Uhlíkové vlastnosti, struktura, získávání, použití

4825
Basil Manning

The uhlík Jedná se o nekovový chemický prvek, jehož chemickým symbolem je C. Za svůj název vděčí uhlí, rostlině nebo minerálu, kde jeho atomy definují různé struktury. Mnoho autorů ji kvalifikuje jako krále elementů, protože tvoří širokou škálu organických a anorganických sloučenin a vyskytuje se také ve značném počtu alotropů..

A pokud to nestačí k označení jako zvláštního prvku, nachází se ve všech živých bytostech; všechny jeho biomolekuly vděčí za svou existenci stabilitě a síle vazeb C-C a jejich vysoké tendenci ke zřetězení. Uhlík je prvek života a jeho atomy tvoří jeho těla.

Dřevo stromů je složeno převážně ze sacharidů, jedné z mnoha sloučenin bohatých na uhlík. Zdroj: Pexels.

Organické sloučeniny, z nichž jsou biomateriály vyráběny, se prakticky skládají z uhlíkových skeletů a heteroatomů. Ty lze vidět pouhým okem v lese stromů; a také, když na ně udeří blesk a opéká je. Zbývající inertní černá pevná látka má také uhlík; ale jde o dřevěné uhlí.

Existují tedy „mrtvé“ projevy tohoto prvku: dřevěné uhlí, produkt spalování v prostředí chudém na kyslík; a minerální uhlí, produkt geologických procesů. Obě pevné látky vypadají podobně, jsou černé a hoří, aby vytvářely teplo a energii; i když s různými výnosy.

Od tohoto okamžiku je uhlík 15. nejhojnějším prvkem v zemské kůře. Není divu, když se ročně vyprodukují miliony tun uhlí. Tyto minerály se liší svými vlastnostmi v závislosti na stupni nečistot, přičemž antracit jsou minerály nejvyšší kvality..

Zemská kůra není bohatá jen na minerální uhlí, ale také na uhličitany, zejména vápence a dolomity. A pokud jde o vesmír, je to čtvrtý nejhojnější prvek; Myslím, že na jiných planetách je více uhlíku.

Rejstřík článků

  • 1 Historie uhlíku
    • 1.1 Ohlédnutí
    • 1.2 Uznání
  • 2 Vlastnosti
    • 2.1 Grafit vs diamant
  • 3 Struktura a elektronická konfigurace
    • 3.1 Hybridizace
    • 3,2 oxidační čísla
    • 3.3 Molekulární geometrie
    • 3.4 Amorfní nebo krystalické pevné látky
  • 4 Získání
  • 5 použití
  • 6 Rizika a bezpečnostní opatření
  • 7 Reference

Historie uhlíku

Retrospektiva

Uhlík může být stejně starý jako samotná zemská kůra. Starověké civilizace se od nepaměti setkávaly s tímto prvkem v mnoha přírodních formách: saze, dřevěné uhlí, dřevěné uhlí, dřevěné uhlí, diamanty, grafit, černouhelný dehet, antracit atd..

Všechny tyto pevné látky, i když sdílely temné tóny (s výjimkou diamantu), zbytek jejich fyzikálních vlastností, stejně jako jejich složení, se pozoruhodně lišily. Tehdy nebylo možné tvrdit, že v zásadě sestávaly z atomů uhlíku.

Bylo to tak, že v průběhu historie bylo uhlí klasifikováno podle jeho kvality při spalování a poskytování tepla. A s plyny, které vznikly při jeho spalování, se ohřívaly masy vody, které zase vytvářely páry, které pohybovaly turbíny generující elektrické proudy..

Uhlík byl neočekávaně přítomen v dřevěném uhlí produkovaném spalováním stromů v uzavřených nebo hermetických prostorech; v grafitu, se kterým byly tužky vyrobeny; v diamantech používaných jako drahokamy; byl zodpovědný za tvrdost oceli.

Jeho historie jde ruku v ruce se dřevem, střelným prachem, plyny osvětlení měst, vlaky a loděmi, pivem, mazivy a dalšími základními předměty pro rozvoj lidstva..

