סיכום שיעור"Строение атома углерода. Валентные состояния атома углерода". Физические и химические свойства углерода!}

פחמן (מלטינית: carbo "פחם") הוא יסוד כימי בעל הסמל C ומספר אטומי 6. ארבעה אלקטרונים זמינים ליצירת קשרים כימיים קוולנטיים. החומר אינו מתכתי וארבע ערכי. שלושה איזוטופים של פחמן מתרחשים באופן טבעי, 12C ו-13C יציבים, ו-14C הוא איזוטופ רדיואקטיבי מתכלה עם זמן מחצית חיים של כ-5730 שנים. פחמן הוא אחד היסודות הבודדים הידועים מאז העת העתיקה. פחמן הוא היסוד ה-15 בשכיחותו בקרום כדור הארץ, והיסוד הרביעי בשכיחותו ביקום במסה אחרי מימן, הליום וחמצן. שפע הפחמן, המגוון הייחודי של התרכובות האורגניות שלו ושלו יכולת בלתי רגילהיצירת פולימרים בטמפרטורות הנפוצות על פני כדור הארץ מאפשרות ליסוד זה לשמש כיסוד משותף לכל צורות החיים המוכרות. זהו היסוד השני בשכיחותו בגוף האדם במסה (כ-18.5%) אחרי חמצן. אטומי פחמן יכולים להיקשר בדרכים שונות, תוך שהם נקראים אלוטרופים של פחמן. האלוטרופים הידועים ביותר הם גרפיט, יהלום ופחמן אמורפי. התכונות הפיזיקליות של פחמן משתנות מאוד בהתאם לצורה האלוטרופית. לדוגמה, הגרפיט הוא אטום ושחור, בעוד שהיהלום שקוף מאוד. הגרפיט רך מספיק כדי ליצור פס על הנייר (ומכאן שמו, מהפועל היווני "γράφειν" שפירושו "לכתוב"), בעוד שיהלום הוא החומר הקשה ביותר הידוע בטבע. גרפיט הוא מוליך חשמלי טוב, בעוד ליהלום יש מוליכות חשמלית נמוכה. בתנאים רגילים, ליהלום, לננו-צינורות פחמן ולגרפן יש את המוליכות התרמית הגבוהה ביותר מכל חומר מוכר. כל אלוטרופי הפחמן הם מוצקים בתנאים רגילים, כאשר גרפיט הוא הצורה היציבה ביותר מבחינה תרמודינמית. הם יציבים מבחינה כימית ודורשים טמפרטורות גבוהות כדי להגיב אפילו עם חמצן. מצב החמצון הנפוץ ביותר של פחמן בתרכובות אנאורגניות הוא +4, ו-+2 במתחמי קרבוקסיל של פחמן חד חמצני ומתכת מעבר. המקורות הגדולים ביותר של פחמן אי-אורגני הם אבני גיר, דולומיטים ופחמן דו חמצני, אך כמויות משמעותיות מגיעות ממרבצים אורגניים של פחם, כבול, נפט ומתאן. פחמן יוצר מספר עצום של תרכובות, יותר מכל יסוד אחר, עם כמעט עשרה מיליון תרכובות שתוארו עד היום, ובכל זאת מספר זה הוא רק חלק קטן מהמספר האפשרי תיאורטית בתנאים סטנדרטיים. מסיבה זו, פחמן מכונה לעתים קרובות "מלך היסודות".

