. Fotogrāfijas fonā ir zelta kontakti, virs tiem ir grafēns, virs ir plāns polimetilmetakrilāta slānis

Inženierzinātnes Kembridžā / flickr.com

Šādas uzvedības sekas bija lielā elektronu mobilitāte - tie pārvietojas grafēnā daudz ātrāk nekā silīcijā. Šī iemesla dēļ daudzi zinātnieki cer, ka grafēns kļūs par nākotnes elektronikas pamatu.

Interesanti, ka grafēnam ir oglekļa ekvivalenti - un. Pirmais no tiem sastāv no nedaudz izkropļotām piecstūra sekcijām un atšķirībā no grafēna ir slikts elektrības vadītājs. Fagrafēns sastāv no piecu, sešu un septiņstūra daļām. Ja grafēna īpašības visos virzienos ir vienādas, tad fagrafēnam būs izteikta īpašību anizotropija. Abi šie materiāli tika prognozēti teorētiski, bet patiesībā vēl neeksistē.

Silīcija monokristāla fragments (priekšplānā) uz vertikāla oglekļa nanocauruļu masīva

oglekļa nanocaurules

Iedomājieties, ka jūs izrullējāt nelielu grafēna loksnes gabalu caurulē un salīmējat kopā galus. Rezultāts bija doba struktūra, kas sastāvēja no tiem pašiem oglekļa atomu sešstūriem kā grafēns un grafīts - oglekļa nanocaurule. Šis materiāls daudzējādā ziņā ir saistīts ar grafēnu – tam ir augsta mehāniskā izturība (savulaik tika ierosināts būvēt liftu kosmosā no oglekļa nanocaurulēm), augsta elektronu mobilitāte.

Tomēr ir viena neparasta iezīme. Grafēna loksni var savīt paralēli iedomātai malai (viena no sešstūra malām) vai leņķī. Izrādās, ka oglekļa nanocaurules savīšana lielā mērā ietekmēs tās elektroniskās īpašības, proti: tas vairāk izskatīsies pēc pusvadītāja ar joslas spraugu vai metāla.

Daudzslāņu oglekļa nanocaurule

Wikimedia Commons

Kad oglekļa nanocaurules pirmo reizi tika novērotas, nav precīzi zināms. 20. gadsimta 50.–80. gados dažādas pētnieku grupas, kas bija iesaistītas ogļūdeņražu reakciju (piemēram, metāna pirolīzes) katalīzē, pievērsa uzmanību iegarenām struktūrām sodrējos, kas pārklāja katalizatoru. Tagad, lai sintezētu tikai noteikta veida (noteiktas hiralitātes) oglekļa nanocaurules, ķīmiķi iesaka izmantot īpašas sēklas. Tās ir mazas molekulas gredzenu formā, kuras savukārt sastāv no sešstūrainiem benzola gredzeniem. Piemēram, varat lasīt par darbu pie to sintēzes.

Tāpat kā grafēns, oglekļa nanocaurules var atrast lielisku pielietojumu mikroelektronikā. Jau ir radīti pirmie tranzistori, kuru pamatā ir nanocaurules, kas pēc savām īpašībām ir tradicionālas silīcija ierīces. Turklāt nanocaurules veidoja tranzistora pamatu ar.

Karabīne

Runājot par oglekļa atomu iegarenām struktūrām, nevar nepieminēt karabīnes. Tās ir lineāras ķēdes, kuras, pēc teorētiķu domām, var izrādīties visspēcīgākais iespējamais materiāls (runājam par īpatnējo stiprību). Piemēram, Janga modulis karabīnai tiek lēsts 10 gigaņūtonu uz kilogramu. Tēraudam šis rādītājs ir 400 reizes mazāks, grafēnam - vismaz divas reizes mazāks.

Plāns pavediens, kas stiepjas līdz dzelzs daļiņai zemāk - karabīne

Wikimedia Commons

Karbīni ir divu veidu atkarībā no tā, kā ir sakārtotas saites starp oglekļa atomiem. Ja visas saites ķēdē ir vienādas, tad runa ir par kumulēnu, bet, ja saites mainās (vienkāršā-trīskāršā-vienkāršā-trīskāršā un tā tālāk), tad runa ir par poliīniem. Fiziķi pierādījuši, ka karabīnes diegu starp šiem diviem veidiem var "pārslēgt" deformējoties – izstiepjot, kumulēns pārvēršas poliīnā. Interesanti, ka tas radikāli mainās elektriskās īpašības karabīne. Ja poliīns vada elektrību, tad kumulēns ir dielektrisks.

