CARBON: EGENSKABER, STRUKTUR, OPNÅELSE, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den carbon er et ikke - metallisk grundstof, hvis kemiske symbol C. opkaldt efter kul, vegetabilske eller mineralske, hvor dens atomer definere forskellige strukturer. Mange forfattere betegner det som kongen af ​​elementerne, da det danner en bred vifte af organiske og uorganiske forbindelser og forekommer også i et betydeligt antal allotroper.

Og hvis dette ikke er nok til at referere til det som et specielt element, findes det i alle levende væsener; alle dens biomolekyler skylder deres eksistens til stabiliteten og styrken af ​​CC-bindingerne og deres høje tendens til sammenføjning. Kulstof er elementet i livet, og med dets atomer er deres kroppe bygget.

Trætræet består hovedsageligt af kulhydrater, en af ​​de mange kulstofforbindelser. Kilde: Pexels.

De organiske forbindelser, hvormed biomaterialer er bygget, består praktisk talt af kulstofskeletter og heteroatomer. Disse kan ses med det blotte øje i træernes træ; og også når lynet rammer dem og steger dem. Det resterende inerte sorte faste stof har også kulstof; men det er trækul.

Der er således ”døde” manifestationer af dette element: trækul, et produkt af forbrænding i iltfattige miljøer; og mineralsk kul, et produkt af geologiske processer. Begge faste stoffer ser ens ud, de er sorte, og de brænder for at generere varme og energi; skønt med forskellige udbytter.

Fra dette tidspunkt er kulstof det 15. mest rigelige element i jordskorpen. Ikke underligt, når der produceres millioner af tons kul årligt. Disse mineraler adskiller sig i deres egenskaber afhængigt af graden af ​​urenheder, idet anthracit anbringes som mineralkul af højeste kvalitet.

Jordskorpen er ikke kun rig på mineralsk kul, men også på carbonater, især kalksten og dolomitter. Og med hensyn til universet er det det fjerde mest rigelige element; Jeg mener, der er mere kulstof derude på andre planeter.

Carbon historie

Retrospect

Kulstof kan være lige så gammelt som jordskorpen i sig selv. Siden umindelige tider har antikke civilisationer stødt på dette element i dets mange naturlige præsentationer: sod, trækul, trækul eller trækul, diamanter, grafit, koldjære, antracit osv.

Selvom de delte de mørke toner (med undtagelse af diamant), skilte de resterende af deres fysiske egenskaber såvel som deres sammensætning bemærkelsesværdigt fra hinanden. Dengang var det umuligt at hævde, at de i det væsentlige bestod af kulstofatomer.

Det var således, at gennem historien blev kul klassificeret efter dens kvalitet på tidspunktet for afbrænding og tilførsel af varme. Og med de gasser, der blev dannet ved dens forbrænding, blev vandmasser opvarmet, hvilket igen producerede dampe, der flyttede turbiner, der genererede elektriske strømme.

Kulstof på en uventet måde var til stede i trækul produceret ved at brænde træer i lukkede eller hermetiske rum; i den grafit, som blyanterne blev lavet med; i diamanter brugt som perler; han var ansvarlig for hårdheden af ​​stålet.

Dets historie går hånd i hånd med træ, kridt, bybelysningsgasser, tog og skibe, øl, smøremidler og andre vigtige genstande til fremme af menneskeheden.

Anerkendelse

På hvilket tidspunkt var videnskabsmænd i stand til at forbinde kulstofallotroper og mineraler med det samme element? Kul blev set som et mineral, og det blev ikke betragtet som et kemisk element værdigt for det periodiske system. Det første trin burde have været at vise, at alle disse faste stoffer blev omdannet til den samme gas: kuldioxid, CO ₂.

Antoine Lavoisier i 1772, ved hjælp af en træramme med store linser, fokuserede solens stråler på prøver af trækul og en diamant. Han fandt, at ingen af ​​dem dannede vanddamp, men CO ₂. Han gjorde det samme med soden og fik de samme resultater.

Carl Wilhelm Scheele i 1779 fandt det kemiske forhold mellem trækul og grafit; det vil sige, begge faste stoffer var sammensat af de samme atomer.

Smithson Tennant og William Hyde Wollaston i 1797 bekræftede metodisk (gennem reaktioner) metoden, at diamanten faktisk var sammensat af kulstof ved at fremstille CO ₂ i dens forbrænding.

Med disse resultater blev lys hurtigt kastet på grafit og diamant, faste stoffer dannet af kulstof, og derfor af høj renhed; i modsætning til urenheder i kul og andre kulstofholdige mineraler.

Ejendomme

De fysiske eller kemiske egenskaber, der findes i faste stoffer, mineraler eller kulstofholdige materialer er underlagt mange variabler. Blandt dem er: sammensætningen eller graden af ​​urenheder, hybridiseringerne af carbonatomer, mangfoldigheden af ​​strukturer og morfologien eller størrelsen af ​​porerne.

Når man beskriver egenskaberne ved kulstof, er de fleste tekster eller bibliografiske kilder baseret på grafit og diamant.