מאפיינים

אלוטרופים של פחמן כוללים גרפיט, אחד החומרים הרכים ביותר הידועים, ויהלום, החומר הטבעי הקשה ביותר. פחמן נקשר בקלות לאטומים קטנים אחרים, כולל אטומי פחמן אחרים, ומסוגל ליצור קשרים קוולנטיים רבים יציבים עם אטומים רב ערכיים מתאימים. ידוע שפחמן יוצר כמעט עשרה מיליון תרכובות שונות, הרוב המכריע של כל התרכובות הכימיות. גם בפחמן יש הכי הרבה נקודה גבוההסובלימציה בין כל האלמנטים. בלחץ אטמוספרי, אין לו נקודת התכה שכן הנקודה המשולשת שלו היא 10.8 ± 0.2 MPa ו-4600 ± 300 K (~4330 מעלות צלזיוס או 7820 מעלות צלזיוס), כך שהוא עובר סובלימציה בערך 3900 K. גרפיט הוא הרבה יותר תגובתי מיהלום מתחת ליהלום תנאים סטנדרטיים על אף היותה יציבה יותר מבחינה תרמודינמית מכיוון שמערכת ה-Pi שה-Pi שהוצאה שלו פגיעה הרבה יותר להתקפה. לדוגמה, ניתן לחמצן גרפיט עם חומצה חנקתית מרוכזת חמה בתנאים סטנדרטיים לחומצה מליטית C6(CO2H)6, השומרת על יחידות המשושים של הגרפיט כאשר המבנה הגדול יותר נהרס. הפחמן עובר סובלימציה בקשת פחמן, שהיא בערך 5800 K (5,530 מעלות צלזיוס, 9,980 מעלות פרנהייט). לפיכך, ללא קשר לצורתו האלוטרופית, פחמן נשאר מוצק בטמפרטורות גבוהות יותר מנקודות ההיתוך הגבוהות ביותר כגון טונגסטן או רניום. למרות שפחמן נוטה לחמצון מבחינה תרמודינמית, הוא עמיד יותר בפני חמצון מאשר אלמנטים כמו ברזל ונחושת, שהם חומרים מפחיתים חלשים יותר בטמפרטורת החדר. פחמן הוא היסוד השישי עם תצורת האלקטרונים של מצב הקרקע 1s22s22p2, שמתוכו ארבעת האלקטרונים החיצוניים הם אלקטרוני ערכיות. ארבע אנרגיות היינון הראשונות שלו הן 1086.5, 2352.6, 4620.5 ו-6222.7 קילו ג'ל/מול, גבוה בהרבה מהיסודות הכבדים יותר מקבוצה 14. האלקטרושליליות של פחמן היא 2.5, שהיא גבוהה משמעותית מהיסודות הכבדים של קבוצה 14 (9),8-14. אבל קרוב לרוב הלא-מתכות השכנות, כמו גם לכמה מתכות מעבר של השורה השנייה והשלישית. הרדיוסים הקוולנטיים של פחמן נלקחים בדרך כלל כ-77.2 pm (C-C), 66.7 pm (C=C) ו-60.3 pm (C≡C), אם כי אלה יכולים להשתנות בהתאם למספר התיאום ולמה שהוא קשור לפחמן. באופן כללי, הרדיוס הקוולנטי יורד ככל שמספר הקואורדינציה יורד וסדר הקשר עולה. תרכובות פחמן מהוות את הבסיס לכל צורות החיים המוכרות על פני כדור הארץ, ומחזור הפחמן-חנקן מספק חלק מהאנרגיה שמשחררת השמש וכוכבים אחרים. למרות שפחמן יוצר מגוון יוצא דופן של תרכובות, רוב צורות הפחמן אינן תגובתיות יחסית בתנאים רגילים. בטמפרטורות ולחצים סטנדרטיים, הפחמן יעמוד בפני כל חומרי החמצון החזקים ביותר פרט לכך. זה לא מגיב עם חומצה גופרתית, חומצה הידרוכלורית, כלור או אלקליות. בְּ טמפרטורות גבוהות, פחמן מגיב עם חמצן ליצירת תחמוצות של פחמן ומסיר חמצן מתחמוצות מתכת, ומשאיר את המתכת היסודית. תגובה אקסותרמית זו משמשת בתעשיית הפלדה כדי להמיס ברזל ולשלוט בתכולת הפחמן של הפלדה:

    Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

עם גופרית ליצירת פחמן דיסולפיד ועם קיטור בתגובת הפחם-גז:

    C(s) + H2O(g) ← CO(g) + H2(g)

פחמן מתמזג עם כמה מתכות בטמפרטורות גבוהות ויוצר קרבידים ממתכת, כגון צמנטיט ברזל קרביד בפלדה וטונגסטן קרביד, בשימוש נרחב כחומר שוחקים ולהכנת קצוות קשים לכלי חיתוך. מערכת אלוטרופי הפחמן מכסה מספר קצוות:

סוגים מסוימים של גרפיט משמשים לבידוד תרמי (כגון מחסומי אש ומגני חום), אבל כמה צורות אחרות הן מוליכים תרמיים טובים. יהלום הוא המוליך התרמי הטבעי הידוע ביותר. הגרפיט הוא אטום. יהלום מאוד שקוף. גרפיט מתגבש במערכת המשושה. יהלום מתגבש במערכת הקובית. פחמן אמורפי הוא איזוטרופי לחלוטין. ננו-צינורות פחמן הם בין החומרים האניזוטרופיים הידועים ביותר.