Galvenās grūtības karbīnu izpētē ir tas, ka tos ir ļoti grūti sintezēt. Tas ir ķīmisks aktīvās vielas un viegli oksidējas. Mūsdienās ķēdes ir tikai sešus tūkstošus atomu garas. Lai to panāktu, ķīmiķiem bija jāaudzē karbīns oglekļa nanocaurulē. Turklāt karabīna sintēze palīdzēs pārspēt tranzistora vārtu izmēra rekordu - to var samazināt līdz vienam atomam.

Fullerēni

Lai gan sešstūris ir viena no stabilākajām konfigurācijām, ko var veidot oglekļa atomi, ir vesela kompaktu objektu klase, kur regulārs piecstūris no oglekļa. Šos objektus sauc par fullerēniem.

1985. gadā Harolds Kroto, Roberts Kērls un Ričards Smolijs pētīja oglekļa tvaikus un to, kādos fragmentos oglekļa atomi salīp kopā pēc atdzesēšanas. Izrādījās, ka gāzes fāzē ir divas objektu klases. Pirmā ir kopas, kas sastāv no 2–25 atomiem: ķēdēm, gredzeniem un citām vienkāršām struktūrām. Otrais ir klasteri, kas sastāv no 40–150 atomiem, kas iepriekš nav novēroti. Nākamo piecu gadu laikā ķīmiķi spēja pierādīt, ka šī otrā klase bija dobs oglekļa atomu karkass, no kuriem stabilākais sastāvēja no 60 atomiem un bija veidots kā futbola bumba. C 60 jeb buckminsterfullerene sastāvēja no divdesmit sešstūra daļām un 12 piecstūra daļām, kas bija savienotas kopā sfērā.

Fullerēnu atklāšana izraisīja lielu ķīmiķu interesi. Pēc tam tika sintezēta neparasta endofullerēnu klase - fullerēni, kuru dobumā atradās kāds svešs atoms vai neliela molekula. Piemēram, tikai pirms gada fullerēnā pirmo reizi tika ievadīta fluorūdeņražskābes molekula, kas ļāva ļoti precīzi noteikt tā elektroniskās īpašības.

Fullerīti - fullerēna kristāli

Wikimedia Commons

1991. gadā izrādījās, ka fullerīdi – fullerēna kristāli, kuros daļu dobumu starp blakus esošajiem daudzskaldņiem aizņem metāli – ir molekulāri supravadītāji ar šai klasei rekordaugstu pārejas temperatūru, proti, 18 kelvinus (K 3 C 60). Vēlāk tika atrasti fullerīdi ar vēl augstāku pārejas temperatūru - 33 kelvini, Cs 2 RbC 60 . Šādas īpašības izrādījās tieši saistītas ar vielas elektronisko struktūru.

Q-ogleklis

Starp nesen atklātajām oglekļa formām var atzīmēt tā saukto Q-oglekli. Viņš bija pirmais amerikāņu materiālu zinātnieks no Ziemeļkarolīnas universitātes 2015. gadā. Zinātnieki apstaroja amorfo oglekli ar spēcīgu lāzeru, lokāli uzsildot materiālu līdz 4000 grādiem pēc Celsija. Rezultātā aptuveni ceturtā daļa no visiem vielā esošajiem oglekļa atomiem veica sp 2 hibridizāciju, tas ir, tādā pašā elektroniskajā stāvoklī kā grafītā. Atlikušie Q-oglekļa atomi saglabāja dimantam raksturīgo hibridizāciju.

Q-ogleklis

Atšķirībā no dimanta, grafīta un citiem oglekļa veidiem, Q-ogleklis ir feromagnēts, piemēram, magnetīts vai dzelzs. Tajā pašā laikā tā Kirī temperatūra bija aptuveni 220 grādi pēc Celsija – tikai ar šādu karsēšanu materiāls zaudēja savas magnētiskās īpašības. Un, kad Q-ogleklis tika leģēts ar boru, fiziķi ieguva vēl vienu oglekļa supravadītāju, kura pārejas temperatūra bija aptuveni 58 kelvini.

