Formula molekulare e karbonit. Karakteristikat e elementit të karbonit dhe vetitë kimike

KARBON, C, element kimik i grupit IV të sistemit periodik, pesha atomike 12,00, numri serik 6. Deri vonë, karboni konsiderohej se nuk kishte izotope; vetëm kohët e fundit është zbuluar ekzistenca e izotopit C 13 me ndihmën e metodave veçanërisht të ndjeshme. Karboni është një nga elementët më të rëndësishëm për sa i përket bollëkut, bollëkut dhe shumëllojshmërisë së përbërjeve të tij, rëndësisë së tij biologjike (si organogjen), pafundësisë së përdorimit teknik të vetë karbonit dhe përbërjeve të tij (si lëndë e parë dhe si burimi i energjisë për nevojat industriale dhe shtëpiake), dhe së fundi, në rolin e tij në zhvillimin e shkencës kimike. Karboni në gjendje të lirë zbulon një fenomen të theksuar të alotropisë, i cili është i njohur për më shumë se një shekull e gjysmë, por ende i pa kuptuar plotësisht, si për shkak të vështirësisë ekstreme në marrjen e karbonit në një formë kimikisht të pastër, ashtu edhe për shkak se shumica e konstantet e modifikimeve alotropike të karbonit ndryshojnë shumë në varësi të veçorive morfologjike të strukturës së tyre, për shkak të metodës dhe kushteve të marrjes.

Karboni formon dy forma kristalore - diamanti dhe grafiti, dhe njihet edhe në gjendje amorfe në formën e të ashtuquajturit. qymyr amorf. Individualiteti i këtij të fundit si rezultat i studimeve të fundit u diskutua: qymyri u identifikua me grafitin, duke i konsideruar të dyja si varietete morfologjike të së njëjtës formë - "karboni i zi", dhe ndryshimi në vetitë e tyre shpjegohej nga struktura fizike dhe shkalla e dispersioni i substancës. Megjithatë, kohët e fundit janë marrë fakte që konfirmojnë ekzistencën e qymyrit si një formë e veçantë alotropike (shih më poshtë).

Burimet natyrore dhe rezervat e karbonit. Për sa i përket bollëkut në natyrë, karboni zë vendin e 10-të midis elementeve, duke zënë 0,013% të atmosferës, 0,0025% të hidrosferës dhe rreth 0,35% të të gjithë masës së kores së tokës. Pjesa më e madhe e karbonit është në formën e përbërjeve të oksigjenit: ajri atmosferik përmban ~ 800 miliardë tonë karbon në formën e dioksidit të CO 2; në ujin e oqeaneve dhe deteve - deri në 50,000 miliardë ton karbon në formën e CO 2, joneve të acidit karbonik dhe bikarbonateve; në shkëmbinj - karbonate të patretshme (kalcium, magnez dhe metale të tjera), dhe pjesa e një CaCO 3 përbën ~160·10 6 miliardë tonë karbon. Megjithatë, këto rezerva kolosale nuk përfaqësojnë një vlerë energjetike; shumë më të vlefshme janë materialet karbonike të djegshme - qymyri fosil, torfe, pastaj nafta, gazet hidrokarbure dhe bitumet e tjera natyrore. Stoku i këtyre substancave në koren e tokës është gjithashtu mjaft domethënës: masa totale e karbonit në thëngjijtë fosile arrin ~6000 miliardë tonë, në naftë ~10 miliardë tonë etj. Në gjendje të lirë karboni është mjaft i rrallë (diamanti dhe pjesërisht të substancës grafit). Qymyret fosile përmbajnë pak ose aspak karbon të lirë: ato përbëhen nga Ch. arr. nga komponimet me molekulare të lartë (policiklike) dhe shumë të qëndrueshme të karbonit me elementë të tjerë (H, O, N, S) janë ende shumë pak të studiuara. Komponimet karbonike të natyrës së gjallë (biosfera e globit), të sintetizuara në qelizat bimore dhe shtazore, dallohen nga një shumëllojshmëri e jashtëzakonshme vetive dhe sasive të përbërjes; substancat më të zakonshme në botën bimore - fibra dhe linjina - luajnë gjithashtu një rol si burime energjie.

Karboni ruan një shpërndarje konstante në natyrë për shkak të ciklit të vazhdueshëm, cikli i të cilit përbëhet nga sinteza e substancave komplekse organike në qelizat bimore dhe shtazore dhe nga zbërthimi i kundërt i këtyre substancave gjatë kalbjes së tyre oksiduese (djegia, kalbja, frymëmarrje ), duke çuar në formimin e CO 2 , i cili ripërdoret bimë për sintezë. Skema e përgjithshme e këtij cikli mund të jetë. paraqitet në formën e mëposhtme:

Marrja e karbonit. Përbërjet e karbonit me origjinë bimore dhe shtazore janë të paqëndrueshme në temperatura të larta dhe, kur nxehen në të paktën 150-400 ° C pa ajër, dekompozohen, duke çliruar ujë dhe komponime të paqëndrueshme të karbonit dhe duke lënë një mbetje të ngurtë jo të paqëndrueshme të pasur me karbon dhe të quajtur zakonisht qymyr . Ky proces pirolitik quhet karbonim ose distilim i thatë dhe përdoret gjerësisht në inxhinieri. Piroliza në temperaturë të lartë të qymyrit fosil, vajit dhe torfe (në një temperaturë prej 450-1150°C) çon në çlirimin e karbonit në formë grafiti (koks, qymyr retort). Sa më e lartë të jetë temperatura e karbonizimit të lëndëve fillestare, aq më afër qymyrit ose koksit që rezulton është në përbërje me karbonin e lirë dhe në veti me grafitin.

Qymyri amorf, i cili formohet në temperatura nën 800 ° C, nuk mund të jetë. e konsiderojmë si karbon të lirë, sepse përmban sasi të konsiderueshme elementësh të tjerë të lidhur kimikisht, Ch. arr. hidrogjeni dhe oksigjeni. Nga produktet teknike, karboni i aktivizuar dhe bloza janë më të afërt në vetitë me karbonin amorf. Qymyri më i pastër mund të jetë. i përftuar nga karbonizimi i sheqerit të pastër ose piperonalit, trajtimi i veçantë i karbonit të zi, etj. Grafiti artificial i përftuar me mjete elektrotermale është pothuajse karbon i pastër në përbërje. Grafiti natyror është gjithmonë i kontaminuar me papastërti minerale dhe gjithashtu përmban një sasi të caktuar të hidrogjenit të lidhur (H) dhe oksigjenit (O); në një gjendje relativisht të pastër, mund të jetë. fitohet vetëm pas një sërë trajtimesh të veçanta: pasurimi mekanik, larja, trajtimi me agjentë oksidues dhe kalcinimi në temperaturë të lartë deri në largimin e plotë të substancave të avullueshme. Teknologjia e karbonit nuk merret kurrë me karbon krejtësisht të pastër; kjo vlen jo vetëm për lëndët e para natyrore të karbonit, por edhe për produktet e pasurimit, rafinimit dhe dekompozimit termik të tij (pirolizës). Më poshtë është përmbajtja e karbonit të disa materialeve karbonike (në %):

Vetitë fizike të karbonit. Karboni i lirë është pothuajse plotësisht i shkrirë, jo i paqëndrueshëm dhe në temperaturë të zakonshme është i pazgjidhshëm në asnjë nga tretësit e njohur. Ai tretet vetëm në disa metale të shkrirë, veçanërisht në temperatura që i afrohen pikës së vlimit të këtij të fundit: në hekur (deri në 5%), argjend (deri në 6%) | rutenium (deri në 4%), kobalt, nikel, ar dhe platin. Në mungesë të oksigjenit, karboni është materiali më zjarrdurues; gjendja e lëngshme për karbonin e pastër është e panjohur dhe shndërrimi i tij në avull fillon vetëm në temperatura mbi 3000°C. Prandaj, përcaktimi i vetive të karbonit u krye ekskluzivisht për gjendjen e ngurtë të grumbullimit. Nga modifikimet e karbonit, diamanti ka vetitë fizike më konstante; vetitë e grafitit në mostrat e tij të ndryshme (madje edhe ato më të pastra) ndryshojnë në mënyrë të konsiderueshme; vetitë e qymyrit amorf janë edhe më të ndryshueshme. Konstantet fizike më të rëndësishme të modifikimeve të ndryshme të karbonit krahasohen në tabelë.

Diamanti është një dielektrik tipik, ndërsa grafiti dhe karboni kanë përçueshmëri elektrike metalike. Në vlerë absolute, përçueshmëria e tyre ndryshon në një gamë shumë të gjerë, por për qymyrin është gjithmonë më e ulët se për grafitët; në grafitë, i afrohet përçueshmërisë së metaleve reale. Kapaciteti termik i të gjitha modifikimeve të karbonit në një temperaturë prej >1000°C tenton në një vlerë konstante prej 0.47. Në temperaturat nën -180°C, kapaciteti i nxehtësisë së diamantit bëhet shumë i vogël dhe në -27°C praktikisht bëhet i barabartë me zero.

Vetitë kimike të karbonit. Kur nxehen mbi 1000°C, diamanti dhe qymyri gradualisht shndërrohen në grafit, i cili për këtë arsye duhet të konsiderohet si forma monotropike më e qëndrueshme (në temperatura të larta) të karbonit. Transformimi i karbonit amorf në grafit duket se fillon në rreth 800°C dhe përfundon në 1100°C (në këtë pikë të fundit, qymyri humbet aktivitetin e tij të absorbimit dhe aftësinë për t'u riaktivizuar, dhe përçueshmëria e tij elektrike rritet ndjeshëm, duke mbetur pothuajse konstante në të ardhmen ). Karboni i lirë karakterizohet nga inertiteti në temperaturat e zakonshme dhe aktiviteti i rëndësishëm në temperatura të larta. Karboni amorf është kimikisht më aktivi, ndërsa diamanti është më rezistenti. Për shembull, fluori reagon me qymyrin në 15°C, me grafitin vetëm në 500°C dhe me diamantin në 700°C. Kur nxehet në ajër, qymyri poroz fillon të oksidohet nën 100°C, grafiti në rreth 650°C dhe diamanti mbi 800°C. Në një temperaturë prej 300°C e lart, qymyri bashkohet me squfurin për të formuar disulfidin e karbonit CS 2 . Në temperaturat mbi 1800°C, karboni (thëngjilli) fillon të ndërveprojë me azotin, duke formuar (në sasi të vogla) cianogjen C 2 N 2 . Ndërveprimi i karbonit me hidrogjenin fillon në 1200°C dhe në intervalin e temperaturës 1200-1500°C, formohet vetëm metani CH 4; mbi 1500 ° C - një përzierje e metanit, etilenit (C 2 H 4) dhe acetilenit (C 2 H 2); në temperaturën rreth 3000°C fitohet pothuajse ekskluzivisht acetilen. Në temperaturën e harkut elektrik, karboni hyn në kombinim të drejtpërdrejtë me metalet, silikonin dhe borin, duke formuar karbitet përkatëse. Mënyra të drejtpërdrejta ose të tërthorta m. b. janë marrë komponime të karbonit me të gjithë elementët e njohur, përveç gazeve të grupit zero. Karboni është një element jo metalik që shfaq disa shenja amfoteriteti. Atomi i karbonit ka një diametër prej 1,50 Ᾰ (1Ᾰ \u003d 10 -8 cm) dhe përmban 4 elektrone valence në sferën e jashtme, të cilat po aq lehtë jepen ose plotësohen në 8; prandaj, valenca normale e karbonit, si oksigjeni ashtu edhe hidrogjeni, është katër. Në shumicën dërrmuese të përbërjeve të tij, karboni është katërvalent; vetëm një numër i vogël njihen komponime të karbonit dyvalent (monoksidi i karbonit dhe acetalet e tij, izonitrilet, acidi shpërthyes dhe kripërat e tij) dhe trivalentët (i ashtuquajturi "radikal i lirë").

Me oksigjen, karboni formon dy okside normale: dioksid karboni acid CO 2 dhe monoksid karboni neutral CO. Përveç kësaj, ka një numër suboksidet e karbonit që përmban më shumë se 1 atom C, pa rëndësi teknike; nga këto, më i famshmi është nënoksidimi i përbërjes C 3 O 2 (një gaz me një pikë vlimi +7 ° C dhe një pikë shkrirjeje -111 ° C). Produkti i parë i djegies së karbonit dhe përbërjeve të tij është CO 2, i cili formohet sipas ekuacionit:

C + O 2 \u003d CO 2 +97600 kal.

Formimi i CO gjatë djegies jo të plotë të karburantit është rezultat i një procesi reduktimi dytësor; në këtë rast, vetë karboni shërben si një agjent reduktues, i cili reagon me CO 2 në temperatura mbi 450 ° C sipas ekuacionit:

CO 2 + C \u003d 2CO -38800 kalori;

ky reagim është i kthyeshëm; mbi 950°C, shndërrimi i CO 2 në CO bëhet pothuajse i plotë, i cili kryhet në furrat e prodhimit të gazit. Aftësia reduktuese energjike e karbonit në temperatura të larta përdoret gjithashtu në prodhimin e gazit të ujit (H 2 O + C \u003d CO + H 2 -28380 cal) dhe në proceset metalurgjike - për të marrë një metal të lirë nga oksidi i tij. Format alotropike të karbonit trajtohen ndryshe nga veprimi i disa agjentëve oksidues: për shembull, një përzierje e KCIO 3 + HNO 3 nuk ndikon fare në diamant, qymyri amorf oksidohet plotësisht prej tij në CO 2, ndërsa grafiti jep komponime të seri aromatike - acide grafitike me formulë empirike (C 2 OH) x dhe më gjerë acidi melitik C 6 (COOH) 6 . Përbërjet e karbonit me hidrogjen - hidrokarburet - janë jashtëzakonisht të shumta; prej tyre prodhohen gjenetikisht shumica e përbërjeve organike të mbetura, të cilat përveç karbonit më së shpeshti përfshijnë H, O, N, S dhe halogjene.

Shumëllojshmëria e jashtëzakonshme e përbërjeve organike, nga të cilat njihen deri në 2 milionë, është për shkak të disa veçorive të karbonit si element. 1) Karboni karakterizohet nga forca e një lidhjeje kimike me shumicën e elementeve të tjerë, si metalikë ashtu edhe jo metalikë, për shkak të së cilës ai formon komponime mjaft të qëndrueshme me të dy. Duke u kombinuar me elementë të tjerë, karboni është shumë pak i prirur për të formuar jone. Shumica e përbërjeve organike janë të tipit homeopolarë dhe nuk shkëputen në kushte normale; këputja e lidhjeve intramolekulare në to shpesh kërkon shpenzimin e një sasie të konsiderueshme energjie. Megjithatë, kur gjykohet forca e lidhjeve, duhet dalluar; a) forca absolute e lidhjes, e matur me mjete termokimike, dhe b) aftësia e lidhjes për t'u thyer nën veprimin e reagentëve të ndryshëm; këto dy karakteristika jo gjithmonë përkojnë. 2) Atomet e karbonit lidhen me njëri-tjetrin me lehtësi të jashtëzakonshme (jopolare), duke formuar zinxhirë karboni, të hapur ose të mbyllur. Gjatësia e zinxhirëve të tillë duket të jetë e pakufizuar; Kështu, njihen molekula plotësisht të qëndrueshme me zinxhirë të hapur prej 64 atomesh karboni. Zgjatimi dhe ndërlikimi i zinxhirëve të hapur nuk ndikon në forcën e lidhjes së lidhjeve të tyre me njëri-tjetrin ose me elementë të tjerë. Ndër zinxhirët e mbyllur, unazat me 6 dhe 5 anëtarë formohen më lehtë, megjithëse njihen zinxhirë unazorë që përmbajnë nga 3 deri në 18 atome karboni. Aftësia e atomeve të karbonit për t'u ndërlidhur shpjegon mirë vetitë e veçanta të grafitit dhe mekanizmin e proceseve të karbonit; Ai gjithashtu bën të qartë faktin se karboni është i panjohur në formën e molekulave diatomike C 2, gjë që mund të pritet në analogji me elementë të tjerë të lehtë jo metalikë (në formë avulli, karboni përbëhet nga molekula monotomike). 3) Për shkak të natyrës jopolare të lidhjeve, shumë komponime të karbonit kanë inertitet kimik jo vetëm të jashtëm (përgjigje e ngadaltë), por edhe të brendshme (vështirësi në rirregullimet intramolekulare). Prania e "rezistencave pasive" të mëdha e ndërlikon shumë shndërrimin spontan të formave të paqëndrueshme në të qëndrueshme, shpesh duke e ulur shkallën e një transformimi të tillë në zero. Rezultati i kësaj është mundësia e realizimit të një numri të madh të formave izomere që janë praktikisht njëlloj të qëndrueshme në temperaturën e zakonshme.