אלוטרופים של פחמן

פחמן אטומי הוא מין קצר חיים ולכן הפחמן מיוצב במבנים פוליאטומיים שונים בעלי תצורות מולקולריות שונות הנקראות אלוטרופים. שלושת האלוטרופים הידועים יחסית של פחמן הם פחמן אמורפי, גרפיט ויהלום. בעבר נחשבו לאקזוטיים, פולרנים מסונתזים כיום ומשמשים במחקר; הם כוללים כדורי בקי, ננו-צינורות פחמן, ננו-נקודות פחמן וננו-סיביים. התגלו גם כמה אלוטרופים אקזוטיים אחרים, כמו לונסלטיט, פחמן זגוגי, פחמן ננופאום ופחמן אצטילני ליניארי (קרבין). נכון לשנת 2009, הגרפן נחשב לחומר החזק ביותר שנבדק אי פעם. תהליך ההפרדה שלו מהגרפיט ידרוש התפתחות טכנולוגית נוספת לפני שהוא יהפוך לחסכוני לתהליכים תעשייתיים. אם יצליח, ניתן להשתמש בגרפן לבניית מעליות חלל. זה יכול לשמש גם לאחסון מימן בבטחה לשימוש בכלי רכב מבוססי מימן בכלי רכב. הצורה האמורפית היא קבוצה של אטומי פחמן במצב לא גבישי, לא סדיר, זכוכיתי, ואינו כלול במבנה מאקרו גבישי. הוא קיים בצורת אבקה והוא המרכיב העיקרי של חומרים כגון פחם, פיח מנורה (פיח) ו פחמן פעיל. בלחצים נורמליים, לפחמן יש צורה של גרפיט, שבו כל אטום קשור בצורה טריגונית על ידי שלושה אטומים אחרים במישור המורכב מטבעות משושה מתמזגות, כמו בפחמימנים ארומטיים. הרשת המתקבלת היא דו מימדית והיריעות השטוחות המתקבלות מקופלות ומחוברות בחופשיות באמצעות כוחות ואן דר ואלס חלשים. זה נותן לגרפיט את תכונות הרכות והפיצול שלו (גליונות מחליקים בקלות אחד על השני). עקב דה-לוקליזציה של אחד האלקטרונים החיצוניים של כל אטום ליצירת ענן π, גרפיט מוליך חשמל, אך רק במישור של כל יריעה קשורה קוולנטית. זה מביא למוליכות חשמלית נמוכה יותר עבור פחמן מאשר עבור רוב המתכות. דה-לוקליזציה מסבירה גם את היציבות האנרגטית של גרפיט על פני יהלום בטמפרטורת החדר. בלחצים גבוהים מאוד, פחמן יוצר אלוטרופ קומפקטי יותר, יהלום, שצפיפותו של גרפיט כמעט כפולה. כאן, כל אטום מחובר טטרהדרלית לארבעה אחרים, ויוצרים רשת תלת מימדית של טבעות אטומים מקומטות עם שישה איברים. ליהלום יש מבנה מעוקב זהה לסיליקון ולגרמניום, ובגלל החוזק של קשרי הפחמן-פחמן שלו, זהו החומר הטבעי הקשה ביותר כפי שנמדד על ידי עמידות בפני שריטות. בניגוד לדעה הרווחת ש"יהלומים הם לנצח", הם אינם יציבים מבחינה תרמודינמית בתנאים רגילים והופכים לגרפיט. בשל מחסום אנרגיית ההפעלה