***

Sarakstā nav norādītas visas zināmās oglekļa formas. Turklāt šobrīd teorētiķi un eksperimentētāji veido un pēta jaunus oglekļa materiālus. Jo īpaši šāds darbs tiek veikts Urālos federālā universitāte. Mēs vērsāmies pie UrFU Fizikas un tehnoloģijas institūta asociētā profesora un galvenā pētnieka Anatolija Fedoroviča Zatsepina, lai noskaidrotu, kā prognozēt vēl nesintezētu materiālu īpašības un radīt jaunas oglekļa formas.

Anatolijs Zatsepins strādā pie viena no sešiem izrāvieniem zinātniskie projekti Urālas federālā universitāte "Jauno pamatu pamatu attīstība funkcionālie materiāli pamatojoties uz oglekļa zemu dimensiju modifikācijām”. Darbs tiek veikts ar akadēmiskajiem un rūpnieciskajiem partneriem Krievijā un pasaulē.

Projektu īsteno universitātes stratēģiskās akadēmiskās vienības (SAU) UrFU Fizikas un tehnoloģiju institūts. Augstskolas nostāja krievu valodā un starptautiskajiem reitingiem, it īpaši priekšmetā.

N+1: oglekļa nanomateriālu īpašības ir ļoti atkarīgas no struktūras un ļoti atšķiras. Vai pēc tā struktūras ir iespējams kaut kā iepriekš paredzēt materiāla īpašības?

Anatolijs Zatsepins: To ir iespējams paredzēt, un mēs to darām. Ir datorsimulācijas metodes, kas veic pirmā principa aprēķinus ( ab initio) - mēs nosakām noteiktu struktūru, modeli un ņemam visas šo struktūru veidojošo atomu pamatīpašības. Rezultātā tiek iegūtas tās īpašības, kādas var būt mūsu modelējamajam materiālam vai jaunajai vielai. Jo īpaši attiecībā uz oglekli mēs varējām modelēt jaunas modifikācijas, kas dabai nav zināmas. Tos var radīt mākslīgi.

Jo īpaši mūsu laboratorija Urālas Federālajā universitātē pašlaik izstrādā, sintezē un pēta jauna veida oglekļa īpašības. To var saukt šādi: divdimensiju sakārtots lineāras ķēdes ogleklis. Tik garš nosaukums ir saistīts ar to, ka šis materiāls ir tā sauktā 2D struktūra. Tās ir plēves, kas sastāv no atsevišķām oglekļa ķēdēm, un katrā ķēdē oglekļa atomi atrodas vienā " ķīmiskā forma» - sp 1 -hibridizācija. Tas materiālam piešķir pilnīgi neparastas īpašības, sp 1 -oglekļa ķēdēs stiprība pārsniedz dimanta un citu oglekļa modifikāciju izturību.

Veidojot plēves no šīm ķēdēm, mēs iegūstam jauns materiāls, kam piemīt oglekļa ķēdēm raksturīgās īpašības, turklāt šo sakārtoto ķēžu kombinācija veido divdimensiju struktūru vai virsrežģi uz īpaša substrāta. Šādam materiālam ir lielas izredzes ne tikai mehānisko īpašību dēļ. Vissvarīgākais ir tas, ka oglekļa ķēdes noteiktā konfigurācijā var noslēgties gredzenā, un rodas ļoti interesantas īpašības, piemēram, supravadītspēja, un šādu materiālu magnētiskās īpašības var būt labākas nekā esošajiem feromagnētiem.

Joprojām ir izaicinājums tos faktiski izveidot. Mūsu simulācija parāda ceļu, kas ejams.

Cik ļoti atšķiras materiālu faktiskās un paredzamās īpašības?

Kļūda pastāv vienmēr, bet fakts ir tāds, ka pirmie principi aprēķinos un modelēšanā izmanto atsevišķu atomu fundamentālās īpašības - kvantu īpašības. Un, kad no šiem kvantu atomiem veidojas struktūras tādā mikro un nanolīmenī, tad kļūdas ir saistītas ar esošais ierobežojums teorija un tie modeļi, kas pastāv. Piemēram, ir zināms, ka Šrēdingera vienādojumu var precīzi atrisināt tikai ūdeņraža atomam, savukārt smagākiem atomiem ir jāizmanto noteikti tuvinājumi, ja runājam par cietvielas vai sarežģītākas sistēmas.