Alotropia dhe struktura atomike e karbonit . Analiza me rreze X bëri të mundur përcaktimin e besueshëm të strukturës atomike të diamantit dhe grafitit. E njëjta metodë kërkimore hedh dritë edhe mbi çështjen e ekzistencës së një modifikimi të tretë alotropik të karbonit, i cili në thelb është një çështje e amorfitetit ose kristalinitetit të qymyrit: nëse qymyri është një formacion amorf, atëherë nuk mund të jetë. nuk identifikohet as me grafit dhe as me diamant, por duhet konsideruar si një formë e veçantë e karbonit, si një substancë e thjeshtë individuale. Në një diamant, atomet e karbonit janë rregulluar në atë mënyrë që çdo atom të shtrihet në qendër të një katërkëndëshi, kulmet e të cilit janë 4 atome ngjitur; secila prej këtyre të fundit, nga ana tjetër, është qendra e një katërkëndëshi tjetër të tillë; distancat midis atomeve ngjitur janë 1,54 Ᾰ (skaji i kubit elementar të rrjetës kristalore është 3,55 Ᾰ). Kjo strukturë është më kompakte; korrespondon me fortësinë, densitetin dhe inertitetin kimik të lartë të diamantit (shpërndarja uniforme e forcave të valencës). Lidhja reciproke e atomeve të karbonit në rrjetën e diamantit është e njëjtë si në molekulat e shumicës së përbërjeve organike yndyrore (modeli tetraedral i karbonit). Në kristalet e grafit, atomet e karbonit janë të rregulluar në shtresa të dendura të larguara nga njëra-tjetra me 3,35-3,41 Ᾰ; drejtimi i këtyre shtresave përkon me rrafshet e çarjes dhe rrafshët e rrëshqitjes gjatë deformimeve mekanike. Në rrafshin e secilës shtresë, atomet formojnë një rrjet me qeliza (kompani) gjashtëkëndore; brinja e një gjashtëkëndëshi të tillë është 1,42-1,45 Ᾰ. Në shtresat ngjitur, gjashtëkëndëshat nuk shtrihen njëri nën tjetrin: koincidenca e tyre vertikale përsëritet vetëm pas 2 shtresave në të tretën. Tre lidhjet e secilit atom karboni shtrihen në të njëjtin rrafsh, duke formuar kënde prej 120°; Lidhja e 4-të drejtohet në mënyrë alternative në një drejtim ose në një tjetër nga rrafshi në atomet e shtresave fqinje. Distancat midis atomeve në një shtresë janë rreptësisht konstante, ndërsa distanca midis shtresave individuale mund të jetë ndryshohet nga ndikimet e jashtme: për shembull, kur shtypet nën presion deri në 5000 atm, zvogëlohet në 2,9 Ᾰ, dhe kur grafiti bymehet në HNO 3 të përqendruar, rritet në 8 Ᾰ. Në rrafshin e një shtrese, atomet e karbonit janë të lidhura në mënyrë homeopolare (si në zinxhirët hidrokarbure), ndërsa lidhjet ndërmjet atomeve të shtresave ngjitur janë mjaft të natyrës metalike; kjo mund të shihet nga fakti se përçueshmëria elektrike e kristaleve të grafitit në drejtimin pingul me shtresat është ~100 herë më e lartë se përçueshmëria në drejtim të shtresës. Se. grafiti ka vetitë e një metali në një drejtim dhe vetitë e një jometali në tjetrin. Rregullimi i atomeve të karbonit në secilën shtresë të rrjetës së grafitit është saktësisht i njëjtë si në molekulat e përbërjeve komplekse aromatike. Ky konfigurim shpjegon mirë anizotropinë e mprehtë të grafitit, ndarjen jashtëzakonisht të zhvilluar, vetitë kundër fërkimit dhe formimin e përbërjeve aromatike gjatë oksidimit të tij. Modifikimi amorf i karbonit të zi, me sa duket, ekziston si një formë e pavarur (O. Ruff). Për të, më e mundshme është një strukturë qelizore e shkumëzuar, pa ndonjë rregullsi; muret e qelizave të tilla formohen nga shtresa atomesh aktive karbonit rreth 3 atome të trasha. Në praktikë, substanca aktive e qymyrit zakonisht shtrihet nën një guaskë të atomeve të karbonit joaktiv të orientuar afërsisht në formë grafiti, dhe përshkohet me përfshirje kristalitësh grafiti shumë të vegjël. Ndoshta nuk ka një pikë të caktuar të transformimit të qymyrit → grafit: midis të dy modifikimeve ka një tranzicion të vazhdueshëm, gjatë të cilit masa e grumbulluar rastësisht e atomeve C të qymyrit amorf riorganizohet në rrjetën e rregullt kristalore të grafitit. Për shkak të renditjes së tyre të rastësishme, atomet e karbonit në qymyrin amorf tregojnë një maksimum të afinitetit të mbetur, i cili (sipas ideve të Langmuir për identitetin e forcave të adsorbimit me forcat e valencës) korrespondon me adsorbimin e lartë dhe aktivitetin katalitik aq karakteristik për qymyrin. Atomet e karbonit të orientuar në rrjetën kristalore kalojnë të gjithë afinitetin e tyre (në diamant) ose pjesën më të madhe të tij (në grafit) në ngjitjen e ndërsjellë; kjo korrespondon me një ulje të aktivitetit kimik dhe aktivitetit të adsorbimit. Për diamantin, adsorbimi është i mundur vetëm në sipërfaqen e një kristali të vetëm, ndërsa për grafitin, valenca e mbetur mund të shfaqet në të dy sipërfaqet e secilës rrjetë të sheshtë (në "boshllëqet" midis shtresave të atomeve), gjë që vërtetohet nga fakti se grafiti mund të fryhet në lëngje (HNO 3) dhe mekanizmi i oksidimit të tij në acid grafitik.

Rëndësia teknike e karbonit. Sa i përket b. ose m të karbonit të lirë të përftuar gjatë proceseve të karbonizimit dhe të koksit, atëherë përdorimi i tij në teknologji bazohet si në kimike (inertiteti, aftësia reduktuese) ashtu edhe në vetitë e tij fizike (rezistenca ndaj nxehtësisë, përçueshmëria elektrike, kapaciteti adsorbues). Pra, koksi dhe qymyri, përveç përdorimit të pjesshëm të drejtpërdrejtë si lëndë djegëse pa flakë, përdoren për prodhimin e lëndës djegëse të gaztë (gazrat e gjeneratorit); në metalurgjinë e metaleve me ngjyra dhe me ngjyra - për reduktimin e oksideve të metaleve (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); në teknologjinë kimike - si agjent reduktues në prodhimin e sulfideve (Na, Ca, Ba) nga sulfatet, kripërat e klorurit anhidrik (Mg, Al), nga oksidet e metaleve, në prodhimin e qelqit të tretshëm dhe fosforit - si lëndë e parë për prodhimi i karabit të kalciumit, karborundit dhe karbiteve të tjera, disulfidit të karbonit, etj.; në biznesin e ndërtimit - si material izolues i nxehtësisë. Qymyri retort dhe koksi shërbejnë si material për elektrodat e furrave elektrike, banjat elektrolitike dhe qelizat galvanike, për prodhimin e qymyrit me hark, reostatet, furçat e kolektorëve, gropat e shkrirjes, etj., si dhe si paketim në pajisjet kimike të tipit kullë. Qymyri, përveç aplikimeve të mësipërme, përdoret për marrjen e monoksidit të karbonit të koncentruar, kripërave cianide, për karburizimin e çelikut, përdoret gjerësisht si adsorbues, si katalizator për disa reaksione sintetike dhe së fundi është pjesë e pluhurit të zi dhe eksplozive të tjerë dhe kompozime piroteknike.

Përcaktimi analitik i karbonit. Në mënyrë cilësore, karboni përcaktohet nga karbonizimi i një kampioni të një lënde pa qasje në ajër (i cili nuk është i përshtatshëm për të gjitha substancat) ose, që është shumë më i besueshëm, duke e oksiduar në mënyrë shteruese, për shembull, duke e kalcinuar në një përzierje me bakër. oksid, dhe formimi i CO 2 vërtetohet me reaksione të zakonshme. Për të përcaktuar sasinë e karbonit, një mostër e një lënde digjet në një atmosferë oksigjeni; CO 2 që rezulton kapet nga tretësira alkali dhe përcaktohet nga pesha ose vëllimi me metoda konvencionale të analizës sasiore. Kjo metodë është e përshtatshme për përcaktimin e karbonit jo vetëm në përbërjet organike dhe qymyrin industrial, por edhe në metale.

Karboni (C)është një jometal tipik; në sistemin periodik është në periudhën e 2-të të grupit IV, nëngrupi kryesor. Numri rendor 6, Ar = 12.011 amu, ngarkesa bërthamore +6.

Vetitë fizike: karboni formon shumë modifikime alotropike: diamanti një nga substancat më të vështira grafit, qymyr, blozë.

Një atom karboni ka 6 elektrone: 1s 2 2s 2 2p 2 . Dy elektronet e fundit ndodhen në p-orbitale të veçanta dhe janë të paçiftuar. Në parim, ky çift mund të zërë një orbitale, por në këtë rast repulsioni i ndërelektronit rritet fuqishëm. Për këtë arsye, njëri prej tyre merr 2p x, dhe tjetri, ose 2p y , ose 2p z-orbitale.

Dallimi midis energjive të nënniveleve s dhe p të shtresës së jashtme është i vogël, prandaj, atomi kalon lehtësisht në një gjendje të ngacmuar, në të cilën një nga dy elektronet nga orbitali 2s kalon në një të lirë. 2r. Një gjendje valence lind me konfigurimin 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Është kjo gjendje e atomit të karbonit që është karakteristikë e rrjetës së diamantit - rregullimi hapësinor tetraedral i orbitaleve hibride, e njëjta gjatësi dhe energji e lidhjes.

Ky fenomen njihet të quhet sp 3 -hibridizimi, dhe funksionet që rezultojnë janë sp 3 -hibride . Formimi i katër lidhjeve sp 3 i siguron atomit të karbonit një gjendje më të qëndrueshme se tre rr- dhe një s-s-lidhje. Përveç hibridizimit sp 3, hibridizimi sp 2 dhe sp vërehen gjithashtu në atomin e karbonit . Në rastin e parë, ka një mbivendosje të ndërsjellë s- dhe dy p-orbitale. Formohen tre orbitale hibride ekuivalente sp 2 - të vendosura në të njëjtin plan në një kënd prej 120 ° me njëra-tjetrën. Orbitalja e tretë p është e pandryshuar dhe e drejtuar pingul me rrafshin sp2.

Në hibridizimin sp, orbitalet s dhe p mbivendosen. Një kënd prej 180° lind midis dy orbitaleve hibride ekuivalente të formuara, ndërsa dy orbitalet p të secilit prej atomeve mbeten të pandryshuara.

Alotropia e karbonit. diamanti dhe grafiti

Në një kristal grafiti, atomet e karbonit janë të vendosura në plane paralele, duke zënë kulmet e gjashtëkëndëshave të rregullt në to. Secili prej atomeve të karbonit është i lidhur me tre lidhje hibride sp 2 ngjitur. Ndërmjet aeroplanëve paralelë, lidhja kryhet për shkak të forcave van der Waals. P-orbitalet e lira të secilit prej atomeve janë të drejtuara pingul me rrafshet e lidhjeve kovalente. Mbivendosja e tyre shpjegon lidhjen π shtesë midis atomeve të karbonit. Pra nga gjendja e valencës në të cilën atomet e karbonit janë në një substancë, vetitë e kësaj substance varen.

Vetitë kimike të karbonit

Gjendjet më karakteristike të oksidimit: +4, +2.

Në temperatura të ulëta, karboni është inert, por kur nxehet, aktiviteti i tij rritet.

Karboni si agjent reduktues:

- me oksigjen
C 0 + O 2 - t ° \u003d CO 2 dioksid karboni
me mungesë oksigjeni - djegie jo e plotë:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O monoksid karboni

- me fluor
C + 2F 2 = CF 4

- me avull
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 gaz uji

- me okside metali. Në këtë mënyrë metali shkrihet nga xeherori.
C 0 + 2CuO - t° = 2Cu + C +4 O 2

- me acide - agjentë oksidues:
C 0 + 2H 2 SO 4 (konc.) \u003d C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (konc.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- formon disulfidin e karbonit me squfur:
C + 2S 2 \u003d CS 2.

Karboni si agjent oksidues:

- formon karbide me disa metale

4Al + 3C 0 \u003d Al 4 C 3

Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4

- me hidrogjen - metan (si dhe një sasi të madhe të përbërjeve organike)

C 0 + 2H 2 \u003d CH 4

- me silikon, formon karborund (në 2000 ° C në një furrë elektrike):

Gjetja e karbonit në natyrë

Karboni i lirë shfaqet si diamant dhe grafit. Në formën e komponimeve, karboni gjendet në minerale: shkumës, mermer, gëlqeror - CaCO 3, dolomit - MgCO 3 *CaCO 3; bikarbonatet - Mg (HCO 3) 2 dhe Ca (HCO 3) 2, CO 2 është pjesë e ajrit; karboni është përbërësi kryesor i komponimeve organike natyrore - gazi, vaji, qymyri, torfe, është pjesë e substancave organike, proteinave, yndyrave, karbohidrateve, aminoacideve që janë pjesë e organizmave të gjallë.

Komponimet inorganike të karbonit

As jonet C4+ dhe as C4- nuk formohen në asnjë proces kimik konvencional: ka lidhje kovalente me polaritet të ndryshëm në përbërjet e karbonit.

Monoksidi i karbonit (II) KËSHTU QË

Oksid karboni; pa ngjyrë, pa erë, pak i tretshëm në ujë, i tretshëm në tretës organikë, helmues, bp = -192°C; t sq. = -205°C.

Faturë
1) Në industri (në gjeneratorët e gazit):
C + O 2 = CO 2

2) Në laborator - dekompozimi termik i acidit formik ose oksalik në prani të H 2 SO 4 (konc.):
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 \u003d CO + CO 2 + H 2 O

Vetitë kimike

Në kushte të zakonshme, CO është inerte; kur nxehet - agjent reduktues; oksid që nuk krijon kripë.

1) me oksigjen

2C +2 O + O 2 \u003d 2C +4 O 2

2) me okside metalike

C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O 2

3) me klor (në dritë)

CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (fosgjen)

4) reagon me shkrirjet alkaline (nën presion)

CO + NaOH = HCOONa (format natriumi)

5) formon karbonile me metale kalimtare

Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5

Monoksidi i karbonit (IV) CO2

Dioksidi i karbonit, pa ngjyrë, pa erë, tretshmëri në ujë - 0.9V CO 2 tretet në 1V H 2 O (në kushte normale); më i rëndë se ajri; t°pl.= -78,5°C (CO 2 i ngurtë quhet "akulli i thatë"); nuk mbështet djegien.

Faturë

Zbërthimi termik i kripërave të acidit karbonik (karbonateve). Pjekja e gurit gëlqeror:

CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2

Veprimi i acideve të forta në karbonate dhe bikarbonate:

CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2

KimikeVetitëCO2
Oksidi acid: reagon me oksidet bazë dhe bazat për të formuar kripëra të acidit karbonik

Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 \u003d NaHCO 3

Mund të shfaqë veti oksiduese në temperatura të larta

C +4 O 2 + 2Mg - t ° \u003d 2Mg +2 O + C 0

Reagimi cilësor

Turbullira e ujit gëlqeror:

Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 3 ¯ (precipitat i bardhë) + H 2 O

Zhduket kur CO 2 kalohet përmes ujit gëlqeror për një kohë të gjatë, sepse. karbonati i pazgjidhshëm i kalciumit shndërrohet në bikarbonat të tretshëm:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2

acidi karbonik dhe i tijkripë

H2CO3 - Acidi i dobët, ekziston vetëm në tretësirën ujore:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Baza e dyfishtë:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - kripëra acide - bikarbonate, bikarbonate
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Kripëra mesatare - karbonate

Të gjitha vetitë e acideve janë karakteristike.

Karbonatet dhe bikarbonatet mund të shndërrohen në njëra-tjetrën:

2NaHCO 3 - t ° \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d 2NaHCO 3

Karbonatet e metaleve (përveç metaleve alkali) dekarboksilate kur nxehen për të formuar një oksid:

CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2

Reagimi cilësor- "vale" nën veprimin e një acidi të fortë:

Na 2 CO 3 + 2HCl \u003d 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

Karbitet

karabit kalciumi:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

Acetileni lirohet kur karbitet e zinkut, kadmiumit, lantanumit dhe ceriumit reagojnë me ujin:

2 LaC 2 + 6 H 2 O \u003d 2La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C dhe Al 4 C 3 zbërthehen nga uji për të formuar metan:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O \u003d 4 Al (OH) 3 \u003d 3 CH 4.

Karbitet e titanit TiC, tungsteni W 2 C (aliazhe të forta), silic SiC (karborund - si gërryes dhe material për ngrohje) përdoren në teknologji.

cianidet

të marra nga ngrohja e sodës në një atmosferë me amoniak dhe monoksid karboni:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Acidi hidrocianik HCN është një produkt i rëndësishëm i industrisë kimike i përdorur gjerësisht në sintezën organike. Prodhimi botëror i saj arrin në 200 mijë tonë në vit. Struktura elektronike e anionit të cianidit është e ngjashme me monoksidin e karbonit (II), grimca të tilla quhen izoelektronike:

C = O:[:C = N:]-

Cianidet (tretësirë ujore 0,1-0,2%) përdoren në nxjerrjen e arit:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 \u003d 2 K + 2 KOH.

Kur tretësirat e cianideve zihen me squfur ose kur trupat e ngurtë shkrihen, tiocianate:
KCN + S = KSCN.

Kur cianidet e metaleve me aktivitet të ulët nxehen, përftohet cianidi: Hg (CN) 2 \u003d Hg + (CN) 2. tretësirat e cianideve oksidohen në cianate:

2KCN + O2 = 2KOCN.