הגבוהה, המעבר לצורת הגרפיט הוא כל כך איטי טמפרטורה רגילה שהוא בלתי נראה. בתנאים מסוימים, פחמן מתגבש כלונסלייט, סריג קריסטל משושה עם כל האטומים קשורים קוולנטית ותכונות דומות לאלו של יהלום. פולרנים הם יצירה גבישית סינתטית בעלת מבנה דמוי גרפיט, אך במקום משושים, פולרנים מורכבים מחומשים (או אפילו מחומשים) של אטומי פחמן. האטומים החסרים (או הנוספים) מעוותים את היריעות לכדורים, אליפסות או גלילים. המאפיינים של פולרנים (מחולקים לכדורי בקי, צינורות בוקי וננובאדים) עדיין לא נותחו במלואם ומייצגים תחום אינטנסיבי של מחקר ננו-חומרים. השמות "פולרן" ו-"באקיבול" קשורים בשמו של ריצ'רד באקמינסטר פולר, שפרסם כיפות גאודזיות הדומות למבנה של פולרנים. כדורי בקי הם מולקולות גדולות למדי שנוצרות כולה מקשרי פחמן בצורה טריגונית, ויוצרות כדוריות (המפורסם והפשוט ביותר הוא C60 baksinisterfellerene בצורת כדור כדורגל). ננו-צינוריות פחמן דומות מבחינה מבנית לכדורי בקי, פרט לכך שכל אטום קשור בצורה טריגונית ביריעה מעוקלת היוצרת גליל חלול. ננובאדים הוצגו לראשונה ב-2007 והם חומרים היברידיים (כדורי בקי קשורים באופן קוולנטי לדופן החיצונית של ננו-צינור) המשלבים את התכונות של שניהם במבנה אחד. מבין שאר האלוטרופים שהתגלו, ננו-קצף פחמן הוא אלוטרופ פרומגנטי שהתגלה ב-1997. הוא מורכב ממכלול מקובץ של אטומי פחמן בצפיפות נמוכה המחוברים זה לזה ברשת תלת-ממדית רופפת שבה האטומים מקושרים טריגונלית בטבעות שישה ושבעה איברים. הוא בין המוצקים הקלים ביותר בצפיפות של כ-2 ק"ג/מ"ק. באופן דומה, פחמן זגוגי מכיל חלק גבוה של נקבוביות סגורה, אך בניגוד לגרפיט רגיל, שכבות הגרפיט אינן מוערמות כמו דפים בספר, אלא מסודרות באופן אקראי יותר. לפחמן אצטילני ליניארי יש את המבנה הכימי - (C:::C) n-. הפחמן בשינוי זה הוא ליניארי עם הכלאה מסלולית sp והוא פולימר עם קשרים בודדים ומשולשים לסירוגין. קרבינה זו מעוררת עניין משמעותי עבור הננוטכנולוגיה מכיוון שהמודלוס של יאנג שלה גדול פי ארבעים מזה של החומר הקשה ביותר, יהלום. בשנת 2015, צוות מאוניברסיטת צפון קרוליינה הכריז על פיתוח אלוטרופ נוסף, שאותו הם כינו Q-carbon, שנוצר על ידי דופק לייזר בעל משך נמוך ובעל אנרגיה גבוהה על אבק פחמן אמורפי. מדווחים כי Q-carbon מפגין פרומגנטיות, פלואורסצנטיות ויש לו קשיות עדיפה על יהלומים.