Uznání

V jakém okamžiku byli vědci schopni spojit allotropy a minerály uhlíku se stejným prvkem? Uhlí bylo považováno za minerál a nebylo o něm uvažováno jako o chemickém prvku hodném periodické tabulky. Prvním krokem mělo být ukázat, že všechny tyto pevné látky byly přeměněny na stejný plyn: oxid uhličitý, COdva.

Antoine Lavoisier v roce 1772 pomocí dřevěného rámu s velkými čočkami zaměřil sluneční paprsky na vzorky dřevěného uhlí a diamantu. Zjistil, že ani jeden z nich netvoří vodní páry, ale COdva. Totéž udělal se sazemi a dosáhl stejných výsledků..

Carl Wilhelm Scheele v roce 1779 zjistil chemický vztah mezi dřevěným uhlím a grafitem; to znamená, že obě pevné látky byly složeny ze stejných atomů.

Smithson Tennant a William Hyde Wollaston v roce 1797 metodicky ověřili (reakcemi), že diamant byl skutečně složen z uhlíku produkcí COdva při jeho spalování.

S těmito výsledky bylo brzy vrženo světlo na grafit a diamant, pevné látky tvořené uhlíkem, a proto vysoké čistoty; na rozdíl od nečistých pevných látek uhlí a jiných uhlíkatých minerálů.

Vlastnosti

Fyzikální nebo chemické vlastnosti nalezené v pevných látkách, minerálech nebo uhlíkatých materiálech podléhají mnoha proměnným. Mezi ně patří: složení nebo stupeň nečistot, hybridizace atomů uhlíku, rozmanitost struktur a morfologie nebo velikost pórů..

Když jsou popsány vlastnosti uhlíku, většina textů nebo bibliografických zdrojů je založena na grafitu a diamantu..

Proč? Protože jsou nejznámějšími allotropy pro tento prvek a představují pevné látky nebo materiály o vysoké čistotě; to znamená, že jsou prakticky vyrobeny pouze z atomů uhlíku (i když s odlišnou strukturou, jak bude vysvětleno v následující části).

Vlastnosti dřevěného uhlí a minerálního uhlí se liší původem nebo složením. Například lignit (s nízkým obsahem uhlíku) jako palivo prochází ve srovnání s antracitem (s vysokým obsahem uhlíku). A co ostatní alotropy: nanotrubice, fullereny, grafeny, graffiny atd..

Chemicky však mají jeden společný bod: oxidují s přebytkem kyslíku v COdva:

C    +    NEBOdva  => COdva

Rychlost nebo teplota, kterou potřebují k oxidaci, jsou nyní specifické pro každý z těchto alotropů..

Grafit vs diamant

Zde bude také uveden krátký komentář týkající se velmi odlišných vlastností těchto dvou alotropů:

Tabulka, ve které jsou porovnány některé vlastnosti dvou krystalických alotropů uhlíku. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Struktura a elektronická konfigurace

Hybridizace

Vztah mezi hybridními orbitaly a možnými strukturami uhlíku. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Konfigurace elektronů pro atom uhlíku je 1 sdva2 sdva2 strdva, také psáno jako [He] 2sdva2 strdva (horní obrázek). Toto znázornění odpovídá jeho základnímu stavu: atom uhlíku izolovaný a suspendovaný v takovém vakuu, že nemůže interagovat s ostatními..

Je vidět, že na jednom z jeho 2p orbitalů chybí elektrony, které přijímají elektron z 2s orbitalu s nižší energií prostřednictvím elektronické propagace; a tak atom získává schopnost tvořit až čtyři kovalentní vazby prostřednictvím svých čtyř sp hybridních orbitalů3.

Všimněte si, že čtyři sp orbitaly3 jsou zdegenerované v energii (zarovnané na stejné úrovni). Orbitály p čisté jsou energičtější, a proto jsou nad ostatními hybridními orbitály (napravo od obrázku).

Pokud existují tři hybridní orbitaly, je to proto, že zůstává jeden orbitál p bez hybridizace; jsou to tedy tři sp orbitalydva. A když existují dva z těchto hybridních orbitalů, dva orbitaly p jsou k dispozici pro vytvoření dvojných nebo trojných vazeb, což je sp uhlíková hybridizace.