Acidi cianik ekziston në dy forma:

H-N=C=O; H-O-C = N:

Në 1828, Friedrich Wöhler (1800-1882) mori ure nga cianati i amonit: NH 4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 duke avulluar një zgjidhje ujore.

Kjo ngjarje zakonisht shihet si fitorja e kimisë sintetike mbi "teorinë vitaliste".

Ekziston një izomer i acidit cianik - acid fulminik

H-O-N=C.
Kripërat e tij (merkuri fulminate Hg(ONC) 2) përdoren në ndezësit me ndikim.

Sinteza ure(karbamidi):

CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O. Në 130 0 C dhe 100 atm.

Urea është një amid i acidit karbonik, ekziston edhe "analogu i tij i azotit" - guanidina.

Karbonatet

Përbërjet më të rëndësishme inorganike të karbonit janë kripërat e acidit karbonik (karbonatet). H 2 CO 3 është një acid i dobët (K 1 \u003d 1.3 10 -4; K 2 \u003d 5 10 -11). Mbështetëse tampon karbonati bilanci i dioksidit të karbonit në atmosferë. Oqeanet kanë një kapacitet të madh tampon sepse janë një sistem i hapur. Reagimi kryesor i tamponit është ekuilibri gjatë shpërbërjes së acidit karbonik:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

Me një ulje të aciditetit, thithja shtesë e dioksidit të karbonit nga atmosfera ndodh me formimin e acidit:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

Me një rritje të aciditetit, shkëmbinjtë karbonat (predha, shkumësa dhe depozitat gëlqerore në oqean) shpërndahen; kjo kompenson humbjen e joneve hidrokarbonate:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (tv.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Karbonatet e ngurta shndërrohen në hidrokarbure të tretshme. Është ky proces i shpërbërjes kimike të dioksidit të karbonit të tepërt që kundërshton "efektin serë" - ngrohjen globale për shkak të përthithjes së rrezatimit termik të Tokës nga dioksidi i karbonit. Përafërsisht një e treta e prodhimit botëror të sodës (karbonat natriumi Na 2 CO 3) përdoret në prodhimin e qelqit.

Përmbajtja e artikullit

KARBON, C (karboneum), një element kimik jometalik i grupit IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) të Tabelës Periodike të Elementeve. Ndodh në natyrë në formën e kristaleve të diamantit (Fig. 1), grafitit ose fullerenit dhe forma të tjera dhe është pjesë e substancave organike (qymyrit, vajit, organizmave shtazorë dhe bimorë etj.) dhe inorganike (gëlqerore, sodë buke etj. .).

Karboni është i përhapur, por përmbajtja e tij në koren e tokës është vetëm 0.19%.

Karboni përdoret gjerësisht në formën e substancave të thjeshta. Përveç diamanteve të çmuara, të cilat janë objekt i bizhuterive, diamantet industriale kanë një rëndësi të madhe - për prodhimin e mjeteve bluarëse dhe prerëse.

Qymyri dhe forma të tjera amorfe të karbonit përdoren për çngjyrosje, pastrim, përthithje të gazeve, në fusha të teknologjisë ku kërkohen adsorbentë me sipërfaqe të zhvilluar. Karbitet, komponimet e karbonit me metale, si dhe me bor dhe silikon (për shembull, Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) karakterizohen nga fortësi e lartë dhe përdoren për të bërë vegla gërryese dhe prerëse. Karboni është i pranishëm në çeliqet dhe lidhjet në gjendje elementare dhe në formën e karbiteve. Ngopja e sipërfaqes së derdhjeve të çelikut me karbon në temperaturë të lartë (çimentimi) rrit ndjeshëm fortësinë e sipërfaqes dhe rezistencën ndaj konsumit. Shiko gjithashtu LIDHJET.

Ka shumë forma të ndryshme të grafitit në natyrë; disa janë marrë artificialisht; ka forma amorfe (p.sh. koks dhe qymyr). Bloza, qymyri i kockave, llamba e zezë, acetileni i zi formohen kur hidrokarburet digjen në mungesë të oksigjenit. E ashtuquajtura karboni i bardhë të marra nga sublimimi i grafitit pirolitik nën presion të reduktuar - këto janë kristalet më të vogla transparente të gjetheve të grafitit me skaje të theksuara.

Referencë historike.

Grafiti, diamanti dhe karboni amorf janë të njohur që nga lashtësia. Dihet prej kohësh se me grafit mund të shënohet edhe materiali tjetër, dhe vetë emri "grafit", i cili vjen nga fjala greke që do të thotë "të shkruash", u propozua nga A. Werner në 1789. Megjithatë, historia e grafitit është i hutuar, shpesh substancat me veti fizike të jashtme të ngjashme gaboheshin për të. , të tilla si molibdeniti (sulfidi i molibdenit), në një kohë të konsideruar grafit. Emra të tjerë për grafitin përfshijnë "plumb i zi", "karabit hekuri", "plumb argjendi". Në 1779, K. Scheele zbuloi se grafiti mund të oksidohet me ajër për të formuar dioksid karboni.

Për herë të parë, diamantet u përdorën në Indi, dhe në Brazil, gurët e çmuar fituan rëndësi tregtare në 1725; depozitat në Afrikën e Jugut u zbuluan në vitin 1867. Në shek. Prodhuesit kryesorë të diamanteve janë Afrika e Jugut, Zaire, Botsvana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tanzania dhe Rusia. Diamantet artificiale, teknologjia e të cilave u krijua në vitin 1970, prodhohen për qëllime industriale.

Alotropia.

Nëse njësitë strukturore të një substance (atomet për elementët monoatomikë ose molekulat për elementet dhe përbërjet poliatomike) janë në gjendje të kombinohen me njëra-tjetrën në më shumë se një formë kristalore, ky fenomen quhet alotropi. Karboni ka tre modifikime alotropike - diamant, grafit dhe fullerene. Në diamant, çdo atom karboni ka 4 fqinjë të vendosur në mënyrë katërkëndore, duke formuar një strukturë kubike (Fig. 1, A). Kjo strukturë korrespondon me kovalencën maksimale të lidhjes dhe të 4 elektronet e secilit atom karboni formojnë lidhje C–C me forcë të lartë, d.m.th. nuk ka elektrone përcjellëse në strukturë. Prandaj, diamanti dallohet nga mungesa e përçueshmërisë, përçueshmëria e ulët termike, fortësia e lartë; është substanca më e fortë e njohur (Fig. 2). Thyerja e lidhjes C–C (gjatësia e lidhjes 1,54 Å, rrjedhimisht rrezja kovalente 1,54/2 = 0,77 Å) në strukturën tetraedrale kërkon shumë energji, kështu që diamanti, së bashku me fortësinë e jashtëzakonshme, karakterizohet nga një pikë e lartë shkrirjeje (3550 °C).

Një formë tjetër alotropike e karbonit është grafiti, i cili është shumë i ndryshëm nga diamanti në veti. Grafiti është një substancë e zezë e butë e kristaleve lehtësisht eksfoluese, e karakterizuar nga përçueshmëri e mirë elektrike (rezistenca elektrike 0,0014 Ohm cm). Prandaj, grafiti përdoret në llambat me hark dhe furrat (Fig. 3), në të cilat është e nevojshme të krijohen temperatura të larta. Grafiti me pastërti të lartë përdoret në reaktorët bërthamorë si një moderator neutron. Pika e tij e shkrirjes në presion të ngritur është 3527 ° C. Në presion normal, grafiti sublimohet (transferohet nga një gjendje e ngurtë në një gaz) në 3780 ° C.

Struktura e grafitit (Fig. 1, b) është një sistem unazash gjashtëkëndore të shkrirë me një gjatësi lidhjeje prej 1,42 Å (dukshëm më e shkurtër se në diamant), por çdo atom karboni ka tre (në vend se katër, si në diamant) lidhje kovalente me tre fqinjë, dhe lidhjen e katërt ( 3,4 Å) është shumë e gjatë për një lidhje kovalente dhe lidh dobët shtresat paralele të grumbulluara të grafitit me njëra-tjetrën. Është elektroni i katërt i karbonit që përcakton përçueshmërinë termike dhe elektrike të grafitit - kjo lidhje më e gjatë dhe më pak e fortë formon grafitin më pak kompakt, gjë që reflektohet në ngurtësinë e tij më të ulët në krahasim me diamantin (dendësia e grafitit është 2.26 g / cm 3, diamanti - 3.51 g / cm 3). Për të njëjtën arsye, grafiti është i rrëshqitshëm në prekje dhe ndan lehtësisht thekon e substancës, e cila përdoret për të bërë lubrifikantë dhe plumba lapsash. Shkëlqimi i plumbit i plumbit është kryesisht për shkak të pranisë së grafitit.

Fijet e karbonit kanë forcë të lartë dhe mund të përdoren për të bërë fije prej fije artificiale ose fije të tjera me karbon të lartë.

Në presion dhe temperaturë të lartë, në prani të një katalizatori si hekuri, grafiti mund të shndërrohet në diamant. Ky proces është zbatuar për prodhimin industrial të diamanteve artificiale. Kristalet e diamantit rriten në sipërfaqen e katalizatorit. Ekuilibri grafit-diamant ekziston në 15,000 atm dhe 300 K ose në 4,000 atm dhe 1,500 K. Diamantet artificiale mund të merren edhe nga hidrokarburet.

Format amorfe të karbonit që nuk formojnë kristale përfshijnë qymyr druri i marrë nga ngrohja e një peme pa akses ajri, llamba dhe bloza e gazit të formuar gjatë djegies në temperaturë të ulët të hidrokarbureve me mungesë ajri dhe të kondensuar në një sipërfaqe të ftohtë, qymyr druri i kockave është një përzierje e fosfati i kalciumit në procesin e shkatërrimit të indeve të kockave, si dhe qymyri (substancë natyrale me papastërti) dhe koksi, një mbetje e thatë e marrë nga koksimi i lëndëve djegëse nga distilimi i thatë i mbetjeve të qymyrit ose vajit (thëngjij bituminoz), d.m.th. ngrohje pa ajër. Koksi përdoret për shkrirjen e hekurit, në metalurgjinë me ngjyra dhe me ngjyra. Gjatë koksimit formohen edhe produkte të gazta - gaz koks (H 2 , CH 4 , CO etj.) dhe produkte kimike që janë lëndë e parë për prodhimin e benzinës, bojrave, plehrave, ilaçeve, plastikës etj. Skema e aparatit kryesor për prodhimin e koksit - një furrë koksi - është paraqitur në fig. 3.

Llojet e ndryshme të qymyrit dhe blozës karakterizohen nga një sipërfaqe e zhvilluar dhe për këtë arsye përdoren si adsorbentë për pastrimin e gazit dhe lëngjeve, si dhe si katalizatorë. Për të marrë forma të ndryshme të karbonit, përdoren metoda të veçanta të teknologjisë kimike. Grafiti artificial përftohet nga kalcinimi i antracitit ose koksit të naftës ndërmjet elektrodave të karbonit në 2260°C (procesi Acheson) dhe përdoret në prodhimin e lubrifikantëve dhe elektrodave, veçanërisht për prodhimin elektrolitik të metaleve.

Struktura e atomit të karbonit.

Bërthama e izotopit më të qëndrueshëm të karbonit me masë 12 (98,9% bollëk) ka 6 protone dhe 6 neutrone (12 nukleone) të rregulluar në tre kuartete, secila përmban 2 protone dhe dy neutrone, të ngjashme me një bërthamë heliumi. Një tjetër izotop i qëndrueshëm i karbonit është 13 C (rreth 1.1%), dhe një izotop i paqëndrueshëm 14 C ekziston në natyrë në sasi të vogla me një gjysmë jetëgjatësi prej 5730 vjetësh, i cili ka b- rrezatimi. Të tre izotopet në formën e CO 2 marrin pjesë në ciklin normal të karbonit të lëndës së gjallë. Pas vdekjes së një organizmi të gjallë, konsumi i karbonit ndalet dhe objektet që përmbajnë C mund të datohen duke matur nivelin e radioaktivitetit 14 C. Ulje b-rrezatimi i 14 CO 2 është proporcional me kohën e kaluar që nga vdekja. Në vitin 1960, W. Libby u nderua me çmimin Nobel për kërkime mbi karbonin radioaktiv.

Në gjendjen bazë, 6 elektrone të karbonit formojnë një konfigurim elektronik prej 1 s 2 2s 2 2px 1 2py 1 2pz 0 . Katër elektrone të nivelit të dytë janë valencë, që korrespondon me pozicionin e karbonit në grupin IVA të sistemit periodik ( cm. TABELA PERIODIKE E ELEMENTEVE). Meqenëse shkëputja e një elektroni nga një atom në fazën e gazit kërkon një energji të madhe (rreth 1070 kJ / mol), karboni nuk krijon lidhje jonike me elementë të tjerë, pasi kjo do të kërkonte shkëputjen e një elektroni me formimin e një pozitive. jon. Me një elektronegativitet prej 2.5, karboni nuk tregon një afinitet të fortë elektroni, dhe për këtë arsye nuk është një pranues aktiv i elektroneve. Prandaj, nuk është e prirur të formohet një grimcë me një ngarkesë negative. Por me një natyrë pjesërisht jonike të lidhjes, ekzistojnë disa komponime karboni, për shembull, karbide. Në përbërje, karboni shfaq një gjendje oksidimi prej 4. Në mënyrë që katër elektrone të jenë në gjendje të marrin pjesë në formimin e lidhjeve, është i nevojshëm prishja e 2. s-elektronet dhe kërcimi i njërit prej këtyre elektroneve me 2 pz-orbitale; në këtë rast formohen 4 lidhje tetraedrale me kënd ndërmjet tyre 109°. Në komponimet, elektronet e valencës së karbonit tërhiqen vetëm pjesërisht prej tij, kështu që karboni formon lidhje të forta kovalente midis atomeve fqinje të tipit C–C duke përdorur një çift elektronik të përbashkët. Energjia e këputjes së një lidhjeje të tillë është 335 kJ/mol, ndërsa për lidhjen Si–Si është vetëm 210 kJ/mol; prandaj, zinxhirët e gjatë –Si–Si– janë të paqëndrueshëm. Natyra kovalente e lidhjes ruhet edhe në përbërjet e halogjenëve shumë reaktivë me karbon, CF 4 dhe CCl 4 . Atomet e karbonit janë në gjendje të sigurojnë më shumë se një elektron nga çdo atom karboni për formimin e lidhjes; kështu formohen lidhje të dyfishta C=C dhe të trefishta CºC. Elementë të tjerë gjithashtu formojnë lidhje midis atomeve të tyre, por vetëm karboni është në gjendje të formojë zinxhirë të gjatë. Prandaj, mijëra komponime janë të njohura për karbonin, të quajtur hidrokarbure, në të cilat karboni është i lidhur me hidrogjenin dhe atomet e tjera të karbonit, duke formuar zinxhirë të gjatë ose struktura unazore. Cm. KIMI ORGANIKE.

Në këto komponime, është e mundur të zëvendësohet hidrogjeni me atome të tjera, më së shpeshti me oksigjen, azot dhe halogjene, me formimin e shumë përbërjeve organike. Një vend të rëndësishëm mes tyre zënë fluorokarburet, hidrokarburet në të cilat hidrogjeni zëvendësohet nga fluori. Komponime të tilla janë jashtëzakonisht inerte dhe përdoren si plastikë dhe lubrifikantë (fluorokarbure, d.m.th. hidrokarbure në të cilat të gjitha atomet e hidrogjenit zëvendësohen nga atomet e fluorit) dhe si ftohës me temperaturë të ulët (freone, ose freone, - fluoroklorohidrokarbure).

Në vitet 1980, fizikanët amerikanë zbuluan komponime shumë interesante të karbonit në të cilat atomet e karbonit janë të lidhur në 5 ose 6-gone, duke formuar një molekulë C 60 në formën e një topi të zbrazët me simetri të përsosur të topit të futbollit. Meqenëse një dizajn i tillë qëndron në themel të "kupolës gjeodezike" të shpikur nga arkitekti dhe inxhinieri amerikan Buckminster Fuller, klasa e re e komponimeve u quajt "buckminsterfullerenes" ose "fullerenes" (dhe gjithashtu, më shkurt, "fasiballs" ose "buckyballs"). Fullerenet - modifikimi i tretë i karbonit të pastër (përveç diamantit dhe grafitit), i përbërë nga 60 ose 70 (dhe edhe më shumë) atome - u mor nga veprimi i rrezatimit lazer në grimcat më të vogla të karbonit. Fullerenet e një forme më komplekse përbëhen nga disa qindra atome karboni. Diametri i molekulës C 60 është ~ 1 nm. Ka hapësirë të mjaftueshme në qendër të një molekule të tillë për të akomoduar një atom të madh uraniumi.

masë standarde atomike.

Në vitin 1961, Unionet Ndërkombëtare të Kimisë së Pastër dhe të Aplikuar (IUPAC) dhe në fizikë miratuan masën e izotopit të karbonit 12 C si njësi të masës atomike, duke hequr shkallën e oksigjenit të masave atomike që ekzistonte më parë. Masa atomike e karbonit në këtë sistem është 12.011, pasi është mesatarja për tre izotopet natyrore të karbonit, duke marrë parasysh bollëkun e tyre në natyrë. Cm. MASA ATOMIKE.