Hvorfor? Fordi de er de bedst kendte allotrope for dette element og repræsenterer faste stoffer eller materialer med høj renhed; det vil sige, at de praktisk taget er lavet af andet end kulstofatomer (selvom de har forskellige strukturer, som det vil blive forklaret i næste afsnit).

Egenskaberne ved kul og mineralskul er forskellige i henholdsvis deres oprindelse eller sammensætning. F.eks gennemsøger lignit (lavt kulstof) som brændstof sammenlignet med anthracit (højt kulstof). Og hvad med de andre allotropes: nanorør, fullerener, grafener, graffins osv.

Kemisk har de imidlertid et fælles punkt: De oxiderer med et overskud af ilt i CO ₂:

C + O ₂ => CO ₂

Nu er hastigheden eller temperaturen, de har brug for for at oxidere, specifikke for hver af disse allotroper.

Grafit vs diamant

Her vil der også blive lavet en kort kommentar om de meget forskellige egenskaber for disse to allotrope:

Tabel, hvor nogle egenskaber af de to krystallinske allotroper af kulstof sammenlignes. Kilde: Gabriel Bolívar.

Struktur og elektronisk konfiguration

hybridiseringer

Forholdet mellem hybrid orbitaler og mulige strukturer for kulstof. Kilde: Gabriel Bolívar.

Elektronkonfigurationen for carbonatomet er 1s ² 2s ² 2p ², også skrevet som 2s ² 2p ² (øverste billede). Denne repræsentation svarer til dens jordtilstand: carbonatomet isoleret og suspenderet i et sådant vakuum, at det ikke kan interagere med andre.

Det kan ses, at en af ​​dens 2p orbitaler mangler elektroner, som accepterer en elektron fra den lavere energi 2s orbital gennem elektronisk forfremmelse; og således, atomet erhverver evnen til at danne op til fire kovalente bindinger gennem sine fire sp ³ hybridorbitaler.

Bemærk, at alle fire sp ^3- orbitaler er degenereret af energi (justeret på samme niveau). Ren p orbitaler er mere energiske, hvorfor de er placeret over de andre hybrid orbitaler (til højre for billedet).

Hvis der er tre hybride orbitaler, skyldes det, at der er en uhybridiseret orbital tilbage; derfor er de tre sp ² orbitaler. Og når der er to af disse hybrid orbitaler, er to p orbitaler tilgængelige til at danne dobbelt- eller tredobbeltbindinger, dvs. hybridisering af sp-carbon.

Sådanne elektroniske aspekter er vigtige for at forstå, hvorfor kulstof kan findes i uendelighederne i allotropes.

Oxidationsnumre

Før man fortsætter med strukturerne, er det værd at nævne, at i betragtning af elektronkonfigurationen af ​​valens 2s ² 2p ², kan carbon have følgende oxidationsnumre: +4, +2, 0, -2 og -4.

Hvorfor? Disse tal svarer til antagelsen om, at der er en ionisk binding, så du danner ionerne med de respektive ladninger; det er, C ⁴⁺, C ²⁺, C ⁰ (neutral), C ^2- og C ^4-.

For at kulstof har et positivt oxidationsnummer, skal det miste elektroner; Og for at gøre det, skal det nødvendigvis være bundet til meget elektronegative atomer (som ilt).

I mellemtiden, for at carbon skal have et negativt oxidationsnummer, skal det få elektroner ved at binde til metalatomer eller mindre elektronegativt end det (såsom brint).

Det første oxidationsnummer, +4, betyder, at kulstoffet har mistet alle sine valenselektroner; 2s og 2p orbitals forbliver tomme. Hvis 2p-orbitalen mister sine to elektroner, vil carbonet have et oxidationsnummer på +2; hvis du får to elektroner, har du -2; og hvis du får yderligere to elektroner ved at udfylde din valenceoket, -4.

eksempler

For eksempel er CO ₂ for CO ₂ oxidationstallet +4 (fordi oxygen er mere elektronegativt); mens for CH ₄, er det -4 (fordi hydrogen er mindre elektronegative).

Til CH ₃ OH, oxidation antal carbon er -2 (+1 for H og -2 for O); mens HCOOH er +2 (kontroller, at summen giver 0).

Andre oxidationstilstande, såsom -3 og +3, er også sandsynlige, især når det kommer til organiske molekyler; for eksempel i methylgrupperne, -CH ₃.

Molekylære geometrier

Det øverste billede viste ikke kun hybridiseringen af ​​orbitalerne for carbonatomet, men også de resulterende molekylære geometrier, når flere atomer (sorte kugler) var knyttet til en central. Dette centrale atom for at have et specifikt geometrisk miljø i rummet, skal have den respektive kemiske hybridisering, der tillader det.

For eksempel har det centrale carbon for tetrahedronen sp ^3- hybridisering; fordi sådan er det mest stabile arrangement for de fire sp ³ hybrid orbitaler. I tilfælde af sp ² carbonatomer kan de danne dobbeltbindinger og have et trigonalt planmiljø; og derfor definerer disse trekanter en perfekt hexagon. Og for en sp-hybridisering vedtager kulstoferne en lineær geometri.