Takové elektronické aspekty jsou nezbytné k pochopení toho, proč uhlík lze nalézt v nekonečnech alotropů..

Oxidační čísla

Před pokračováním ve strukturách stojí za zmínku, že vzhledem k valenční elektronové konfiguraci 2 sdva2 strdva, uhlík může mít následující oxidační čísla: +4, +2, 0, -2 a -4.

Proč? Tato čísla odpovídají předpokladu, že existuje iontová vazba tak, že vytvoříte ionty s příslušnými náboji; to znamená, C.4+, Cdva+, C0 (neutrální), Cdva- a C.4-.

Aby uhlík měl kladné oxidační číslo, musí ztratit elektrony; a aby to bylo nutné, musí být nutně vázáno na velmi elektronegativní atomy (jako je kyslík).

Mezitím, aby uhlík měl záporné oxidační číslo, musí získat elektrony vazbou na kovové atomy nebo méně elektronegativní než on (například vodík).

První oxidační číslo +4 znamená, že uhlík ztratil všechny valenční elektrony; orbitály 2s a 2p zůstávají prázdné. Pokud orbitál 2p ztratí své dva elektrony, uhlík bude mít oxidační číslo +2; pokud získáte dva elektrony, budete mít -2; a pokud získáte další dva elektrony doplněním svého valenčního oktetu, -4.

Příklady

Například pro COdva oxidační číslo uhlíku je +4 (protože kyslík je elektronegativnější); zatímco pro CH4, je -4 (protože vodík je méně elektronegativní).

Pro CH3OH, oxidační číslo uhlíku je -2 (+1 pro H a -2 pro O); zatímco pro HCOOH je to +2 (zkontrolujte, zda součet dává 0).

Jiné oxidační stavy, jako jsou -3 a +3, jsou také pravděpodobné, zejména pokud jde o organické molekuly; například v methylových skupinách -CH3.

Molekulární geometrie

Horní snímek nejen ukázal hybridizaci orbitalů pro atom uhlíku, ale také výsledné molekulární geometrie, když bylo několik atomů (černé koule) spojeno s centrálním. Aby tento centrální atom měl ve vesmíru specifické geometrické prostředí, musí mít příslušnou chemickou hybridizaci, která to umožňuje..

Například pro čtyřstěn má centrální uhlík sp hybridizaci3; protože to je nejstabilnější uspořádání pro čtyři sp hybridní orbitaly3. V případě uhlíků spdva, mohou tvořit dvojné vazby a mít prostředí trigonální roviny; a tak tyto trojúhelníky definují dokonalý šestiúhelník. A pro sp hybridizaci mají uhlíky lineární geometrii.

Geometrie pozorované ve strukturách všech alotropů jsou tedy jednoduše řízeny v čtyřstěnech (sp3), šestiúhelníky nebo pětiúhelníky (spdva) a řádky (sp).

Tetrahedra definuje 3D strukturu, zatímco šestiúhelníky, pětiúhelníky a čáry, 3D nebo 2D struktury; Posledně jmenované se stávají letadly nebo pláty podobnými stěnám voštin:

Zeď s šestihrannými vzory voštin analogicky k letadlům složeným z uhlíků sp2. Zdroj: Pixabay.

A pokud tuto šestihrannou stěnu (pětibokou nebo smíšenou) složíme, získáme trubičku (nanotrubičky) nebo kouli (fullereny) nebo jinou postavu. Interakce mezi těmito čísly vedou k různým morfologiím.

Amorfní nebo krystalické pevné látky

Ponecháme-li stranou geometrie, hybridizace nebo morfologie možných struktur uhlíku, lze jeho pevné látky globálně rozdělit na dva typy: amorfní nebo krystalické. A mezi těmito dvěma klasifikacemi jsou distribuovány jejich alotropy.

Amorfní uhlík je jednoduše ten, který představuje libovolnou směs čtyřstěnů, šestiúhelníků nebo čar, které nejsou schopny vytvořit strukturní vzor; to je případ uhlí, uhlí nebo aktivního uhlí, koksu, sazí atd..

Zatímco krystalický uhlík se skládá ze strukturních vzorů tvořených kteroukoli z navrhovaných geometrií; například diamant (trojrozměrná síť čtyřstěnů) a grafit (skládané šestihranné desky).