Vetitë kimike të karbonit dhe disa prej përbërjeve të tij.

Disa veti fizike dhe kimike të karbonit jepen në artikullin ELEMENTET KIMIKE. Reaktiviteti i karbonit varet nga modifikimi, temperatura dhe shpërndarja e tij. Në temperatura të ulëta, të gjitha format e karbonit janë mjaft inerte, por kur nxehen, ato oksidohen nga oksigjeni atmosferik, duke formuar okside:

Karboni i shpërndarë imët me tepricë të oksigjenit është i aftë të shpërthejë kur nxehet ose nga një shkëndijë. Përveç oksidimit të drejtpërdrejtë, ekzistojnë metoda më moderne për marrjen e oksideve.

nënoksid karboni

C 3 O 2 formohet gjatë dehidrimit të acidit malonik mbi P 4 O 10:

C 3 O 2 ka një erë të pakëndshme, hidrolizohet lehtësisht, duke riformuar acid malonik.

Monoksidi i karbonit (II) CO formohet gjatë oksidimit të çdo modifikimi të karbonit në mungesë të oksigjenit. Reaksioni është ekzotermik, lirohet 111,6 kJ/mol. Koksi në nxehtësinë e bardhë reagon me ujin: C + H 2 O = CO + H 2; përzierja e gazit që rezulton quhet "gaz uji" dhe është lëndë djegëse e gaztë. CO formohet gjithashtu gjatë djegies jo të plotë të produkteve të naftës, gjendet në sasi të konsiderueshme në shkarkimet e automjeteve dhe përftohet nga shpërbërja termike e acidit formik:

Gjendja e oksidimit të karbonit në CO është +2, dhe meqenëse karboni është më i qëndrueshëm në gjendjen e oksidimit +4, CO oksidohet lehtësisht nga oksigjeni në CO 2: CO + O 2 → CO 2, ky reagim është shumë ekzotermik (283 kJ / mol). CO përdoret në industri në një përzierje me H 2 dhe gazra të tjerë të djegshëm si lëndë djegëse ose agjent reduktues të gaztë. Kur nxehet në 500 ° C, CO formon C dhe CO 2 në një masë të dukshme, por në 1000 ° C, ekuilibri vendoset në përqendrime të ulëta të CO 2. CO reagon me klorin, duke formuar fosgjen - COCl 2, reaksionet me halogjenë të tjerë vazhdojnë në mënyrë të ngjashme, në reaksionin me squfur, fitohet sulfid karbonil COS, me metale (M) CO formon karbonile të përbërjeve të ndryshme M (CO) x, të cilat janë komponime komplekse. Karbonili i hekurit formohet nga ndërveprimi i hemoglobinës së gjakut me CO, duke parandaluar reagimin e hemoglobinës me oksigjenin, pasi karbonili i hekurit është një përbërës më i fortë. Si rezultat, bllokohet funksioni i hemoglobinës si bartës i oksigjenit në qeliza, të cilat në këtë rast vdesin (dhe para së gjithash preken qelizat e trurit). (Prandaj një emër tjetër për CO - "monoksid karboni"). Tashmë 1% (vol.) CO në ajër është i rrezikshëm për një person nëse ndodhet në një atmosferë të tillë për më shumë se 10 minuta. Disa veti fizike të CO janë dhënë në tabelë.

Dioksidi i karbonit, ose monoksidi i karbonit (IV) CO 2 formohet gjatë djegies së karbonit elementar në oksigjen të tepërt me çlirimin e nxehtësisë (395 kJ/mol). CO 2 (emri i parëndësishëm është "dioksid karboni") formohet gjithashtu gjatë oksidimit të plotë të CO, produkteve të naftës, benzinës, vajrave dhe përbërjeve të tjera organike. Kur karbonatet treten në ujë, CO 2 gjithashtu lirohet si rezultat i hidrolizës:

Ky reagim shpesh përdoret në praktikën laboratorike për të marrë CO 2 . Ky gaz mund të merret edhe duke kalcinuar bikarbonatet metalike:

në bashkëveprimin e fazës së gazit të avullit të mbinxehur me CO:

kur digjen hidrokarburet dhe derivatet e tyre të oksigjenit, për shembull:

Në mënyrë të ngjashme, produktet ushqimore oksidohen në një organizëm të gjallë me çlirimin e energjisë termike dhe të llojeve të tjera të energjisë. Në këtë rast, oksidimi vazhdon në kushte të buta përmes fazave të ndërmjetme, por produktet përfundimtare janë të njëjta - CO 2 dhe H 2 O, si, për shembull, gjatë dekompozimit të sheqernave nën veprimin e enzimave, veçanërisht gjatë fermentimit. e glukozës:

Prodhimi me tonazh të madh të dioksidit të karbonit dhe oksideve të metaleve kryhet në industri nga dekompozimi termik i karbonateve:

Struktura elektronike e oksideve të karbonit.

Struktura elektronike e çdo monoksidi të karbonit mund të përshkruhet nga tre skema ekuiprobabile me rregullime të ndryshme të çifteve elektronike - tre forma rezonante:

Të gjitha oksidet e karbonit kanë një strukturë lineare.

Acidi karbonik.

Kur CO 2 ndërvepron me ujin, formohet acidi karbonik H 2 CO 3. Në një tretësirë të ngopur të CO 2 (0,034 mol/l), vetëm një pjesë e molekulave formojnë H 2 CO 3, dhe shumica e CO 2 është në gjendje të hidratuar të CO 2 CHH 2 O.

Karbonatet.

Karbonatet formohen nga bashkëveprimi i oksideve të metaleve me CO 2, për shembull, Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

Me përjashtim të karbonateve të metaleve alkali, pjesa tjetër është praktikisht e patretshme në ujë, dhe karbonati i kalciumit është pjesërisht i tretshëm në acid karbonik ose zgjidhje CO 2 në ujë nën presion:

Këto procese zhvillohen në ujërat nëntokësore që rrjedhin përmes shtresës gëlqerore. Në kushtet e presionit të ulët dhe avullimit, CaCO 3 precipiton nga ujërat nëntokësore që përmbajnë Ca(HCO 3) 2 . Kështu rriten stalaktitet dhe stalagmitet në shpella. Ngjyra e këtyre formacioneve gjeologjike interesante shpjegohet me praninë e papastërtive të joneve të hekurit, bakrit, manganit dhe kromit në ujëra. Dioksidi i karbonit reagon me hidroksidet e metaleve dhe zgjidhjet e tyre për të formuar hidrokarbonate, për shembull:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

Tetrakloruri CCl 4 është një substancë jo e ndezshme, e përdorur si tretës në proceset e pastrimit kimik, por nuk rekomandohet përdorimi i tij si retardant i flakës, pasi në temperaturë të lartë formon fosgjen toksik (substancë helmuese e gaztë). Vetë CCl 4 është gjithashtu helmues dhe, nëse thithet në sasi të konsiderueshme, mund të shkaktojë helmim të mëlçisë. CCl 4 formohet gjithashtu nga një reaksion fotokimik midis metanit CH 4 dhe Cl 2; në këtë rast, është i mundur formimi i produkteve të klorinimit jo të plotë të metanit - CHCl 3 , CH 2 Cl 2 dhe CH 3 Cl. Reaksionet zhvillohen në mënyrë të ngjashme me halogjenët e tjerë.

reaksionet e grafitit.

Grafiti si një modifikim i karbonit, i karakterizuar nga distanca të mëdha midis shtresave të unazave gjashtëkëndore, hyn në reaksione të pazakonta, për shembull, metalet alkaline, halogjenet dhe disa kripëra (FeCl 3) depërtojnë midis shtresave, duke formuar komponime të KC 8, KC. 16 lloji (i quajtur intersticial, përfshirje ose clathrates). Agjentët e fortë oksidues si KClO 3 në një mjedis acid (acidi sulfurik ose nitrik) formojnë substanca me një vëllim të madh rrjete kristalore (deri në 6 Å midis shtresave), që shpjegohet me futjen e atomeve të oksigjenit dhe formimin e komponimeve, në sipërfaqja e së cilës, si rezultat i oksidimit, ka grupe karboksile (–COOH ) - komponime si grafiti i oksiduar ose acidi melitik (benzenheksakarboksilik) C 6 (COOH) 6. Në këto komponime, raporti C:O mund të ndryshojë nga 6:1 në 6:2.5.

Karbitet.

Karboni formon me metale, bor dhe silikon komponime të ndryshme të quajtura karbide. Metalet më aktive (nëngrupet IA–IIIA) formojnë karbide të ngjashme me kripën, për shembull, Na 2 C 2 , CaC 2 , Mg 4 C 3 , Al 4 C 3 . Në industri, karbidi i kalciumit përftohet nga koksi dhe guri gëlqeror nga reaksionet e mëposhtme:

Karbitet janë jopërçues, pothuajse të pangjyrë, hidrolizohen për të formuar hidrokarbure, për shembull

CaC 2 + 2H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2

Acetileni C 2 H 2 i formuar nga reaksioni shërben si lëndë ushqyese në prodhimin e shumë substancave organike. Ky proces është interesant sepse paraqet kalimin nga lëndët e para me natyrë inorganike në sintezën e përbërjeve organike. Karbitet që formojnë acetilen gjatë hidrolizës quhen acetilide. Në karbitet e silikonit dhe borit (SiC dhe B 4 C), lidhja midis atomeve është kovalente. Metalet kalimtare (elementet e nëngrupit B) kur nxehen me karbon formojnë gjithashtu karbide me përbërje të ndryshueshme në çarje në sipërfaqen e metalit; lidhja në to është e afërt me metalin. Disa karbide të këtij lloji, si WC, W 2 C, TiC dhe SiC, karakterizohen nga fortësi dhe refraktaritet i lartë dhe kanë përçueshmëri të mirë elektrike. Për shembull, NbC, TaC dhe HfC janë substancat më zjarrduruese (mp = 4000–4200 ° C), karbidi diniobium Nb 2 C është një superpërçues në 9,18 K, TiC dhe W 2 C janë afër fortësisë me diamantin dhe fortësia B 4 C (analog strukturor i diamantit) është 9.5 në shkallën Mohs ( cm. oriz. 2). Karbitet inerte formohen nëse rrezja e metalit kalimtar

Derivatet e azotit të karbonit.

Ky grup përfshin ure NH 2 CONH 2 - një pleh azoti i përdorur në formën e një tretësire. Ureja merret nga NH 3 dhe CO 2 kur nxehet nën presion:

Cianogjeni (CN) 2 është i ngjashëm në shumë veti me halogjenët dhe shpesh quhet pseudohalogjen. Cianidi përftohet nga oksidimi i butë i jonit të cianidit me oksigjen, peroksid hidrogjeni ose jon Cu 2+: 2CN - ® (CN) 2 + 2e.

Joni i cianidit, duke qenë një dhurues i elektroneve, formon lehtësisht komponime komplekse me jonet e metaleve në tranzicion. Ashtu si CO, joni i cianidit është një helm që lidh përbërjet vitale të hekurit në një organizëm të gjallë. Jonet komplekse cianide kanë formulën e përgjithshme -0.5 x, Ku Xështë numri i koordinimit të metalit (agjent kompleks), empirikisht i barabartë me dyfishin e vlerës së gjendjes së oksidimit të jonit metalik. Shembuj të joneve të tilla komplekse janë (struktura e disa joneve është dhënë më poshtë) tetraciano-nikelat (II) -jon 2–, heksacianoferrat (III) 3–, dicianoargentate –:

Karbonilet.

Monoksidi i karbonit është në gjendje të reagojë drejtpërdrejt me shumë metale ose jone metalikë, duke formuar komponime komplekse të quajtura karbonile, të tilla si Ni(CO) 4, Fe(CO) 5, Fe 2 (CO) 9, 3, Mo(CO) 6, 2 . Lidhja në këto komponime është e ngjashme me lidhjen në komplekset ciano të përshkruara më sipër. Ni (CO) 4 është një substancë e paqëndrueshme që përdoret për të ndarë nikelin nga metalet e tjera. Përkeqësimi i strukturës së gize dhe çelikut në struktura shoqërohet shpesh me formimin e karbonileve. Hidrogjeni mund të jetë pjesë e karbonileve, duke formuar hidride karbonil, të tilla si H 2 Fe (CO) 4 dhe HCo (CO) 4, të cilat shfaqin veti acidike dhe reagojnë me alkalin:

H 2 Fe(CO) 4 + NaOH → NaHFe(CO) 4 + H 2 O

Njihen gjithashtu halidet karbonil, për shembull Fe (CO) X 2, Fe (CO) 2 X 2, Co (CO) I 2, Pt (CO) Cl 2, ku X është çdo halogjen.

Hidrokarburet.

Njihet një numër i madh i komponimeve të karbonit me hidrogjen

KARBON
ME (karboneum), një element kimik jometalik i nëngrupit IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) të Tabelës Periodike të Elementeve. Ndodh në natyrë në formën e kristaleve të diamantit (Fig. 1), grafitit ose fullerenit dhe forma të tjera dhe është pjesë e substancave organike (qymyrit, vajit, organizmave shtazorë dhe bimorë etj.) dhe inorganike (gëlqerore, sodë buke etj. .). Karboni është i përhapur, por përmbajtja e tij në koren e tokës është vetëm 0,19% (shih gjithashtu DIAMOND; FULLERENES).

Karboni përdoret gjerësisht në formën e substancave të thjeshta. Përveç diamanteve të çmuara, të cilat janë objekt i bizhuterive, diamantet industriale kanë një rëndësi të madhe - për prodhimin e mjeteve bluarëse dhe prerëse. Qymyri dhe forma të tjera amorfe të karbonit përdoren për çngjyrosje, pastrim, përthithje të gazeve, në fusha të teknologjisë ku kërkohen adsorbentë me sipërfaqe të zhvilluar. Karbitet, komponimet e karbonit me metale, si dhe me bor dhe silikon (për shembull, Al4C3, SiC, B4C) karakterizohen nga fortësi e lartë dhe përdoren për të bërë vegla gërryese dhe prerëse. Karboni është i pranishëm në çeliqet dhe lidhjet në gjendje elementare dhe në formën e karbiteve. Ngopja e sipërfaqes së derdhjeve të çelikut me karbon në temperaturë të lartë (çimentimi) rrit ndjeshëm fortësinë e sipërfaqes dhe rezistencën ndaj konsumit.
Shihni gjithashtu aliazhet. Ka shumë forma të ndryshme të grafitit në natyrë; disa janë marrë artificialisht; ka forma amorfe (p.sh. koks dhe qymyr). Bloza, qymyri i kockave, llamba e zezë, acetileni i zi formohen kur hidrokarburet digjen në mungesë të oksigjenit. I ashtuquajturi karboni i bardhë përftohet nga sublimimi i grafitit pirolitik nën presion të reduktuar - këto janë kristalet më të vogla transparente të gjetheve të grafitit me skaje të theksuara.
Referencë historike. Grafiti, diamanti dhe karboni amorf janë të njohur që nga lashtësia. Dihet prej kohësh se me grafit mund të shënohet edhe materiali tjetër, dhe vetë emri "grafit", i cili vjen nga fjala greke që do të thotë "të shkruash", u propozua nga A. Werner në 1789. Megjithatë, historia e grafitit është i hutuar, shpesh substancat me veti fizike të jashtme të ngjashme gaboheshin për të. , të tilla si molibdeniti (sulfidi i molibdenit), në një kohë të konsideruar grafit. Ndër emrat e tjerë të grafitit janë të njohur "plumbi i zi", "karabit hekuri", "plumb argjendi". Në 1779, K. Scheele zbuloi se grafiti mund të oksidohet me ajër për të formuar dioksid karboni. Për herë të parë, diamantet u përdorën në Indi, dhe në Brazil, gurët e çmuar fituan rëndësi tregtare në 1725; depozitat në Afrikën e Jugut u zbuluan në vitin 1867. Në shek. Prodhuesit kryesorë të diamanteve janë Afrika e Jugut, Zaire, Botsvana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tanzania dhe Rusia. Diamantet artificiale, teknologjia e të cilave u krijua në vitin 1970, prodhohen për qëllime industriale.
Alotropia. Nëse njësitë strukturore të një substance (atomet për elementët monoatomikë ose molekulat për elementet dhe përbërjet poliatomike) janë në gjendje të kombinohen me njëra-tjetrën në më shumë se një formë kristalore, ky fenomen quhet alotropi. Karboni ka tre modifikime alotropike - diamant, grafit dhe fullerene. Në diamant, çdo atom karboni ka katër fqinjë të rregulluar në mënyrë katërkëndore, duke formuar një strukturë kubike (Fig. 1a). Një strukturë e tillë korrespondon me kovalencën maksimale të lidhjes dhe të 4 elektronet e secilit atom karboni formojnë lidhje C-C me forcë të lartë, d.m.th. nuk ka elektrone përcjellëse në strukturë. Prandaj, diamanti dallohet nga mungesa e përçueshmërisë, përçueshmëria e ulët termike, fortësia e lartë; është substanca më e fortë e njohur (Fig. 2). Thyerja e lidhjes C-C (gjatësia e lidhjes 1,54, pra rrezja kovalente 1,54/2 = 0,77) në strukturën tetraedrale kërkon shumë energji, kështu që diamanti, së bashku me fortësinë e jashtëzakonshme, karakterizohet nga një pikë e lartë shkrirjeje (3550 ° C ).