No otras puses, kļūdas var rasties datora aprēķinu dēļ. Ar visu to tiek izslēgtas rupjas kļūdas, un ar precizitāti pietiek, lai paredzētu vienu vai otru īpašību vai efektu, kas būs raksturīgs konkrētajam materiālam.

Cik materiālus var paredzēt šādos veidos?

Runājot par oglekļa materiāliem, ir daudz variāciju, un esmu pārliecināts, ka daudz kas vēl nav izpētīts un atklāts. UrFU ir viss jaunu oglekļa materiālu izpētei, un priekšā ir daudz darba.

Nodarbojamies arī ar citiem objektiem, piemēram, silīcija materiāliem mikroelektronikai. Silīcijs un ogleklis, starp citu, ir analogi, periodiskajā tabulā tie ir vienā grupā.

Vladimirs Koroļovs

Dimanta uzbūve (A) un grafīts (b)

Ogleklis(latīņu carboneum) - C, Mendeļejeva periodiskās sistēmas IV grupas ķīmiskais elements, atomskaitlis 6, atommasa 12.011. Dabā tas sastopams dimanta, grafīta vai fullerēna kristālu un citās formās un ir daļa no organiskām (ogles, eļļa, dzīvnieku un augu organismi utt.) un neorganiskām vielām (kaļķakmens, cepamā soda utt.). Ogleklis ir plaši izplatīts, bet tā saturs zemes garozā ir tikai 0,19%.

Ogleklis tiek plaši izmantots vienkāršu vielu veidā. Papildus dārgakmeņiem dimantiem, kas ir rotaslietu priekšmets, liela nozīme ir rūpnieciskie dimanti - slīpēšanas un griezējinstrumentu ražošanai. Ogles un citas oglekļa amorfās formas izmanto atkrāsošanai, attīrīšanai, gāzu adsorbcijai, tehnoloģiju jomās, kur nepieciešami adsorbenti ar attīstītu virsmu. Karbīdi, oglekļa savienojumi ar metāliem, kā arī ar boru un silīciju (piemēram, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) ir ļoti cieti un tiek izmantoti abrazīvu un griezējinstrumentu izgatavošanai. Ogleklis atrodas tēraudos un sakausējumos elementārā stāvoklī un karbīdu veidā. Tērauda lējumu virsmas piesātināšana ar oglekli augstā temperatūrā (karburizācija) ievērojami palielina virsmas cietību un nodilumizturību.

Vēsturiska atsauce

Grafīts, dimants un amorfs ogleklis ir zināmi kopš senatnes. Jau sen zināms, ka ar grafītu var apzīmēt arī citus materiālus, un pašu nosaukumu "grafīts", kas cēlies no grieķu vārda, kas nozīmē "rakstīt", ierosināja A. Verners 1789. gadā. Tomēr grafīta vēsture ir neskaidra, nereti par to tika sajauktas vielas ar līdzīgām ārējām fizikālajām īpašībām, piemēram, molibdenīts (molibdēna sulfīds) savulaik tika uzskatīts par sulfīdu. Starp citiem grafīta nosaukumiem ir zināmi "melnais svins", "dzelzs karbīds", "sudraba svins".

1779. gadā K. Šēle atklāja, ka grafītu var oksidēt ar gaisu, veidojot oglekļa dioksīdu. Pirmo reizi dimanti tika izmantoti Indijā, un Brazīlijā dārgakmeņi ieguva komerciālu nozīmi 1725. gadā; atradnes Dienvidāfrikā tika atklātas 1867. gadā.

20. gadsimtā Galvenie dimantu ražotāji ir Dienvidāfrika, Zaira, Botsvāna, Namībija, Angola, Sjerraleone, Tanzānija un Krievija. Mākslīgie dimanti, kuru tehnoloģija radīta 1970. gadā, tiek ražoti rūpnieciskiem nolūkiem.

Īpašības

Ir zināmas četras oglekļa kristāliskās modifikācijas:

• grafīts,
• dimants,
• karabīne,
• lonsdaleite.

Grafīts- pelēcīgi melna, necaurspīdīga, taukaina uz tausti, zvīņaina, ļoti maiga masa ar metālisku spīdumu. Istabas temperatūrā un normālā spiedienā (0,1 MN/m2 jeb 1 kgf/cm2) grafīts ir termodinamiski stabils.