שְׁכִיחוּת

פחמן הוא היסוד הכימי הרביעי בשכיחותו ביקום במסה אחרי מימן, הליום וחמצן. פחמן נמצא בשפע בשמש, בכוכבים, בשביטים ובאטמוספרות של רוב כוכבי הלכת. חלק מהמטאוריטים מכילים יהלומים מיקרוסקופיים שנוצרו כאשר מערכת השמש עדיין הייתה דיסק פרוטו-פלנטרי. יהלומים מיקרוסקופיים יכולים להיווצר גם בלחץ עז ובטמפרטורה גבוהה באתרי פגיעת מטאוריטים. בשנת 2014, נאס"א הכריזה על מסד נתונים מעודכן למעקב אחר פחמימנים ארומטיים פוליציקליים (PAH) ביקום. יותר מ-20% מהפחמן ביקום יכולים להיות קשורים ל-PAH, תרכובות מורכבות של פחמן ומימן ללא חמצן. תרכובות אלו מופיעות בהשערת ה-PAH העולמית, שם יש להן ככל הנראה תפקיד באביוגנזה ויצירת חיים. נראה ש-PAH נוצרו "כמה מיליארדי שנים" לאחר המפץ הגדול, הם נפוצים ביקום וקשורים לכוכבים וכוכבי לכת חדשים. המעטפת הקשה של כדור הארץ מכילה 730 ppm של פחמן בסך הכל, עם 2000 ppm בליבה ו-120 ppm במעטפת והקרום המשולבים. מכיוון שמסת כדור הארץ היא 5.9 x 72 x 1024 ק"ג, המשמעות היא 4360 מיליון ג'יגה-טון של פחמן. זה הרבה יותר מכמות הפחמן באוקיינוסים או באטמוספירה (למטה). בשילוב עם חמצן בפחמן דו חמצני, פחמן נמצא באטמוספירה של כדור הארץ (כ-810 ג'יגהטון פחמן) ומומס בכל גופי המים (כ-36,000 ג'יגהטון פחמן). יש בערך 1900 ג'יגהטון של פחמן בביוספרה. פחמימנים (כגון פחם, נפט וגז טבעי) מכילים גם פחמן. "עתודות" פחם (ולא "משאבים") הן כ-900 ג'יגהטון עם משאבים של אולי 18,000 Gt. עתודות הנפט הן כ-150 ג'יגהטון. מקורות מוכחים של גז טבעי הם כ-175,1012 מטר מעוקב (המכיל כ-105 ג'יגהטון פחמן), אולם מחקרים מעריכים עוד 900,1012 מטר מעוקב של מרבצים "לא שגרתיים" כמו גז פצלי, שהם כ-540 גיגהטון פחמן. פחמן נמצא גם בהידרטים של מתאן באזורי הקוטב ומתחת לים. לפי הערכות שונות, כמות הפחמן הזה היא 500, 2500 Gt או 3000 Gt. בעבר כמות הפחמימנים הייתה גדולה יותר. לפי מקור אחד, בין השנים 1751 ל-2008, כ-347 ג'יגהטון של פחמן שוחררו לאטמוספירה כפחמן דו חמצני לאטמוספירה משריפת דלקים מאובנים. מקור אחר מוסיף את הכמות שנוספה לאטמוספירה בין 1750 ל-879 Gt, ו סה"כבאטמוספרה, בים וביבשה (לדוגמה, ביצות כבול) הוא כמעט 2000 Gt. פחמן הוא מרכיב (12% במסה) של מסות גדולות מאוד של סלעי קרבונט (אבן גיר, דולומיט, שיש וכו'). פחם מכיל כמות גבוהה מאוד של פחמן (אנטרציט מכיל 92-98% פחמן) והוא המקור המסחרי הגדול ביותר לפחמן מינרלי, המהווה 4,000 ג'יגהטון או 80% מהדלקים המאובנים. במונחים של אלוטרופי פחמן בודדים, גרפיט נמצא בכמויות גדולות בארצות הברית (בעיקר ניו יורק וטקסס), רוסיה, מקסיקו, גרינלנד והודו. יהלומים טבעיים נמצאים בסלע קימברליט הכלול ב"צווארים" או "צינורות" געשיים עתיקים. רוב מרבצי היהלומים נמצאים באפריקה, במיוחד בדרום אפריקה, נמיביה, בוצואנה, הרפובליקה של קונגו וסיירה לאון. מרבצי יהלומים נמצאו גם בארקנסו, קנדה, אזור הארקטי הרוסי, ברזיל, וצפון ומערב אוסטרליה. כעת מוצאים יהלומים גם מקרקעית האוקיינוס ​​בכף התקווה הטובה. יהלומים מתרחשים באופן טבעי, אך כ-30% מכלל היהלומים התעשייתיים המשמשים בארה"ב מיוצרים כעת. פחמן-14 נוצר בטרופוספירה העליונה ובסטרטוספירה בגבהים של 9-15 ק"מ בתגובה המושקעת על ידי קרניים קוסמיות. נוצרים נויטרונים תרמיים שמתנגשים עם גרעיני חנקן-14 ויוצרים פחמן-14 ופרוטון. לפיכך, 1.2 × 1010% מהפחמן הדו-חמצני באטמוספירה מכיל פחמן-14. אסטרואידים עשירים בפחמן דומיננטיים יחסית בחלקים החיצוניים של חגורת האסטרואידים במערכת השמש שלנו. אסטרואידים אלה עדיין לא נחקרו ישירות על ידי מדענים. ניתן להשתמש באסטרואידים בכריית פחם היפותטית מבוססת חלל, שאולי תתאפשר בעתיד אך היא בלתי אפשרית טכנולוגית כרגע.