Një formë tjetër alotropike e karbonit është grafiti, i cili është shumë i ndryshëm nga diamanti në veti. Grafiti është një substancë e zezë e butë e bërë nga kristale lehtësisht eksfoluese, e karakterizuar nga përçueshmëri e mirë elektrike (rezistenca elektrike 0,0014 Ohm * cm). Prandaj, grafiti përdoret në llambat me hark dhe furrat (Fig. 3), në të cilat është e nevojshme të krijohen temperatura të larta. Grafiti me pastërti të lartë përdoret në reaktorët bërthamorë si një moderator neutron. Pika e tij e shkrirjes në presion të ngritur është 3527 ° C. Në presion normal, grafiti sublimohet (transferohet nga një gjendje e ngurtë në një gaz) në 3780 ° C.

Struktura e grafitit (Fig. 1b) është një sistem unazash gjashtëkëndore të kondensuar me një gjatësi lidhjeje 1,42 (shumë më e shkurtër se në diamant), por çdo atom karboni ka tre (jo katër, si në diamantin) lidhje kovalente me tre fqinjë, dhe lidhja e katërt (3,4) është shumë e gjatë për një lidhje kovalente dhe lidh dobët shtresat paralele të grumbulluara të grafitit me njëra-tjetrën. Është elektroni i katërt i karbonit që përcakton përçueshmërinë termike dhe elektrike të grafitit - kjo lidhje më e gjatë dhe më pak e fortë formon më pak kompaktësi të grafitit, gjë që reflektohet në ngurtësinë e tij më të ulët në krahasim me diamantin (dendësia e grafitit është 2.26 g / cm3, diamanti - 3,51 g / cm3). Për të njëjtën arsye, grafiti është i rrëshqitshëm në prekje dhe ndan lehtësisht thekon e substancës, e cila përdoret për të bërë lubrifikantë dhe plumba lapsash. Shkëlqimi i plumbit i plumbit është kryesisht për shkak të pranisë së grafitit. Fijet e karbonit kanë forcë të lartë dhe mund të përdoren për të bërë fije prej fije artificiale ose fije të tjera me karbon të lartë. Në presion dhe temperaturë të lartë, në prani të një katalizatori si hekuri, grafiti mund të shndërrohet në diamant. Ky proces është zbatuar për prodhimin industrial të diamanteve artificiale. Kristalet e diamantit rriten në sipërfaqen e katalizatorit. Ekuilibri grafit-diamant ekziston në 15,000 atm dhe 300 K ose në 4,000 atm dhe 1,500 K. Diamantet artificiale mund të merren edhe nga hidrokarburet. Format amorfe të karbonit që nuk formojnë kristale përfshijnë qymyr druri i marrë nga ngrohja e një peme pa akses në ajër, llambë dhe blozë gazi të formuar gjatë djegies në temperaturë të ulët të hidrokarbureve me mungesë ajri dhe të kondensuar në një sipërfaqe të ftohtë, qymyr druri i kockave është një përzierje tek fosfati i kalciumit në procesin e shkatërrimit të indeve të kockave, si dhe qymyri (substancë natyrale me papastërti) dhe koksi, një mbetje e thatë e përftuar nga koksimi i lëndëve djegëse nga distilimi i thatë i qymyrit ose mbetjeve të naftës (thëngjij bituminoz), d.m.th. ngrohje pa ajër. Koksi përdoret për shkrirjen e hekurit, në metalurgjinë me ngjyra dhe me ngjyra. Gjatë koksimit formohen edhe produkte të gazta - gazi i furrës së koksit (H2, CH4, CO etj.) dhe produkte kimike që janë lëndë e parë për prodhimin e benzinës, bojrave, plehrave, ilaçeve, plastikës etj. Skema e aparatit kryesor për prodhimin e koksit - një furrë koksi - është paraqitur në fig. 3. Llojet e ndryshme të qymyrit dhe blozës karakterizohen nga një sipërfaqe e zhvilluar dhe për këtë arsye përdoren si absorbues për pastrimin e gazit, lëngjeve dhe gjithashtu si katalizatorë. Për të marrë forma të ndryshme të karbonit, përdoren metoda të veçanta të teknologjisë kimike. Grafiti artificial përftohet nga kalcinimi i antracitit ose koksit të naftës ndërmjet elektrodave të karbonit në 2260°C (procesi Acheson) dhe përdoret në prodhimin e lubrifikantëve dhe elektrodave, veçanërisht për prodhimin elektrolitik të metaleve.
Struktura e atomit të karbonit. Bërthama e izotopit më të qëndrueshëm të karbonit me masë 12 (98,9% bollëk) ka 6 protone dhe 6 neutrone (12 nukleone) të rregulluar në tre kuartete, secila përmban 2 protone dhe dy neutrone, të ngjashme me një bërthamë heliumi. Një tjetër izotop i qëndrueshëm i karbonit është 13C (afërsisht 1.1%), dhe në sasi të vogla ekziston një izotop i paqëndrueshëm 14C në natyrë me gjysmë jetëgjatësi 5730 vjet, i cili ka rrezatim b. Të tre izotopet në formën e CO2 marrin pjesë në ciklin normal të karbonit të lëndës së gjallë. Pas vdekjes së një organizmi të gjallë, konsumi i karbonit ndalet dhe është e mundur të datohen objektet që përmbajnë C duke matur nivelin e radioaktivitetit 14C. Ulja e rrezatimit b 14CO2 është proporcionale me kohën e kaluar që nga vdekja. Në vitin 1960, W. Libby u nderua me çmimin Nobel për kërkime mbi karbonin radioaktiv.
Shih gjithashtu RADIOAKTIVITETI DATIM. Në gjendjen bazë, 6 elektrone karboni formojnë konfigurimin elektronik 1s22s22px12py12pz0. Katër elektrone të nivelit të dytë janë valencë, që korrespondon me pozicionin e karbonit në grupin IVA të sistemit periodik (shiko TABELA PERIODIKE E ELEMENTEVE). Meqenëse shkëputja e një elektroni nga një atom në fazën e gazit kërkon një energji të madhe (rreth 1070 kJ / mol), karboni nuk krijon lidhje jonike me elementë të tjerë, pasi kjo do të kërkonte shkëputjen e një elektroni me formimin e një pozitive. jon. Me një elektronegativitet prej 2.5, karboni nuk tregon një afinitet të fortë elektroni, dhe për këtë arsye nuk është një pranues aktiv i elektroneve. Prandaj, nuk është e prirur të formohet një grimcë me një ngarkesë negative. Por me një natyrë pjesërisht jonike të lidhjes, ekzistojnë disa komponime karboni, për shembull, karbide. Në komponimet, karboni shfaq një gjendje oksidimi prej 4. Në mënyrë që katër elektrone të mund të marrin pjesë në formimin e lidhjeve, është e nevojshme të prishen elektronet 2s dhe të hidhet një nga këto elektrone në orbitalën 2pz; në këtë rast formohen 4 lidhje tetraedrale me kënd ndërmjet tyre 109°. Në komponimet, elektronet e valencës së karbonit tërhiqen vetëm pjesërisht prej tij, kështu që karboni formon lidhje të forta kovalente midis atomeve fqinje të tipit C-C duke përdorur një çift elektronik të përbashkët. Energjia e thyerjes së një lidhjeje të tillë është 335 kJ/mol, ndërsa për lidhjen Si-Si është vetëm 210 kJ/mol, kështu që zinxhirët e gjatë -Si-Si- janë të paqëndrueshëm. Natyra kovalente e lidhjes ruhet edhe në përbërjet e halogjenëve shumë reaktivë me karbon, CF4 dhe CCl4. Atomet e karbonit janë në gjendje të sigurojnë më shumë se një elektron nga çdo atom karboni për formimin e lidhjes; kështu formohen lidhje të dyfishta C=C dhe të trefishta CºC. Elementë të tjerë gjithashtu formojnë lidhje midis atomeve të tyre, por vetëm karboni është në gjendje të formojë zinxhirë të gjatë. Prandaj, mijëra komponime janë të njohura për karbonin, të quajtur hidrokarbure, në të cilat karboni është i lidhur me hidrogjenin dhe atomet e tjera të karbonit, duke formuar zinxhirë të gjatë ose struktura unazore.
Shih KIMIA ORGANIKE. Në këto komponime, është e mundur të zëvendësohet hidrogjeni me atome të tjera, më së shpeshti me oksigjen, azot dhe halogjene, me formimin e shumë përbërjeve organike. Me rëndësi të madhe midis tyre janë fluorokarburet - hidrokarburet në të cilat hidrogjeni zëvendësohet nga fluori. Komponime të tilla janë jashtëzakonisht inerte dhe përdoren si plastikë dhe lubrifikantë (fluorokarbure, d.m.th. hidrokarbure në të cilat të gjitha atomet e hidrogjenit zëvendësohen nga atomet e fluorit) dhe si ftohës me temperaturë të ulët (freone, ose freone, - fluoroklorohidrokarbure). Në vitet 1980, fizikanët amerikanë zbuluan komponime shumë interesante të karbonit në të cilat atomet e karbonit janë të lidhur në 5 ose 6-gone, duke formuar një molekulë C60 në formën e një topi të zbrazët me simetri të përsosur të topit të futbollit. Meqenëse një ndërtim i tillë qëndron në themel të "kupolës gjeodezike" të shpikur nga arkitekti dhe inxhinieri amerikan Buckminster Fuller, klasa e re e përbërjeve u quajt "buckminsterfullerenes" ose "fullerenes" (dhe gjithashtu, më shkurt, "fasiballs" ose "buckyballs"). Fullerenet - modifikimi i tretë i karbonit të pastër (përveç diamantit dhe grafitit), i përbërë nga 60 ose 70 (dhe edhe më shumë) atome - u mor nga veprimi i rrezatimit lazer në grimcat më të vogla të karbonit. Fullerenet e një forme më komplekse përbëhen nga disa qindra atome karboni. Diametri i molekulës C60 CARBON është 1 nm. Ka hapësirë të mjaftueshme në qendër të një molekule të tillë për të akomoduar një atom të madh uraniumi.
Shihni gjithashtu FULLERENES.
masë standarde atomike. Në vitin 1961, Unionet Ndërkombëtare të Kimisë së Pastër dhe të Aplikuar (IUPAC) dhe në fizikë miratuan masën e izotopit të karbonit 12C si njësi të masës atomike, duke hequr shkallën e oksigjenit të masave atomike që ekzistonte më parë. Masa atomike e karbonit në këtë sistem është 12.011, pasi është mesatarja për tre izotopet natyrore të karbonit, duke marrë parasysh bollëkun e tyre në natyrë.
Shih MASA ATOMIKE. Vetitë kimike të karbonit dhe disa prej përbërjeve të tij. Disa veti fizike dhe kimike të karbonit jepen në artikullin ELEMENTET KIMIKE. Reaktiviteti i karbonit varet nga modifikimi, temperatura dhe shpërndarja e tij. Në temperatura të ulëta, të gjitha format e karbonit janë mjaft inerte, por kur nxehen, ato oksidohen nga oksigjeni atmosferik, duke formuar okside:

C3O2 ka një erë të pakëndshme, hidrolizohet lehtësisht, duke riformuar acid malonik.
Monoksidi i karbonit (II) CO formohet gjatë oksidimit të çdo modifikimi të karbonit në kushtet e mungesës së oksigjenit. Reaksioni është ekzotermik, lirohet 111,6 kJ/mol. Koksi në nxehtësinë e bardhë reagon me ujin: C + H2O = CO + H2; përzierja e gazit që rezulton quhet "gaz uji" dhe është lëndë djegëse e gaztë. CO formohet gjithashtu gjatë djegies jo të plotë të produkteve të naftës, gjendet në sasi të konsiderueshme në shkarkimet e automjeteve dhe përftohet nga shpërbërja termike e acidit formik:

Gjendja e oksidimit të karbonit në CO është +2, dhe meqenëse karboni është më i qëndrueshëm në gjendjen e oksidimit +4, CO oksidohet lehtësisht nga oksigjeni në CO2: CO + O2 (r) CO2, ky reagim është shumë ekzotermik (283 kJ/ mol). CO përdoret në industri në përzierjet me H2 dhe gazra të tjerë të djegshëm si lëndë djegëse ose agjent reduktues të gaztë. Kur nxehet në 500 ° C, CO formon C dhe CO2 në një masë të dukshme, por në 1000 ° C, ekuilibri vendoset në përqendrime të ulëta të CO2. CO reagon me klorin, duke formuar fosgjen - COCl2, reaksionet me halogjenët e tjerë zhvillohen në mënyrë të ngjashme, në reaksionin me squfurin fitohet sulfur karbonil COS, me metalet (M) CO formon karbonile me përbërje të ndryshme M (CO) x, të cilat janë përbërje komplekse. . Karbonili i hekurit formohet nga ndërveprimi i hemoglobinës së gjakut me CO, duke parandaluar reagimin e hemoglobinës me oksigjenin, pasi karbonili i hekurit është një përbërës më i fortë. Si rezultat, bllokohet funksioni i hemoglobinës si bartës i oksigjenit në qeliza, të cilat në këtë rast vdesin (dhe para së gjithash preken qelizat e trurit). (Prandaj një emër tjetër për CO - "monoksid karboni"). Tashmë 1% (vol.) CO në ajër është i rrezikshëm për një person nëse ndodhet në një atmosferë të tillë për më shumë se 10 minuta. Disa veti fizike të CO janë dhënë në tabelë. Dioksidi i karbonit, ose monoksidi i karbonit (IV) CO2 formohet gjatë djegies së karbonit elementar në oksigjen të tepërt me lëshimin e nxehtësisë (395 kJ / mol). CO2 (emri i parëndësishëm është "dioksid karboni") formohet gjithashtu gjatë oksidimit të plotë të CO, produkteve të naftës, benzinës, vajrave dhe përbërjeve të tjera organike. Kur karbonatet treten në ujë, CO2 lëshohet gjithashtu si rezultat i hidrolizës:

Ky reaksion përdoret shpesh në praktikën laboratorike për të marrë CO2. Ky gaz mund të merret edhe duke kalcinuar bikarbonatet metalike:

Në bashkëveprimin e fazës së gazit të avullit të mbinxehur me CO:

Kur digjen hidrokarburet dhe derivatet e tyre të oksigjenit, për shembull:

Në mënyrë të ngjashme, produktet ushqimore oksidohen në një organizëm të gjallë me çlirimin e energjisë termike dhe të llojeve të tjera të energjisë. Në këtë rast, oksidimi vazhdon në kushte të buta përmes fazave të ndërmjetme, por produktet përfundimtare janë të njëjta - CO2 dhe H2O, si, për shembull, gjatë dekompozimit të sheqernave nën veprimin e enzimave, veçanërisht gjatë fermentimit të glukozës:

Prodhimi me tonazh të madh të dioksidit të karbonit dhe oksideve të metaleve kryhet në industri nga dekompozimi termik i karbonateve:

CaO përdoret në sasi të mëdha në teknologjinë e prodhimit të çimentos. Stabiliteti termik i karbonateve dhe konsumi i nxehtësisë për zbërthimin e tyre sipas kësaj skeme rritet në serinë CaCO3 (shih gjithashtu PARANDALIMI NGA ZJARRI DHE MBROJTJA NGA ZJARRI). Struktura elektronike e oksideve të karbonit. Struktura elektronike e çdo monoksidi të karbonit mund të përshkruhet nga tre skema ekuiprobabile me rregullime të ndryshme të çifteve elektronike - tre forma rezonante:

Të gjitha oksidet e karbonit kanë një strukturë lineare.
Acidi karbonik. Kur CO2 reagon me ujin, formohet acidi karbonik H2CO3. Në një tretësirë të ngopur të CO2 (0,034 mol/l), vetëm një pjesë e molekulave formon H2CO3, dhe pjesa më e madhe e CO2 është në gjendje të hidratuar CO2*H2O.
Karbonatet. Karbonatet formohen nga bashkëveprimi i oksideve të metaleve me CO2, për shembull, Na2O + CO2 -> NaHCO3, të cilat dekompozohen kur nxehen për të çliruar CO2: 2NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O + CO2 Karbonati i natriumit, ose soda, prodhohet në sasi të mëdha në industria e sodës kryesisht me metodën Solvay:

Me një metodë tjetër, soda merret nga CO2 dhe NaOH

Joni karbonat CO32- ka një strukturë të sheshtë me një kënd O-C-O prej 120° dhe një gjatësi lidhjeje CO prej 1.31
(shih gjithashtu PRODHIM ALKALI).
Halidet e karbonit. Karboni reagon drejtpërdrejt me halogjenet kur nxehet për të formuar tetrahalide, por shpejtësia e reagimit dhe rendimenti i produktit janë të ulëta. Prandaj, halidet e karbonit merren me metoda të tjera, për shembull, CCl4 përftohet me klorinim të disulfidit të karbonit: CS2 + 2Cl2 -> CCl4 + 2S temperaturë, ndodh formimi i fosgjenit toksik (një substancë helmuese e gaztë). Vetë CCl4 është gjithashtu helmues dhe, nëse thithet në sasi të konsiderueshme, mund të shkaktojë helmim të mëlçisë. СCl4 formohet gjithashtu nga një reaksion fotokimik midis metanit СH4 dhe Сl2; në këtë rast, është i mundur formimi i produkteve të klorinimit jo të plotë të metanit - CHCl3, CH2Cl2 dhe CH3Cl. Reaksionet zhvillohen në mënyrë të ngjashme me halogjenët e tjerë.
reaksionet e grafitit. Grafiti si një modifikim i karbonit, i karakterizuar nga distanca të mëdha midis shtresave të unazave gjashtëkëndore, hyn në reaksione të pazakonta, për shembull, metalet alkali, halogjenet dhe disa kripëra (FeCl3) depërtojnë midis shtresave, duke formuar komponime të tipit KC8, KC16 ( të quajtura komponime intersticiale, inkluzione ose klatrate). Agjentët e fortë oksidues si KClO3 në një mjedis acid (acidi sulfurik ose nitrik) formojnë substanca me një vëllim të madh të rrjetës kristalore (deri në 6 midis shtresave), e cila shpjegohet me futjen e atomeve të oksigjenit dhe formimin e komponimeve, në sipërfaqja e së cilës si rezultat i oksidimit formohen grupet karboksile (-COOH) - komponime si grafiti i oksiduar ose acidi melitik (benzenheksakarboksilik) C6(COOH)6. Në këto komponime, raporti C:O mund të ndryshojë nga 6:1 në 6:2.5.
Karbitet. Karboni formon me metale, bor dhe silikon komponime të ndryshme të quajtura karbide. Metalet më aktive (nëngrupet IA-IIIA) formojnë karbide të ngjashme me kripën, për shembull Na2C2, CaC2, Mg4C3, Al4C3. Në industri, karbidi i kalciumit përftohet nga koksi dhe guri gëlqeror nga reaksionet e mëposhtme:

Karbitet janë jopërçues, pothuajse të pangjyrë, hidrolizohen me formimin e hidrokarbureve, për shembull, CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 Acetileni C2H2 i formuar nga reaksioni shërben si lëndë ushqyese në prodhimin e shumë substancave organike. Ky proces është interesant sepse paraqet kalimin nga lëndët e para me natyrë inorganike në sintezën e përbërjeve organike. Karbitet që formojnë acetilen gjatë hidrolizës quhen acetilide. Në karbitet e silikonit dhe borit (SiC dhe B4C), lidhja midis atomeve është kovalente. Metalet kalimtare (elementet e nëngrupit B) kur nxehen me karbon formojnë gjithashtu karbide me përbërje të ndryshueshme në çarje në sipërfaqen e metalit; lidhja në to është e afërt me metalin. Disa karbide të këtij lloji, si WC, W2C, TiC dhe SiC, karakterizohen nga fortësi e lartë dhe veti zjarrduruese dhe përçueshmëri e mirë elektrike. Për shembull, NbC, TaC dhe HfC janë substancat më zjarrduruese (mp = 4000-4200 ° C), karbidi diniobium Nb2C është një superpërçues në 9,18 K, TiC dhe W2C janë afër fortësisë me diamantin dhe fortësia e B4C (a analog strukturor i diamantit ) është 9.5 në shkallën Mohs (shih Fig. 2). Karbitet inerte formohen nëse rrezja e metalit kalimtar Derivatet e azotit të karbonit. Ky grup përfshin ure NH2CONH2 - një pleh azotik që përdoret në formën e një tretësire. Ureja merret nga NH3 dhe CO2 duke u ngrohur nën presion:

Cianogjeni (CN)2 është i ngjashëm në shumë veti me halogjenët dhe shpesh quhet pseudohalogjen. Cianidi përftohet nga oksidimi i lehtë i jonit të cianidit me oksigjen, peroksid hidrogjeni ose jon Cu2+: 2CN- -> (CN)2 + 2e. Joni i cianidit, duke qenë një dhurues i elektroneve, formon lehtësisht komponime komplekse me jonet e metaleve në tranzicion. Ashtu si CO, joni i cianidit është një helm që lidh përbërjet vitale të hekurit në një organizëm të gjallë. Jonet komplekse cianide kanë formulën e përgjithshme []-0,5x, ku x është numri i koordinimit të metalit (agjent kompleks), empirikisht i barabartë me dyfishin e gjendjes së oksidimit të jonit metalik. Shembuj të joneve të tilla komplekse janë (struktura e disa joneve është dhënë më poshtë) tetraciano-nikelat(II)-jon []2-, heksacianoferrat (III) []3-, dicianoargjentat []-:

Karbonilet. Monoksidi i karbonit mund të reagojë drejtpërdrejt me shumë metale ose jone metalikë për të formuar komponime komplekse të quajtura karbonile, p.sh. Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, []3, Mo(CO)6, [] 2 . Lidhja në këto komponime është e ngjashme me lidhjen në komplekset ciano të përshkruara më sipër. Ni (CO)4 është një substancë e paqëndrueshme që përdoret për të ndarë nikelin nga metalet e tjera. Përkeqësimi i strukturës së gize dhe çelikut në struktura shoqërohet shpesh me formimin e karbonileve. Hidrogjeni mund të jetë pjesë e karbonileve, duke formuar hidride karbonil, si H2Fe(CO)4 dhe HCo(CO)4, të cilat shfaqin veti acide dhe reagojnë me alkalin: H2Fe(CO)4 + NaOH -> NaHFe(CO)4 + H2O Të njohura gjithashtu halidet karbonil, për shembull Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, ku X është çdo halogjen
(shih edhe PËRBËRJET ORGANOMETALIKE).
Hidrokarburet. Njihet një numër i madh i komponimeve të karbonit me hidrogjen
(shih KIMIA ORGANIKE).
LITERATURA
Sunyaev Z.I. Karboni i naftës. M., 1980 Kimia e karbonit të hiperkoordinuar. M., 1990

Enciklopedia Collier. - Shoqëria e Hapur. 2000 .

Sinonime:

Shihni se çfarë është "CARBON" në fjalorë të tjerë:

Tabela e nukleideve Informacion i përgjithshëm Emri, simboli Karboni 14, 14C Emra alternativë radiokarbon, radiokarbon Neutrone 8 Protone 6 Vetitë nukleide Masa atomike ... Wikipedia

Tabela e nuklideve Informacion i përgjithshëm Emri, simboli Karboni 12, 12C Neutronet 6 Protonet 6 Vetitë e nukliideve Masa atomike 12.0000000 (0) ... Wikipedia

Karboni (nga latinishtja: carbo "thëngjill") është një element kimik me simbolin C dhe numrin atomik 6. Katër elektrone janë të disponueshme për të formuar lidhje kimike kovalente. Substanca është jometalike dhe katërvalente. Tre izotope të karbonit ndodhin natyrshëm, 12C dhe 13C janë të qëndrueshme dhe 14C është një izotop radioaktiv në kalbje me një gjysmë jetëgjatësi prej rreth 5730 vjet. Karboni është një nga elementët e paktë të njohur që nga lashtësia. Karboni është elementi i 15-të më i bollshëm në koren e tokës dhe elementi i katërt më i bollshëm në univers sipas masës pas hidrogjenit, heliumit dhe oksigjenit. Bollëku i karbonit, diversiteti unik i përbërjeve të tij organike dhe aftësia e tij e pazakontë për të formuar polimere në temperaturat që gjenden zakonisht në Tokë e lejojnë këtë element të shërbejë si një element i përbashkët për të gjitha format e njohura të jetës. Është elementi i dytë më i bollshëm në trupin e njeriut për nga masa (rreth 18.5%) pas oksigjenit. Atomet e karbonit mund të lidhen në mënyra të ndryshme, ndërsa quhen alotrope të karbonit. Alotropet më të njohura janë grafiti, diamanti dhe karboni amorf. Vetitë fizike të karbonit ndryshojnë shumë në varësi të formës alotropike. Për shembull, grafiti është i errët dhe i zi, ndërsa diamanti është shumë transparent. Grafiti është mjaft i butë për të formuar një brez në letër (prandaj emri i tij, nga folja greke "γράφειν" që do të thotë "të shkruash"), ndërsa diamanti është materiali më i fortë i njohur në natyrë. Grafiti është një përcjellës i mirë elektrik, ndërsa diamanti ka përçueshmëri të ulët elektrike. Në kushte normale, diamanti, nanotubat e karbonit dhe grafeni kanë përçueshmërinë termike më të lartë se çdo material i njohur. Të gjithë alotropet e karbonit janë të ngurta në kushte normale, ku grafiti është forma më e qëndrueshme termodinamikisht. Ato janë kimikisht të qëndrueshme dhe kërkojnë temperatura të larta për të reaguar edhe me oksigjen. Gjendja më e zakonshme e oksidimit të karbonit në përbërjet inorganike është +4, dhe +2 në komplekset karboksil të monoksidit të karbonit dhe metalit kalimtar. Burimet më të mëdha të karbonit inorganik janë gurët gëlqerorë, dolomitet dhe dioksidi i karbonit, por sasi të konsiderueshme vijnë nga depozitat organike të qymyrit, torfe, vajit dhe metanit. Karboni formon një numër të madh përbërjesh, më shumë se çdo element tjetër, me afro dhjetë milionë përbërës të përshkruar deri më sot, dhe megjithatë ky numër është vetëm një pjesë e vogël e numrit teorikisht të mundshëm në kushte standarde. Për këtë arsye, karboni shpesh quhet "mbreti i elementeve".

Karakteristikat

Alotropet e karbonit përfshijnë grafitin, një nga substancat më të buta të njohura, dhe diamantin, substancën më të fortë natyrore. Karboni lidhet lehtësisht me atome të tjera të vogla, duke përfshirë atome të tjera të karbonit, dhe është i aftë të formojë lidhje të shumta kovalente të qëndrueshme me atome të përshtatshme shumëvalente. Dihet se karboni formon gati dhjetë milionë komponime të ndryshme, shumica dërrmuese e të gjitha përbërjeve kimike. Karboni gjithashtu ka pikën më të lartë të sublimimit nga çdo element. Në presionin atmosferik, ai nuk ka pikë shkrirjeje pasi pika e tij e trefishtë është 10,8 ± 0,2 MPa dhe 4600 ± 300 K (~ 4330 °C ose 7820 °F), kështu që sublimohet në rreth 3900 K. Grafiti është shumë më reaktiv se diamanti nën kushtet standarde pavarësisht se janë më të qëndrueshme termodinamikisht pasi sistemi i tij i delokalizuar pi është shumë më i prekshëm ndaj sulmit. Për shembull, grafiti mund të oksidohet me acid nitrik të përqendruar të nxehtë në kushte standarde në acid melitik C6(CO2H)6, i cili ruan njësitë gjashtëkëndore të grafitit kur struktura më e madhe shkatërrohet. Karboni sublimohet në një hark karboni, i cili është rreth 5800 K (5530 °C, 9980 °F). Kështu, pavarësisht nga forma e tij alotropike, karboni mbetet i ngurtë në temperatura më të larta se pikat më të larta të shkrirjes si tungsteni ose renium. Megjithëse karboni është termodinamikisht i prirur ndaj oksidimit, ai është më rezistent ndaj oksidimit sesa elementë të tillë si hekuri dhe bakri, të cilët janë agjentë reduktues më të dobët në temperaturën e dhomës. Karboni është elementi i gjashtë me konfigurimin elektronik të gjendjes bazë 1s22s22p2, nga të cilat katër elektronet e jashtme janë elektrone valence. Katër energjitë e para të jonizimit të tij prej 1086.5, 2352.6, 4620.5 dhe 6222.7 kJ/mol, janë shumë më të larta se ato të elementeve më të rënda të grupit 14. Elektronegativiteti i karbonit është 2.5, që është dukshëm më i lartë se elementët më të rëndë të grupit 8-14 (1. 1.9), por është afër shumicës së jometaleve fqinje, si dhe me disa metale kalimtare të rreshtave të dytë dhe të tretë. Rrezet kovalente të karbonit zakonisht merren si 77.2 pm (C-C), 66.7 pm (C=C) dhe 60.3 pm (C≡C), megjithëse këto mund të ndryshojnë në varësi të numrit të koordinimit dhe asaj që lidhet me karbonin. Në përgjithësi, rrezja kovalente zvogëlohet kur numri i koordinimit zvogëlohet dhe rendi i lidhjes rritet. Komponimet e karbonit formojnë bazën e të gjitha formave të njohura të jetës në Tokë, dhe cikli karbon-azoti siguron një pjesë të energjisë së çliruar nga Dielli dhe yjet e tjerë. Megjithëse karboni formon një larmi të jashtëzakonshme përbërjesh, shumica e formave të karbonit janë relativisht joreaktive në kushte normale. Në temperatura dhe presione standarde, karboni do t'i rezistojë të gjithëve, përveç oksiduesve më të fortë. Nuk reagon me acid sulfurik, acid klorhidrik, klor ose alkale. Në temperatura të larta, karboni reagon me oksigjenin për të formuar okside karboni dhe largon oksigjenin nga oksidet metalike, duke lënë metalin elementar. Ky reaksion ekzotermik përdoret në industrinë e çelikut për të shkrirë hekurin dhe për të kontrolluar përmbajtjen e karbonit të çelikut:

Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

me squfur për të formuar disulfid karboni dhe me avull në reaksionin qymyr-gaz:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Karboni kombinohet me disa metale në temperatura të larta për të formuar karbide metalike, të tilla si çimentiti i karbitit të hekurit në çelik dhe karabit tungsteni, i përdorur gjerësisht si gërryes dhe për të bërë maja të forta për veglat prerëse. Sistemi i alotropeve të karbonit mbulon një numër ekstremesh:

Disa lloje të grafitit përdoren për izolim termik (të tilla si pengesat ndaj zjarrit dhe mburojat e nxehtësisë), por disa forma të tjera janë përçues të mirë termik. Diamanti është përçuesi termik më i njohur natyror. Grafiti është i errët. Diamanti është shumë transparent. Grafiti kristalizohet në sistemin gjashtëkëndor. Diamanti kristalizohet në sistemin kub. Karboni amorf është plotësisht izotropik. Nanotubat e karbonit janë ndër materialet anizotropike më të njohura.

Alotropet e karbonit

Karboni atomik është një specie shumë jetëshkurtër dhe për këtë arsye karboni stabilizohet në struktura të ndryshme poliatomike me konfigurime të ndryshme molekulare të quajtura alotrope. Tre alotropet relativisht të njohura të karbonit janë karboni amorf, grafiti dhe diamanti. Të konsideruara më parë ekzotike, fullerenet tani zakonisht sintetizohen dhe përdoren në kërkime; ato përfshijnë buckyballs, nanotuba karboni, nanodots karboni dhe nanofibra. Janë zbuluar edhe disa alotrope të tjera ekzotike, të tilla si lonsaletiti, karboni i qelqtë, nanofaumi i karbonit dhe karboni linear acetileni (karabina). Që nga viti 2009, grafeni konsiderohet si materiali më i fortë i testuar ndonjëherë. Procesi i ndarjes së tij nga grafiti do të kërkojë një zhvillim të mëtejshëm teknologjik përpara se të bëhet ekonomik për proceset industriale. Nëse ka sukses, grafeni mund të përdoret për të ndërtuar ashensorë hapësinorë. Mund të përdoret gjithashtu për të ruajtur në mënyrë të sigurt hidrogjenin për përdorim në automjetet me bazë hidrogjeni në automjete. Forma amorfe është një grup atomesh karboni në një gjendje jo kristalore, të çrregullt, të qelqtë dhe që nuk përfshihen në një makrostrukturë kristalore. Është i pranishëm në formë pluhuri dhe është përbërësi kryesor i substancave si qymyri, bloza e llambës (bloza) dhe karboni i aktivizuar. Në presione normale, karboni ka formën e grafitit, në të cilin çdo atom është i lidhur trigonalisht nga tre atome të tjerë në një plan të përbërë nga unaza gjashtëkëndore të shkrirë, si në hidrokarburet aromatike. Rrjeti që rezulton është dydimensional dhe fletët e sheshta që rezultojnë palosen dhe lidhen lirshëm përmes forcave të dobëta van der Waals. Kjo i jep grafitit butësinë dhe vetitë e tij ndarëse (fletët rrëshqasin lehtësisht mbi njëra-tjetrën). Për shkak të delokalizimit të një prej elektroneve të jashtëm të çdo atomi për të formuar një re π, grafiti përçon elektricitetin, por vetëm në rrafshin e secilës fletë të lidhur në mënyrë kovalente. Kjo rezulton në një përçueshmëri elektrike më të ulët për karbonin sesa për shumicën e metaleve. Delokalizimi shpjegon gjithashtu stabilitetin energjetik të grafitit mbi diamantin në temperaturën e dhomës. Në presione shumë të larta, karboni formon një alotrop më kompakt, diamant, i cili ka pothuajse dyfishin e densitetit të grafitit. Këtu, çdo atom është i lidhur në mënyrë katërkëndore me katër të tjerë, duke formuar një rrjet tredimensional të unazave të rrudhura me gjashtë anëtarë të atomeve. Diamanti ka të njëjtën strukturë kubike si silikoni dhe germaniumi, dhe për shkak të forcës së lidhjeve të tij karbon-karbon, është substanca më e vështirë natyrore e matur me rezistencën ndaj gërvishtjeve. Në kundërshtim me besimin popullor se "diamantet janë përgjithmonë", ata janë termodinamikisht të paqëndrueshëm në kushte normale dhe kthehen në grafit. Për shkak të pengesës së aktivizimit të energjisë së lartë, kalimi në formën e grafitit është aq i ngadaltë në temperaturë normale sa nuk është i dukshëm. Në kushte të caktuara, karboni kristalizohet si një lonsaleit, një rrjetë kristalore gjashtëkëndore me të gjithë atomet të lidhur në mënyrë kovalente dhe veti të ngjashme me ato të diamantit. Fullerenet janë një formacion kristalor sintetik me një strukturë të ngjashme me grafitin, por në vend të gjashtëkëndëshave, fullerenet përbëhen nga pesëkëndësha (ose edhe heptagone) të atomeve të karbonit. Atomet që mungojnë (ose shtesë) i deformojnë fletët në sfera, elipse ose cilindra. Vetitë e fullereneve (të ndara në buckyballs, buckytubes dhe nanobads) nuk janë analizuar ende plotësisht dhe përfaqësojnë një zonë intensive të kërkimit të nanomaterialeve. Emrat "fullerene" dhe "buckyball" lidhen me emrin e Richard Buckminster Fuller, i cili popullarizoi kupolat gjeodezike që i ngjajnë strukturës së fullereneve. Buckyballs janë molekula mjaft të mëdha të formuara tërësisht nga lidhjet e karbonit në mënyrë trigonale, duke formuar sferoide (më e famshmja dhe më e thjeshta është baksinisterfellereni C60 me formën e një topi futbolli). Nanotubat e karbonit janë strukturalisht të ngjashëm me topat e bucky, përveç se çdo atom është i lidhur në mënyrë trigonale në një fletë të lakuar që formon një cilindër të zbrazët. Nanobadet u prezantuan për herë të parë në vitin 2007 dhe janë materiale hibride (buckyballs janë të lidhur në mënyrë kovalente me murin e jashtëm të një nanotubi) që kombinojnë vetitë e të dyjave në një strukturë të vetme. Nga alotropet e tjera të zbuluara, nanoshkuma e karbonit është një alotrop ferromagnetik i zbuluar në 1997. Ai përbëhet nga një grup i grumbulluar atomesh karboni me densitet të ulët të lidhur së bashku në një rrjet të lirshëm tre-dimensional në të cilin atomet janë të lidhur në mënyrë trigonale në unaza gjashtë dhe shtatë anëtarëshe. Është ndër lëndët e ngurta më të lehta me një dendësi prej rreth 2 kg/m3. Në mënyrë të ngjashme, karboni i qelqtë përmban një përqindje të lartë të porozitetit të mbyllur, por ndryshe nga grafiti i zakonshëm, shtresat e grafitit nuk grumbullohen si faqe në një libër, por janë të renditura më rastësisht. Karboni linear acetileni ka strukturën kimike - (C:::C) n-. Karboni në këtë modifikim është linear me hibridizimin sp orbital dhe është një polimer me lidhje të vetme dhe të trefishta të alternuara. Kjo karabinë është me interes të madh për nanoteknologjinë, sepse moduli i Young-it është dyzet herë më i madh se ai i materialit më të fortë, diamantit. Në vitin 2015, një ekip në Universitetin e Karolinës së Veriut njoftoi zhvillimin e një alotropi tjetër, të cilin e quajtën Q-karbon, i krijuar nga një impuls lazer me kohëzgjatje të ulët dhe me energji të lartë në pluhurin amorf të karbonit. Q-karboni raportohet se shfaq ferromagnetizëm, fluoreshencë dhe ka një fortësi më të lartë se diamantet.