Dimants- ļoti cieta, kristāliska viela. Kristāliem ir kubiskā seja centrēta režģis. Istabas temperatūrā un normālā spiedienā dimants ir metastabils. Manāma dimanta pārvēršanās grafītā tiek novērota temperatūrā virs 1400°C vakuumā vai inertā atmosfērā. Atmosfēras spiedienā un aptuveni 3700 ° C temperatūrā grafīts sublimējas.

Šķidro oglekli var iegūt pie spiediena virs 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) un temperatūrā virs 3700°C. Cietajam ogleklim (koksam, sodrējiem, kokoglēm) ir raksturīgs arī stāvoklis ar nesakārtotu struktūru - tā sauktais "amorfais" ogleklis, kas nav patstāvīga modifikācija; tās struktūras pamatā ir smalkgraudaina grafīta struktūra. Dažu "amorfā" oglekļa šķirņu karsēšana virs 1500-1600 ° C bez gaisa izraisa to pārvēršanos grafītā.

"Amorfā" oglekļa fizikālās īpašības ļoti lielā mērā ir atkarīgas no daļiņu izkliedes un piemaisījumu klātbūtnes. "Amorfā" oglekļa blīvums, siltumietilpība, siltumvadītspēja un elektriskā vadītspēja vienmēr ir augstāka nekā grafītam.

Karabīne iegūts mākslīgi. Tas ir smalki kristālisks melnas krāsas pulveris (blīvums 1,9-2 g / cm 3). Veidots no garām atomu ķēdēm AR novietoti paralēli viens otram.

Lonsdaleite atrasti meteorītos un iegūti mākslīgi; tā struktūra un īpašības nav galīgi noteiktas.

Oglekļa īpašības
atomskaitlis		6
Atomu masa		12,011
Izotopi:	stabils	12, 13
	nestabils	8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
Kušanas temperatūra		3550°C
Vārīšanās temperatūra		4200°C
Blīvums		1,9–2,3 g/cm3 (grafīts) 3,5–3,53 g/cm3 (dimants)
Cietība (Moss)		1-2
Saturs zemes garozā (masa)		0,19%
Oksidācijas stāvokļi		-4; +2; +4

Sakausējumi

Tērauds

Koksu izmanto metalurģijā kā reducētāju. Kokogles - kalumos, šaujampulvera iegūšanai (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), gāzu uzsūkšanai (adsorbcija), kā arī sadzīvē. Kvēpus izmanto kā gumijas pildvielu, melno krāsu ražošanai - tipogrāfijas tintei un tintei, kā arī sausos galvaniskos elementos. Stikla oglekli izmanto iekārtu ražošanai ļoti agresīvai videi, kā arī aviācijā un astronautikā.

Aktivētā ogle absorbē kaitīgās vielas no gāzēm un šķidrumiem: piepilda gāzmaskas, attīrīšanas sistēmas, izmanto medicīnā saindēšanās gadījumos.

Ogleklis ir visu organisko vielu pamatā. Katrs dzīvs organisms lielākoties sastāv no oglekļa. Ogleklis ir dzīvības pamats. Oglekļa avots dzīviem organismiem parasti ir CO 2 no atmosfēras vai ūdens. Fotosintēzes rezultātā tas nonāk bioloģiskajās barības ķēdēs, kurās dzīvās būtnes ēd viena otru vai viena otras paliekas un tādējādi iegūst oglekli, lai izveidotu savu ķermeni. Oglekļa bioloģiskais cikls beidzas vai nu ar oksidēšanos un atgriešanos atmosfērā, vai ar apglabāšanu ogļu vai naftas veidā.

Radioaktīvā izotopa 14 C izmantošana veicināja panākumus molekulārā bioloģija proteīnu biosintēzes mehānismu izpētē un iedzimtības informācijas pārraidei. 14 C īpatnējās aktivitātes noteikšana oglekli saturošās organiskās atliekās ļauj spriest par to vecumu, ko izmanto paleontoloģijā un arheoloģijā.

Avoti

Ķīmiskie elementi un materiāli
Ķīmiskie elementi	Slāpeklis. Argons. Ūdeņradis. Hēlijs. Dzelzs . Kalcijs. Skābeklis. Silīcijs. Magnijs. Mangāns.