איזוטופים של פחמן

איזוטופים של פחמן הם גרעיני אטום המכילים שישה פרוטונים בתוספת מספר נויטרונים (מ-2 עד 16). לפחמן שני איזוטופים יציבים טבעיים. האיזוטופ פחמן-12 (12C) יוצר 98.93% מהפחמן על פני כדור הארץ, ופחמן-13 (13C) יוצר את 1.07% הנותרים. הריכוז של 12C עולה עוד יותר ב חומרים ביולוגיים, כי תגובות ביוכימיות מפלות את 13C. בשנת 1961, האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית (IUPAC) אימץ את הפחמן-12 האיזוטופי כבסיס למשקלים אטומיים. זיהוי פחמן בניסויים עם תהודה מגנטית גרעינית (NMR) מתבצע עם איזוטופ 13C. פחמן-14 (14C) הוא רדיואיזוטופ טבעי שנוצר באטמוספרה העליונה (סטרטוספרה תחתונה וטרופוספירה עליונה) על ידי אינטראקציה של חנקן עם קרניים קוסמיות. הוא נמצא בכמויות עקבות על פני כדור הארץ עד 1 חלק לטריליון (0.0000000001%), בעיקר באטמוספרה ובמשקעי פני השטח, במיוחד כבול וחומרים אורגניים אחרים. איזוטופ זה מתפרק במהלך פליטת β של 0.158 MeV. בשל זמן מחצית החיים הקצר יחסית של 5730 שנים, 14C כמעט נעדר מסלעים עתיקים. באטמוספרה ובאורגניזמים חיים, כמות 14C כמעט קבועה, אך פוחתת באורגניזמים לאחר המוות. עיקרון זה משמש בתיארוך פחמן רדיואקטיבי, שהומצא בשנת 1949, אשר נעשה בו שימוש נרחב להתיישן חומרים פחמניים עד גיל 40,000 שנה. ידועים 15 איזוטופים של פחמן ואורך החיים הקצר ביותר ביניהם הוא 8C, שמתפרק על ידי פליטת פרוטונים והתפרקות אלפא ויש לו זמן מחצית חיים של 1.98739 × 10-21 שניות. אקזוטי 19C מציג הילה גרעינית, כלומר הרדיוס שלו גדול משמעותית ממה שהיה צפוי אם הגרעין היה כדור בעל צפיפות קבועה.

חינוך בכוכבים

היווצרות של גרעין פחמן אטומי מחייבת התנגשות משולשת כמעט בו-זמנית של חלקיקי אלפא (גרעיני הליום) בתוך הליבה של כוכב ענק או ענק, הידוע כתהליך אלפא המשולש, שכן תוצרים של תגובות היתוך גרעיני נוספות של הליום עם מימן או גרעין הליום אחר מייצרים ליתיום-5 ובריליום -8 בהתאמה, שניהם מאוד לא יציבים ומתפרקים כמעט מיד בחזרה לגרעינים קטנים יותר. זה מתרחש בטמפרטורות של מעל 100 מגה-קלווין וריכוזי הליום, שאינם מקובלים בתנאי ההתפשטות וההתקררות המהירה של היקום המוקדם, ולכן לא נוצרו כמויות משמעותיות של פחמן במהלך המפץ הגדול. על פי התיאוריה המודרנית של קוסמולוגיה פיזיקלית, פחמן נוצר בתוך כוכבים בענף אופקי על ידי התנגשות והתמרה של שלושה גרעיני הליום. כאשר הכוכבים הללו מתים בסופרנובה, הפחמן מתפזר לחלל כאבק. אבק זה הופך לחומר המרכיב להיווצרותן של מערכות כוכבים מהדור השני או השלישי עם כוכבי לכת שהצטברו. מערכת השמשהיא מערכת כוכבים כזו עם שפע של פחמן, המאפשרת את קיומם של חיים כפי שאנו מכירים אותם. מחזור ה-CNO הוא מנגנון היתוך נוסף המניע כוכבים שבהם הפחמן משמש כזרז. מעברים סיבוביים של צורות איזוטופיות שונות של פחמן חד חמצני (לדוגמה, 12CO, 13CO ו-18CO) מתגלים בטווח אורכי גל תת-מילימטרים ומשמשים לחקר כוכבים חדשים שנוצרים בעננים מולקולריים.

מחזור הפחמן

בתנאים יבשתיים, המרת יסוד אחד למשנהו היא תופעה נדירה ביותר. לכן, כמות הפחמן בכדור הארץ קבועה למעשה. לפיכך, בתהליכים המשתמשים בפחמן, יש להשיג אותו ממקום כלשהו ולהיפטר ממקום אחר. מסלולי הפחמן בסביבה יוצרים את מחזור הפחמן. לדוגמה, צמחים פוטוסינתטיים מחלצים פחמן דו חמצני מהאטמוספירה (או מי הים) ובונים אותו לביומסה, כמו במחזור קלווין, תהליך קיבוע הפחמן. חלק מהביומסה הזו נאכלת על ידי בעלי חיים, בעוד שחלק מהפחמן נשוף על ידי בעלי חיים כפחמן דו חמצני. מחזור הפחמן מורכב הרבה יותר מהמחזור הקצר הזה; למשל, חלק מהפחמן הדו חמצני מומס באוקיינוסים; אם חיידקים לא סופגים אותו, חומר צמחי או בעלי חיים מתים יכולים להפוך לנפט או פחם, המשחררים פחמן בעת ​​שריפה.