Prevalenca

Karboni është elementi i katërt kimik më i bollshëm në univers për nga masa pas hidrogjenit, heliumit dhe oksigjenit. Karboni është i bollshëm në Diell, yje, kometa dhe atmosferat e shumicës së planetëve. Disa meteoritë përmbajnë diamante mikroskopikë që u formuan kur sistemi diellor ishte ende një disk protoplanetar. Diamantet mikroskopike mund të formohen gjithashtu nën presion intensiv dhe temperaturë të lartë në vendet e goditjes së meteorit. Në vitin 2014, NASA njoftoi një bazë të dhënash të përditësuar për gjurmimin e hidrokarbureve aromatike policiklike (PAH) në univers. Më shumë se 20% e karbonit në univers mund të shoqërohet me PAH, komponime komplekse të karbonit dhe hidrogjenit pa oksigjen. Këto komponime shfaqen në hipotezën botërore të PAH, ku me sa duket luajnë një rol në abiogjenezën dhe formimin e jetës. Duket se PAH-të u formuan "nja dy miliardë vjet" pas Big Bengut, janë të përhapur në univers dhe janë të lidhur me yje dhe ekzoplanetë të rinj. Predha e fortë e tokës vlerësohet të përmbajë 730 ppm karbon në total, me 2000 ppm në bërthamë dhe 120 ppm në mantelin dhe koren e kombinuar. Meqenëse masa e tokës është 5.9 x 72 x 1024 kg, kjo do të thotë 4360 milion gigaton karbon. Kjo është shumë më tepër se sasia e karbonit në oqeane ose në atmosferë (më poshtë). I kombinuar me oksigjenin në dioksidin e karbonit, karboni gjendet në atmosferën e Tokës (afërsisht 810 gigaton karbon) dhe i tretur në të gjithë trupat ujorë (afërsisht 36,000 gigatonë karbon). Ka rreth 1900 gigaton karbon në biosferë. Hidrokarburet (si qymyri, nafta dhe gazi natyror) gjithashtu përmbajnë karbon. "Rezervat" e qymyrit (në vend të "burimeve") janë rreth 900 gigatonë me ndoshta 18,000 Gt burime. Rezervat e naftës janë rreth 150 gigatonë. Burimet e provuara të gazit natyror janë rreth 175,1012 metra kub (që përmbajnë rreth 105 gigatonë karbon), megjithatë studimet vlerësojnë 900,1012 metër kub të tjerë të depozitave "jokonvencionale" si gazi argjilor, që është rreth 540 gigaton karbon. Karboni është gjetur gjithashtu në hidratet e metanit në rajonet polare dhe nën dete. Sipas vlerësimeve të ndryshme, sasia e këtij karboni është 500, 2500 Gt, ose 3000 Gt. Në të kaluarën, sasia e hidrokarbureve ishte më e madhe. Sipas një burimi, midis 1751 dhe 2008, rreth 347 gigaton karbon u lëshuan në atmosferë si dioksid karboni në atmosferë nga djegia e lëndëve djegëse fosile. Një burim tjetër shton sasinë e shtuar në atmosferë midis 1750 dhe 879 Gt, dhe totali në atmosferë, det dhe tokë (si p.sh. torfe) është pothuajse 2000 Gt. Karboni është një përbërës (12% në masë) i masave shumë të mëdha të shkëmbinjve karbonatikë (gëlqeror, dolomit, mermer, etj.). Qymyri përmban një sasi shumë të lartë karboni (antraciti përmban 92-98% karbon) dhe është burimi më i madh tregtar i karbonit mineral, që përbën 4000 gigaton ose 80% të lëndëve djegëse fosile. Për sa i përket alotropeve individuale të karbonit, grafiti gjendet në sasi të mëdha në Shtetet e Bashkuara (kryesisht Nju Jork dhe Teksas), Rusi, Meksikë, Grenlandë dhe Indi. Diamantet natyrale gjenden në kimberlitin shkëmbor që përmbahet në "qafat" ose "gypat" e lashtë vullkanike. Shumica e depozitave të diamantit gjenden në Afrikë, veçanërisht në Afrikën e Jugut, Namibi, Botsvana, Republikën e Kongos dhe Sierra Leone. Depozita diamanti janë gjetur gjithashtu në Arkansas, Kanada, Arktikun Rus, Brazil dhe Australinë Veriore dhe Perëndimore. Tani diamante janë gjetur edhe nga fundi i oqeanit në Kepin e Shpresës së Mirë. Diamantet ndodhin natyrshëm, por rreth 30% e të gjithë diamantëve industrialë të përdorur në SHBA tani prodhohen. Karboni-14 formohet në troposferën e sipërme dhe stratosferë në lartësitë 9-15 km në një reaksion që depozitohet nga rrezet kozmike. Prodhohen neutrone termike që përplasen me bërthamat e azotit-14 për të formuar karbon-14 dhe një proton. Kështu, 1.2 × 1010% e dioksidit të karbonit atmosferik përmban karbon-14. Asteroidët e pasur me karbon janë relativisht dominues në pjesët e jashtme të brezit të asteroidëve në sistemin tonë diellor. Këta asteroidë ende nuk janë eksploruar drejtpërdrejt nga shkencëtarët. Asteroidët mund të përdoren në minierat hipotetike të qymyrit të bazuar në hapësirë, gjë që mund të jetë e mundur në të ardhmen, por aktualisht është teknologjikisht e pamundur.

Izotopet e karbonit

Izotopet e karbonit janë bërthama atomike që përmbajnë gjashtë protone plus një numër neutronesh (nga 2 në 16). Karboni ka dy izotope të qëndrueshme natyrale. Izotopi i karbonit-12 (12C) formon 98,93% të karbonit në Tokë, dhe karboni-13 (13C) formon 1,07% të mbetur. Përqendrimi i 12C rritet edhe më shumë në materialet biologjike sepse reaksionet biokimike diskriminojnë 13C. Në vitin 1961, Unioni Ndërkombëtar i Kimisë së Pastër dhe të Aplikuar (IUPAC) miratoi karbon-12 izotopike si bazë për peshat atomike. Identifikimi i karbonit në eksperimentet me rezonancë magnetike bërthamore (NMR) kryhet me izotopin 13C. Karboni-14 (14C) është një radioizotop natyror i krijuar në atmosferën e sipërme (stratosfera e poshtme dhe troposfera e sipërme) nga ndërveprimi i azotit me rrezet kozmike. Gjendet në sasi gjurmë në Tokë deri në 1 pjesë për trilion (0.0000000001%), kryesisht në atmosferë dhe sedimente sipërfaqësore, veçanërisht në torfe dhe materiale të tjera organike. Ky izotop zbërthehet gjatë emetimit β 0,158 MeV. Për shkak të gjysmë-jetës relativisht të shkurtër prej 5730 vjetësh, 14C praktikisht mungon në shkëmbinjtë e lashtë. Në atmosferë dhe në organizmat e gjallë, sasia e 14C është pothuajse konstante, por ulet te organizmat pas vdekjes. Ky parim përdoret në datimin me radiokarbon, i shpikur në vitin 1949, i cili është përdorur gjerësisht për plakjen e materialeve karbonike deri në 40,000 vjet të vjetra. Janë të njohura 15 izotope të karbonit dhe jetëgjatësia më e shkurtër prej tyre është 8C, e cila zbërthehet nga emetimi i protonit dhe zbërthimi alfa dhe ka një gjysmë jetë prej 1,98739 × 10-21 s. Exotic 19C shfaq një halo bërthamore, që do të thotë se rrezja e saj është dukshëm më e madhe se sa do të pritej nëse bërthama do të ishte një sferë me densitet konstant.

Edukimi në yje

Formimi i një bërthame atomike të karbonit kërkon një përplasje pothuajse të njëkohshme të trefishtë të grimcave alfa (bërthamat e heliumit) brenda bërthamës së një ylli gjigant ose supergjigant, i cili njihet si procesi alfa i trefishtë, pasi produktet e reaksioneve të mëtejshme të shkrirjes bërthamore të heliumit me hidrogjeni ose një bërthamë tjetër e heliumit prodhojnë respektivisht litium-5 dhe berilium -8, që të dyja janë shumë të paqëndrueshme dhe shpërbëhen pothuajse menjëherë në bërthama më të vogla. Kjo ndodh në temperatura mbi 100 megakalvina dhe përqendrime helium, të cilat janë të papranueshme në kushtet e zgjerimit dhe ftohjes së shpejtë të universit të hershëm, dhe për këtë arsye nuk u krijuan sasi të konsiderueshme karboni gjatë Big Bengut. Sipas teorisë moderne të kozmologjisë fizike, karboni formohet brenda yjeve në një degë horizontale nga përplasja dhe transformimi i tre bërthamave të heliumit. Kur këta yje vdesin në një supernova, karboni shpërndahet në hapësirë si pluhur. Ky pluhur bëhet materiali përbërës për formimin e sistemeve yjore të gjeneratës së dytë ose të tretë me planetë të grumbulluar. Sistemi diellor është një sistem i tillë yjor me një bollëk karboni, duke lejuar ekzistencën e jetës siç e njohim ne. Cikli CNO është një mekanizëm shtesë i shkrirjes që drejton yjet ku karboni vepron si katalizator. Tranzicionet rrotulluese të formave të ndryshme izotopike të monoksidit të karbonit (për shembull, 12CO, 13CO dhe 18CO) zbulohen në intervalin e gjatësisë së valës nënmilimetër dhe përdoren në studimin e yjeve të sapoformuar në retë molekulare.

cikli i karbonit

Në kushte tokësore, shndërrimi i një elementi në një tjetër është një fenomen shumë i rrallë. Prandaj, sasia e karbonit në Tokë është efektivisht konstante. Kështu, në proceset që përdorin karbonin, ai duhet të merret nga diku dhe të hidhet diku tjetër. Rrugët e karbonit në mjedis formojnë ciklin e karbonit. Për shembull, bimët fotosintetike nxjerrin dioksid karboni nga atmosfera (ose uji i detit) dhe e ndërtojnë atë në biomasë, si në ciklin Calvin, procesi i fiksimit të karbonit. Një pjesë e kësaj biomase hahet nga kafshët, ndërsa një pjesë e karbonit nxirret nga kafshët si dioksid karboni. Cikli i karbonit është shumë më kompleks se ky cikël i shkurtër; për shembull, një pjesë e dioksidit të karbonit është tretur në oqeane; nëse bakteret nuk e thithin atë, lënda bimore ose shtazore e vdekur mund të bëhet vaj ose qymyr, i cili lëshon karbon kur digjet.

Komponimet e karbonit

Karboni mund të formojë zinxhirë shumë të gjatë të lidhjeve të ndërlidhura karbon-karbon, një veti e quajtur formimi i zinxhirit. Lidhjet karbon-karbon janë të qëndrueshme. Nëpërmjet katanimit (formimi i zinxhirëve), karboni formon një numër të panumërt përbërjesh. Vlerësimi i përbërjeve unike tregon se më shumë prej tyre përmbajnë karbon. Një deklaratë e ngjashme mund të bëhet për hidrogjenin sepse shumica e përbërjeve organike përmbajnë gjithashtu hidrogjen. Forma më e thjeshtë e një molekule organike është hidrokarburi, një familje e madhe molekulash organike që përbëhen nga atome hidrogjeni të lidhura me një zinxhir atomesh karboni. Gjatësia e zinxhirit, zinxhirët anësor dhe grupet funksionale ndikojnë në vetitë e molekulave organike. Karboni gjendet në çdo formë të jetës organike të njohur dhe është baza e kimisë organike. Kur kombinohet me hidrogjenin, karboni formon hidrokarbure të ndryshme që janë të rëndësishme për industrinë si ftohës, lubrifikantë, tretës, si lëndë ushqyese kimike për prodhimin e plastikës dhe produkteve të naftës dhe si lëndë djegëse fosile. Kur kombinohet me oksigjen dhe hidrogjen, karboni mund të formojë shumë grupe të përbërjeve të rëndësishme biologjike, duke përfshirë sheqernat, lignanet, kitinat, alkoolet, yndyrnat dhe esteret aromatike, karotenoidet dhe terpenet. Me azotin, karboni formon alkaloide, dhe me shtimin e squfurit formon edhe antibiotikë, aminoacide dhe produkte gome. Me shtimin e fosforit në këta elementë të tjerë, ai formon ADN-në dhe ARN-në, bartësit e kodit kimik të jetës, dhe adenozintrifosfatin (ATP), molekula më e rëndësishme e transportit të energjisë në të gjitha qelizat e gjalla.

komponimet inorganike

Në mënyrë tipike, komponimet që përmbajnë karbon që shoqërohen me minerale ose që nuk përmbajnë hidrogjen ose fluor trajtohen veçmas nga komponimet organike klasike; ky përkufizim nuk është i rreptë. Midis tyre janë oksidet e thjeshta të karbonit. Oksidi më i njohur është dioksidi i karbonit (CO2). Dikur një përbërës kryesor i paleoatmosferës, kjo lëndë është sot një përbërës i vogël i atmosferës së Tokës. Kur tretet në ujë, kjo substancë formon acidin karbonik (H2CO3), por, si shumica e komponimeve me disa oksigjen me lidhje të vetme në një karbon, është e paqëndrueshme. Sidoqoftë, jonet karbonate të stabilizuara rezonante formohen përmes këtij ndërmjetësi. Disa minerale të rëndësishme janë karbonatet, veçanërisht kalcitet. Disulfidi i karbonit (CS2) është i ngjashëm. Një tjetër oksid i zakonshëm është monoksidi i karbonit (CO). Ai formohet gjatë djegies jo të plotë dhe është një gaz pa ngjyrë, pa erë. Çdo molekulë përmban një lidhje të trefishtë dhe është mjaft polare, gjë që rezulton në lidhjen e vazhdueshme me molekulat e hemoglobinës, duke zhvendosur oksigjenin, i cili ka një afinitet lidhës më të ulët. Cianidi (CN-) ka një strukturë të ngjashme, por sillet si një jon halide (pseudohalogjen). Për shembull, mund të formojë një molekulë nitride cianogjen (CN) 2 të ngjashme me halogjenët e diatomit. Okside të tjera të pazakonta janë suboksidi i karbonit (C3O2), monoksidi i paqëndrueshëm i karbonit (C2O), trioksidi i karbonit (CO3), peptoni ciklopentan (C5O5), cikloheksaneksoni (C6O6) dhe anhidridi melitik (C12O9). Me metale reaktive si tungsteni, karboni formon karbide (C4-) ose acetilide (C2-2) për të formuar lidhje me pika të larta shkrirjeje. Këto anione shoqërohen gjithashtu me metanin dhe acetilenin, që të dyja janë acide shumë të dobëta. Në një elektronegativitet prej 2.5, karboni preferon të formojë lidhje kovalente. Disa karbide janë grila kovalente, si karborundumi (SiC), i cili i ngjan diamantit. Megjithatë, edhe karbitet më polare dhe të ngjashme me kripën nuk janë komponime plotësisht jonike.