Geometrier, der er observeret i strukturerne i alle allotropes, styres således simpelthen af ​​tetrahedra (sp ³), hexagoner eller femkanter (sp ²) og linjer (sp).

Tetrahedra definerer en 3D-struktur, mens hexagoner, femkanter og linjer, 3D- eller 2D-strukturer; Sidstnævnte er flyene eller lagene, der ligner væggene i honningkagterne:

Væg med sekskantet design af en honningkage i analogi med fly sammensat af sp2 kulhydrater. Kilde: Pixabay.

Og hvis vi folder denne sekskantede væg (femkantet eller blandet), vil vi få et rør (nanorør) eller en kugle (fullerenes) eller en anden figur. Interaktionerne mellem disse tal giver anledning til forskellige morfologier.

Amorfe eller krystallinske faste stoffer

Når man overlader geometrier, hybridiseringer eller morfologier af de mulige kulstofstrukturer, kan dets faste stoffer globalt klassificeres i to typer: amorf eller krystallinsk. Og mellem disse to klassificeringer er deres allotrope fordelt.

Amorf kulstof er simpelthen en, der præsenterer en vilkårlig blanding af tetraedre, hexagoner eller linjer, der ikke er i stand til at etablere et strukturelt mønster; sådan er tilfældet med kul, trækul eller aktivt kul, koks, sod osv.

Mens det krystallinske kulstof består af strukturelle mønstre, der består af en af ​​de foreslåede geometrier; for eksempel diamant (tredimensionelt netværk af tetrahedra) og grafit (stablede hexagonale ark).

Indhentning

Carbon kan være rent som grafit eller diamant. Disse findes i deres respektive mineralogiske aflejringer, spredt over hele kloden og i forskellige lande. Derfor er nogle nationer mere eksportører af en af ​​disse mineraler end andre. Kort sagt, "du er nødt til at grave jorden" for at få kulstof.

Det samme gælder mineralsk kul og dens typer. Men dette er ikke tilfældet med trækul, da et organ, der er rig på kulstof, først skal "omkomme", enten under ild eller et elektrisk lyn; selvfølgelig, i fravær af ilt, ellers ville CO ₂ blive frigivet.

En hel skov er en kulstofkilde som trækul; ikke kun for dens træer, men også for dens fauna.

Generelt skal prøver, der indeholder kulstof, gennemgå pyrolyse (forbrænding i fravær af ilt) for at frigive nogle af urenhederne som gasser; og således forbliver et fast stof rig på kulstof (amorf eller krystallinsk) som en rest.

Applikationer

I lighed med egenskaberne og strukturen er anvendelserne eller anvendelserne i overensstemmelse med de allotrope eller mineralogiske former for kulstof. Der er dog visse generaliteter, der kan nævnes, ud over nogle velkendte punkter. Sådanne er:

-Carbon er blevet brugt i lang tid som et mineralreducerende middel til opnåelse af rene metaller; for eksempel jern, silicium og fosfor.

-Det er hjørnestenen i livet, og organisk kemi og biokemi er studierne af denne reflektion.

-Det har også været et fossilt brændstof, der gjorde det muligt for de første maskiner at starte deres gear. På samme måde opnåedes kulstofgas til de gamle belysningssystemer. Kul var synonymt med lys, varme og energi.

-Blandet som et tilsætningsstof med jern i forskellige proportioner muliggjorde opfindelsen og forbedring af stål.

-Dens sorte farve fandt sted i kunsten, især grafit og alle forfattere, der er foretaget med dets linier.

Risici og forholdsregler

Kulstof og dets faste stoffer udgør ingen sundhedsmæssig risiko. Hvem har bryet sig om en pose trækul? De sælges i mange mennesker inden for gangene på nogle markeder, og så længe der ikke er nogen brand i nærheden, brænder deres sorte blokke ikke.

Koks kan på den anden side udgøre en risiko, hvis svovlindholdet er højt. Når det brænder, frigiver det svovlgasser, der ud over at være giftige bidrager til sur nedbør. Og selvom CO ₂ i små mængder ikke kan kvæle os, har det en enorm indvirkning på miljøet som drivhusgas.

Ud fra dette perspektiv er kulstof en "langvarig" fare, da dens forbrænding ændrer vores planets klima.

Og i en mere fysisk forstand transporteres faste eller kulstofholdige materialer, hvis de pulveriseres, let med luftstrømme; og følgelig introduceres de direkte i lungerne, hvilket uopretteligt kan skade dem.

For resten er det meget almindeligt at forbruge "trækul", når der koges noget mad.

Referencer

1. Morrison, RT og Boyd, R, N. (1987). Organisk kemi. 5. udgave. Redaktionel Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjette udgave). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10. udgave.). Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Carbon, dets allotropes og strukturer. Gendannes fra: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Kul. Kemi forklaret. Gendannes fra: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (11. juli 2018). 10 Carbon Facts (Atomisk nummer 6 eller C). Gendannes fra: thoughtco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Hvad er kulstof? - Fakta & historielektion for børn. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
8. Foll. (Sf). Carbon historie. Gendannes fra: tf.uni-kiel.de