תרכובות פחמן

פחמן יכול ליצור שרשראות ארוכות מאוד של קשרי פחמן-פחמן שלובים זה בזה, תכונה הנקראת היווצרות שרשרת. קשרי פחמן-פחמן יציבים. באמצעות קטנציה (יצירת שרשראות), פחמן יוצר מספר אינספור של תרכובות. הערכה של תרכובות ייחודיות מראה שיותר מהן מכילות פחמן. ניתן לומר אמירה דומה לגבי מימן מכיוון שרוב התרכובות האורגניות מכילות גם מימן. הצורה הפשוטה ביותר של מולקולה אורגנית היא הפחמימן, משפחה גדולה של מולקולות אורגניות המורכבות מאטומי מימן הקשורים לשרשרת של אטומי פחמן. אורך השרשרת, שרשראות צד וקבוצות תפקודיות משפיעים על התכונות של מולקולות אורגניות. פחמן נמצא בכל צורה של חיים אורגניים ידועים והוא הבסיס לכימיה אורגנית. בשילוב עם מימן, פחמן יוצר פחמימנים שונים החשובים לתעשייה כחומרי קירור, חומרי סיכה, ממסים, כחומרי הזנה כימיים לייצור פלסטיק ומוצרי נפט וכדלקים מאובנים. בשילוב עם חמצן ומימן, פחמן יכול ליצור קבוצות רבות של תרכובות ביולוגיות חשובות, כולל סוכרים, ליגנים, כיטינים, אלכוהולים, שומנים ואסטרים ארומטיים, קרוטנואידים וטרפנים. עם חנקן, פחמן יוצר אלקלואידים, ובתוספת של גופרית הוא יוצר גם אנטיביוטיקה, חומצות אמינו ומוצרי גומי. עם תוספת של זרחן ליסודות האחרים הללו, הוא יוצר DNA ו-RNA, נושאי הקוד הכימי של החיים, ואדנוזין טריפוספט (ATP), מולקולת הובלת האנרגיה החשובה ביותר בכל התאים החיים.

תרכובות אנאורגניות

בדרך כלל, תרכובות המכילות פחמן הקשורות למינרלים או שאינן מכילות מימן או פלואור מטופלות בנפרד מתרכובות אורגניות קלאסיות; הגדרה זו אינה נוקשה. ביניהם תחמוצות פשוטות של פחמן. התחמוצת הידועה ביותר היא פחמן דו חמצני (CO2). פעם מרכיב עיקרי באטמוספירה הפליאוטרית, עניין זה הוא היום מרכיב מינורי באטמוספירה של כדור הארץ. כאשר הוא מומס במים, חומר זה יוצר חומצה פחמנית (H2CO3), אך, כמו רוב התרכובות עם מספר חמצן בקשר יחיד על פחמן אחד, הוא אינו יציב. עם זאת, יוני קרבונט מיוצבים מהדהוד נוצרים דרך תוצר ביניים זה. כמה מינרלים חשובים הם קרבונטים, במיוחד קלציטים. פחמן דיסולפיד (CS2) דומה. תחמוצת נפוצה נוספת היא פחמן חד חמצני (CO). הוא נוצר בזמן בעירה לא מלאה והוא גז חסר צבע וריח. כל מולקולה מכילה קשר משולש והיא קוטבית למדי, מה שמביא לכך שהיא נקשרת כל הזמן למולקולות המוגלובין, תוך עקירת חמצן, שיש לו זיקת קישור נמוכה יותר. לציאניד (CN-) מבנה דומה אך מתנהג כמו יון הליד (פסאודוהלוגן). לדוגמה, הוא יכול ליצור מולקולת ציאנוגן ניטריד (CN) 2 הדומה להלידים דואטומיים. תחמוצות חריגות אחרות הן תת-חמצן פחמן (C3O2), פחמן חד-חמצני לא יציב (C2O), פחמן תלת-חמצני (CO3), ציקלופנטן פפטון (C5O5), cyclohexanehexone (C6O6) ו-anhydride מליטי (C12O9). עם מתכות תגובתיות כמו טונגסטן, פחמן יוצר קרבידים (C4-) או אצטילידים (C2-2) ליצירת סגסוגות בעלות נקודות התכה גבוהות. אניונים אלו קשורים גם למתאן ואצטילן, שניהם חומצות חלשות מאוד. באלקטרושליליות של 2.5, פחמן מעדיף ליצור קשרים קוולנטיים. מספר קרבידים הם סריג קוולנטי, כגון קרבורונדום (SiC), הדומה ליהלום. עם זאת, אפילו הקרבידים הקוטביים והדומים למלח אינם תרכובות יוניות לחלוטין.