Komponimet organometrike

Përbërjet organometalike, sipas përkufizimit, përmbajnë të paktën një lidhje karbon-metal. Ekziston një gamë e gjerë e komponimeve të tilla; klasat kryesore përfshijnë komponime të thjeshta alkil-metal (p.sh. tetraetil elidi), komponimet η2-alken (p.sh. kripa Zeise) dhe komponimet η3-alilike (p.sh. dimer klorur allilpalladium); metalocene që përmbajnë ligande ciklopentadienil (p.sh. ferroceni); dhe komplekset karbene të metaleve në tranzicion. Ka shumë karbonile metalike (për shembull, tetrakarbonil nikel); disa punëtorë besojnë se ligandi i monoksidit të karbonit është një përbërës thjesht inorganik, jo organometal. Ndërsa karboni mendohet të formojë ekskluzivisht katër lidhje, është raportuar një përbërje interesante që përmban një atom karboni tetëkëndor heksakoordinativ. Kationi i këtij komponimi është 2+. Ky fenomen shpjegohet me aurofilitetin e ligandëve të arit. Në vitin 2016, heksametilbenzeni u konfirmua se përmban një atom karboni me gjashtë lidhje dhe jo katër të zakonshmet.

Historia dhe etimologjia

Emri anglisht karbon (karbon) vjen nga latinishtja carbo, që do të thotë "thëngjill" dhe "thëngjill", prej nga vjen fjala franceze charbon, që do të thotë "thëngjill". Emrat gjermanë, holandezë dhe danezë për karbonin janë përkatësisht Kohlenstoff, koolstof dhe kulstof, të gjitha fjalë për fjalë do të thotë një substancë qymyri. Karboni u zbulua në kohët parahistorike dhe ishte i njohur në format e blozës dhe qymyrit në qytetërimet më të hershme njerëzore. Diamantet njiheshin ndoshta që në vitin 2500 para Krishtit. në Kinë, dhe karboni në formën e qymyrit prodhohej në kohën romake nga e njëjta kimi si sot, duke ngrohur dru në një piramidë të mbuluar me argjilë për të përjashtuar ajrin. Në 1722, René Antoine Ferhot de Réamour demonstroi se hekuri shndërrohet në çelik përmes përthithjes së një substance të njohur tani si karboni. Në 1772, Antoine Lavoisier tregoi se diamantet janë një formë karboni; kur ai dogji mostrat e qymyrit dhe diamantit dhe zbuloi se asnjëri nuk prodhonte ujë dhe se të dyja substancat lëshonin një sasi të barabartë të dioksidit të karbonit për gram. Në 1779, Carl Wilhelm Scheele tregoi se grafiti, që mendohet të jetë një formë plumbi, ishte identik me qymyrin, por me një sasi të vogël hekuri, dhe se prodhonte "acid ajri" (që është dioksidi i karbonit) kur oksidohej me acid nitrik. . Në 1786, shkencëtarët francezë Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge dhe C. A. Vandermonde konfirmuan se grafiti ishte në thelb karboni, duke e oksiduar atë në oksigjen në të njëjtën mënyrë siç bëri Lavoisier me diamantin. Përsëri mbeti pak hekur, i cili, sipas shkencëtarëve francezë, ishte i nevojshëm për strukturën e grafitit. Në botimin e tyre, ata propozuan emrin karbon (latinisht për karbon) për një element në grafit që lëshohej si gaz kur grafiti digjej. Më pas Antoine Lavoisier e renditi karbonin si një element në librin e tij shkollor të vitit 1789. Një alotrop i ri i karbonit, fullereni, i cili u zbulua në vitin 1985, përfshin forma me nanostrukturë si bukyballs dhe nanotube. Zbuluesit e tyre - Robert Curl, Harold Kroto dhe Richard Smalley - morën çmimin Nobel në Kimi në 1996. Interesi i ripërtërirë që rezulton për forma të reja çon në zbulimin e alotropeve ekzotike shtesë, duke përfshirë karbonin e qelqtë, dhe realizimin se "karboni amorf" nuk është rreptësisht amorf.

Prodhimi

Grafit

Depozitat e grafitit natyror të qëndrueshëm komercialisht ndodhin në shumë pjesë të botës, por burimet më të rëndësishme ekonomikisht janë në Kinë, Indi, Brazil dhe Korenë e Veriut. Depozitat e grafitit kanë origjinë metamorfike, të gjetura në lidhje me kuarcin, mikën dhe feldspatët në rreshpe, gneiss dhe gurë ranorë dhe gëlqerorë të metamorfizuar në formën e lenteve ose venave, ndonjëherë disa metra ose më shumë të trasha. Stoqet e grafitit në Borrowdale, Cumberland, Angli fillimisht ishin të madhësisë dhe pastërtisë së mjaftueshme që deri në shekullin e 19-të lapsat bëheshin thjesht duke sharruar blloqe grafiti natyral në shirita përpara se të ngjiteshin shiritat në dru. Sot, depozitat më të vogla të grafitit përftohen duke shtypur shkëmbin mëmë dhe duke notuar grafitin më të lehtë në ujë. Ekzistojnë tre lloje të grafitit natyror - amorf, flake ose kristalor. Grafiti amorf është i cilësisë më të ulët dhe është më i zakonshmi. Në kontrast me shkencën, në industri "amorf" i referohet një madhësie shumë të vogël kristali dhe jo mungesës së plotë të strukturës kristalore. Fjala "amorf" përdoret për t'iu referuar produkteve me një sasi të vogël grafiti dhe është grafiti më i lirë. Depozita të mëdha të grafitit amorf gjenden në Kinë, Evropë, Meksikë dhe SHBA. Grafiti planar është më pak i zakonshëm dhe me cilësi më të lartë se ai amorf; duket si pllaka të veçanta që kristalizohen në shkëmbinj metamorfikë. Çmimi i grafitit të grimcuar mund të jetë katërfishi i çmimit të amorfit. Grafiti i flakëve me cilësi të mirë mund të përpunohet në grafit të zgjerueshëm për shumë aplikacione, siç janë retardantët e flakës. Depozitat primare të grafitit gjenden në Austri, Brazil, Kanada, Kinë, Gjermani dhe Madagaskar. Grafiti i lëngshëm ose i grumbulluar është lloji më i rrallë, më i vlefshëm dhe më cilësor i grafitit natyror. Gjendet në venat përgjatë kontakteve ndërhyrëse në gunga të forta dhe është nxjerrë komercialisht vetëm në Sri Lanka. Sipas USGS, prodhimi global i grafit natyror në vitin 2010 ishte 1.1 milion ton, me Kinën që prodhonte 800,000 tonë, Indinë 130,000 ton, Brazilin 76,000 ton, Korenë e Veriut 30,000 ton dhe Kanadanë, 25,000 ton natyral. Shtetet, por 118,000 ton grafit sintetik u minua në vitin 2009 me një kosto të vlerësuar prej 998 milionë dollarë.

Diamanti

Furnizimi me diamante kontrollohet nga një numër i kufizuar biznesesh dhe është gjithashtu shumë i përqendruar në një numër të vogël vendndodhjesh në mbarë botën. Vetëm një pjesë shumë e vogël e mineralit të diamantit përbëhet nga diamante të vërtetë. Xeherori grimcohet, gjatë të cilit duhet pasur kujdes që në këtë proces të parandalohet shkatërrimi i diamanteve të mëdhenj dhe më pas grimcat renditen sipas dendësisë. Sot, diamantet minohen në fraksionin e pasur me diamante duke përdorur fluoreshencën me rreze X, pas së cilës hapat përfundimtarë të renditjes kryhen me dorë. Para përhapjes së përdorimit të rrezeve X, ndarja u krye duke përdorur shirita lubrifikues; dihet se diamantet janë gjetur vetëm në depozitat aluviale në Indinë jugore. Dihet se diamantet kanë më shumë gjasa të ngjiten në masë sesa mineralet e tjera në mineral. India ishte lider në prodhimin e diamanteve që nga zbulimi i tyre rreth shekullit të 9-të para Krishtit deri në mesin e shekullit të 18-të pas Krishtit, por potenciali tregtar i këtyre burimeve u shterua nga fundi i shekullit të 18-të, kohë në të cilën India u përmbyt nga Brazili, ku u gjetën diamantet e para në 1725. Prodhimi i diamanteve të depozitave primare (kimberlite dhe lamproite) filloi vetëm në vitet 1870, pas zbulimit të depozitave të diamantit në Afrikën e Jugut. Prodhimi i diamantit është rritur me kalimin e kohës, me vetëm 4.5 miliardë karat të grumbulluar që nga ajo datë. Rreth 20% e kësaj sasie është nxjerrë vetëm në 5 vitet e fundit dhe gjatë dhjetë viteve të fundit kanë nisur prodhimin 9 depozita të reja dhe 4 të tjera presin të zbulohen së shpejti. Shumica e këtyre depozitave ndodhen në Kanada, Zimbabve, Angola dhe një në Rusi. Në Shtetet e Bashkuara, diamante janë zbuluar në Arkansas, Kolorado dhe Montana. Në vitin 2004, një zbulim befasues i një diamanti mikroskopik në Shtetet e Bashkuara çoi në lëshimin në janar 2008 të një kampionimi masiv të tubave kimberlite në një pjesë të largët të Montanës. Sot, shumica e depozitave komerciale të diamanteve janë në Rusi, Botsvana, Australi dhe Republikën Demokratike të Kongos. Në vitin 2005, Rusia prodhoi gati një të pestën e furnizimit me diamant në botë, sipas Shërbimit Gjeologjik Britanik. Në Australi, tubi më i pasur me diamant arriti nivelet maksimale të prodhimit prej 42 tonë metrikë (41 ton, 46 tonë të shkurtër) në vit në vitet 1990. Ekzistojnë gjithashtu depozita komerciale, të cilat minohen në mënyrë aktive në Territoret Veriperëndimore të Kanadasë, Siberisë (kryesisht në Yakutia, për shembull, në Tubacionin Mir dhe tubin Udachnaya), në Brazil, si dhe në Australinë Veriore dhe Perëndimore.

Aplikacionet

Karboni është thelbësor për të gjitha sistemet e njohura të gjalla. Pa të, jeta siç e njohim nuk mund të ekzistojë. Përdorimet kryesore ekonomike të karbonit përveç ushqimit dhe drurit janë hidrokarburet, kryesisht lëndët djegëse fosile gazi metan dhe nafta e papërpunuar. Nafta bruto përpunohet nga rafineritë për të prodhuar benzinë, vajguri dhe produkte të tjera. Celuloza është një polimer natyral që përmban karbon, i prodhuar nga bimët në formën e drurit, pambukut, lirit dhe kërpit. Celuloza përdoret kryesisht për të ruajtur strukturën e bimëve. Polimerët e karbonit me bazë shtazore të vlefshme komerciale përfshijnë leshin, lesh kashmiri dhe mëndafshin. Plastika është bërë nga polimere sintetike të karbonit, shpesh me atome të oksigjenit dhe azotit të inkorporuar në intervale të rregullta në shtyllën kurrizore të polimerit. Lënda e parë për shumë nga këto sintetike vjen nga nafta e papërpunuar. Përdorimi i karbonit dhe përbërjeve të tij është jashtëzakonisht i larmishëm. Karboni mund të formojë lidhje me hekurin, më i zakonshmi prej të cilave është çeliku i karbonit. Grafiti kombinohet me argjilat për të formuar "plumbin" që përdoret në lapsat që përdoren për shkrim dhe vizatim. Përdoret gjithashtu si lubrifikant dhe pigment si material formues në prodhimin e qelqit, në elektroda për bateritë e thata dhe elektroplating dhe elektroformim, në furça për motorët elektrikë dhe si një moderator neutron në reaktorët bërthamorë. Qymyri përdoret si material për të bërë art, si skarë për skarë, për shkrirjen e hekurit dhe për shumë përdorime të tjera. Druri, qymyri dhe nafta përdoren si lëndë djegëse për prodhimin e energjisë dhe për ngrohje. Diamantet e cilësisë së lartë përdoren në prodhimin e bizhuterive, ndërsa diamantet industriale përdoren për shpimin, prerjen dhe lustrimin e veglave të punës së metalit dhe gurit. Plastika është bërë nga hidrokarburet fosile, dhe fibra karboni, e bërë nga piroliza e fibrave sintetike të poliestrës, përdoret për të përforcuar plastikën në materiale kompozite të avancuara dhe të lehta. Fibra e karbonit prodhohet duke pirolizuar filamente të ekstruduara dhe të shtrira të poliakrilonitrilit (PAN) dhe materialeve të tjera organike. Struktura kristalore dhe vetitë mekanike të fibrës varen nga lloji i materialit fillestar dhe përpunimi i mëvonshëm. Fijet e karbonit të prodhuara nga PAN kanë një strukturë që i ngjan fijeve të ngushta të grafitit, por trajtimi termik mund ta riorganizojë strukturën në një fletë të vazhdueshme. Si rezultat, fijet kanë një forcë tërheqëse specifike më të lartë se çeliku. E zeza e karbonit përdoret si pigment i zi në bojëra printimi, bojëra vaji artistësh dhe bojëra uji, letër karboni, dekorim automobilistik, bojëra dhe printera lazer. Karboni i zi përdoret gjithashtu si mbushës në produktet e gomës si gomat dhe në përbërjet plastike. Karboni i aktivizuar përdoret si një absorbues dhe adsorbues në media filtri në aplikime të ndryshme si maskat e gazit, trajtimi i ujit dhe aspiratorët, dhe në mjekësi për të thithur toksina, helme ose gazra nga sistemi tretës. Karboni përdoret në reduktimin kimik në temperatura të larta. Koksi përdoret për të reduktuar mineralin e hekurit në hekur (shkrirjen). Ngurtësimi i çelikut arrihet duke ngrohur përbërësit e përfunduar të çelikut në pluhur karboni. Karbitet e silikonit, tungstenit, borit dhe titanit janë ndër materialet më të forta dhe përdoren si gërryes për prerje dhe bluarje. Përbërjet e karbonit përbëjnë shumicën e materialeve të përdorura në veshje, të tilla si tekstilet dhe lëkura natyrale dhe sintetike, dhe pothuajse të gjitha sipërfaqet e brendshme në mjedise të ndryshme nga qelqi, guri dhe metali.

diamante

Industria e diamanteve ndahet në dy kategori, njëra është diamante me cilësi të lartë (gurë të çmuar) dhe tjetra janë diamante të klasës industriale. Ndërsa ka shumë tregti në të dy llojet e diamanteve, të dy tregjet funksionojnë krejt ndryshe. Ndryshe nga metalet e çmuara si ari ose platini, diamantet me gurë të çmuar nuk tregtohen si mall: ka një rritje të konsiderueshme në shitjen e diamanteve dhe tregu i rishitjes së diamanteve nuk është shumë aktiv. Diamantet industriale vlerësohen kryesisht për fortësinë dhe përçueshmërinë termike të tyre, ndërsa cilësitë gjeologjike të qartësisë dhe ngjyrës janë kryesisht të parëndësishme. Rreth 80% e diamanteve të nxjerra (e barabartë me rreth 100 milionë karat ose 20 ton në vit) janë të papërdorshme dhe përdoren në industri (skrap diamanti). Diamantet sintetike, të shpikur në vitet 1950, gjetën aplikime industriale pothuajse menjëherë; Çdo vit prodhohen 3 miliardë karat (600 ton) diamante sintetike. Përdorimi dominues industrial i diamantit është prerja, shpimi, bluarja dhe lustrimi. Shumica e këtyre aplikacioneve nuk kërkojnë diamante të mëdhenj; në fakt, shumica e diamanteve me cilësi të çmuar, me përjashtim të diamanteve me përmasa të vogla, mund të përdoren në industri. Diamantet futen në majat e stërvitjes ose tehut e sharrës, ose bluhen në pluhur për t'u përdorur në bluarje dhe lustrim. Aplikimet e specializuara përfshijnë përdorimin në laboratorë si ruajtje për eksperimente me presion të lartë, kushineta me performancë të lartë dhe përdorim të kufizuar në dritare të specializuara. Falë përparimeve në prodhimin e diamanteve sintetike, aplikimet e reja po bëhen të realizueshme. Shumë vëmendje i është kushtuar përdorimit të mundshëm të diamantit si një gjysmëpërçues i përshtatshëm për mikroçipe dhe për shkak të përçueshmërisë së tij të jashtëzakonshme termike si një ftohës në elektronikë.

Artikulli i mëparshëm: Sa është shpejtësia e dritës Artikulli vijues: Karakteristikat e elementit të karbonit dhe vetitë kimike