Získávání

Uhlík může být čistý jako grafit nebo diamant. Ty se nacházejí v příslušných mineralogických ložiscích, roztroušených po celém světě a v různých zemích. Proto jsou některé národy více vývozci jednoho z těchto minerálů než jiné. Stručně řečeno, „musíte kopat Zemi“, abyste získali uhlík.

Totéž platí pro minerální uhlí a jeho druhy. U uhlí to ale neplatí, protože tělo bohaté na uhlík musí nejprve „zahynout“, buď pod palbou, nebo před elektrickým bleskem; Samozřejmě, v nepřítomnosti kyslíku by jinak došlo k uvolnění COdva.

Celý les je zdrojem uhlíku jako dřevěné uhlí; nejen pro jeho stromy, ale také pro jeho faunu.

Obecně platí, že vzorky obsahující uhlík musí podstoupit pyrolýzu (hoření v nepřítomnosti kyslíku), aby se uvolnily některé nečistoty jako plyny; a tak zůstává pevná látka bohatá na uhlík (amorfní nebo krystalický) jako zbytek.

Aplikace

Stejně jako vlastnosti a struktura jsou použití nebo aplikace konzistentní s alotropy nebo mineralogickými formami uhlíku. Kromě některých dobře známých bodů však lze zmínit určité obecné zásady. Takové jsou:

-Uhlík se již dlouho používá jako minerální redukční činidlo k získání čistých kovů; například železo, křemík a fosfor.

-Je to základní kámen života a organická chemie a biochemie jsou studiemi této reflexe..

-Bylo to také fosilní palivo, které umožnilo prvním strojům zařadit rychlost. Podobně se z něj získával plynný uhlík pro staré osvětlovací systémy. Uhlí bylo synonymem pro světlo, teplo a energii.

-Smíchaný jako přísada se železem v různých poměrech umožnil vynález a zdokonalení ocelí.

-Jeho černá barva se odehrávala v umění, zejména v grafitu a ve všech textech vytvořených jeho tahy..

Rizika a opatření

Uhlík a jeho pevné látky nepředstavují žádné zdravotní riziko. Kdo se kdy staral o pytel s dřevěným uhlím? Prodávají se houfně v uličkách některých trhů a pokud nedojde k požáru v okolí, jejich černé bloky nebudou hořet..

Na druhé straně může koks představovat riziko, pokud má vysoký obsah síry. Při spalování uvolní sirné plyny, které kromě toho, že jsou toxické, přispívají ke kyselému dešti. A přestože COdva v malém množství nás nemůže udusit, má obrovský dopad na životní prostředí jako skleníkový plyn.

Z tohoto pohledu je uhlík „dlouhodobým“ nebezpečím, protože jeho spalování mění klima naší planety..

A ve fyzičtějším smyslu jsou pevné nebo uhlíkaté materiály, pokud jsou rozmělněny na prášek, snadno transportovány vzdušnými proudy; a následně jsou zavedeny přímo do plic, což je může nenávratně poškodit.

Zbytek je velmi běžné konzumovat „dřevěné uhlí“, když se vaří nějaké jídlo.

Reference

  1. Morrison, R. T. a Boyd, R, N. (1987). Organická chemie. 5. vydání. Redakční Addison-Wesley Interamericana.
  2. Carey F. (2008). Organická chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
  3. Graham Solomons T.W., Craig B.Fryhle. (2011). Organická chemie. Miny. (10. vydání.). Wiley plus.
  4. Andrew. (2019). Uhlík, jeho alotropy a struktury. Obnoveno z: everyscience.com
  5. Advameg, Inc. (2019). Uhlí. Vysvětlení chemie. Obnoveno z: chemistryexplained.com
  6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11. července 2018). 10 uhlíkových faktů (atomové číslo 6 nebo C). Obnoveno z: thoughtco.com
  7. Tawnya Eash. (2019). Co je to uhlík? - Fakta a lekce historie pro děti. Studie. Obnoveno z: study.com
  8. Föll. (s.f.). Historie uhlíku. Obnoveno z: tf.uni-kiel.de

Zatím žádné komentáře