תרכובות אורגנו-מתכתיות

תרכובות אורגנו-מתכתיות, בהגדרה, מכילות לפחות קשר פחמן-מתכת אחד. יש מגוון רחב של תרכובות כאלה; המחלקות העיקריות כוללות תרכובות אלקיל-מתכת פשוטות (למשל טטראתיל אליד), תרכובות η2-אלקן (למשל מלח Zeise) ותרכובות η3-אליליות (למשל דימר אליפלדיום כלוריד); מטלוקנים המכילים ליגנדים מסוג cyclopentadienyl (למשל ferrocene); ומתחמי קרבונים של מתכות מעבר. ישנם קרבונילים מתכת רבים (לדוגמה, ניקל טטרקרבוניל); חלק מהעובדים מאמינים שהליגנד חד-חמצני הפחמן הוא תרכובת אנאורגנית גרידא, לא אורגנו-מתכתית. בעוד שחושבים שפחמן יוצר באופן בלעדי ארבעה קשרים, דווח על תרכובת מעניינת המכילה אטום פחמן hexahedral אוקטהדראלי. הקטיון של תרכובת זו הוא 2+. תופעה זו מוסברת על ידי האורופיליות של ליגני זהב. בשנת 2016, אושר כי הקסמתיל-בנזן מכיל אטום פחמן עם שישה קשרים ולא ארבעה הרגילים.

היסטוריה ואטימולוגיה

השם האנגלי carbon (carbon) מקורו במילה הלטינית carbo, כלומר "פחם" ו"פחם", ומכאן המילה הצרפתית charbon, שפירושה "פחם". השמות הגרמניים, ההולנדיים והדניים לפחמן הם Kohlenstoff, koolstof ו-kulstof, בהתאמה, כולם פירושם המילולי חומר פחם. פחמן התגלה בתקופה הפרהיסטורית והיה ידוע בצורות של פיח ופחם בתרבויות האנושיות הקדומות ביותר. יהלומים היו ידועים כנראה כבר בשנת 2500 לפני הספירה. בסין, ופחמן בצורת פחם נוצר בימי הרומאים באותה כימיה כמו היום, על ידי חימום עץ בפירמידה מכוסה בחימר כדי להוציא אוויר. בשנת 1722, רנה אנטואן פרה דה רמור הדגים כי ברזל הופך לפלדה באמצעות ספיגה של חומר כלשהו הידוע כיום כפחמן. בשנת 1772, אנטואן לבואזיה הראה שיהלומים הם סוג של פחמן; כאשר הוא שרף דגימות של פחם ויהלום ומצא שאף אחד מהם לא יצר מים, וששני החומרים משחררים כמות שווה של פחמן דו חמצני לגרם. בשנת 1779, קרל וילהלם שילה הראה שגרפיט, שנחשב כצורה של עופרת, זהה במקום זאת לפחם אך עם כמות קטנה של ברזל, וכי הוא מייצר "חומצת אוויר" (שהיא פחמן דו חמצני) כאשר מתחמצן עם חומצה חנקתית. . בשנת 1786, המדענים הצרפתים קלוד לואיס ברטולט, גאספרד מונגה ו-C.A. Vandermonde אישרו שגרפיט הוא בעצם פחמן, על ידי חמצונו בחמצן כמעט באותה צורה שבה עשה לבואזיה עם יהלום. שוב נשאר מעט ברזל, שלפי מדענים צרפתים היה הכרחי למבנה הגרפיט. בפרסומם הציעו את השם קרבון (בלטינית עבור קרבונום) ליסוד בגרפיט שהשתחרר כגז בעת שריפת הגרפיט. אנטואן לבואזיה רשם אז פחמן כיסוד בספר הלימוד שלו משנת 1789. אלוטרופ חדש של פחמן, פולרן, שהתגלה ב-1985, כולל צורות בעלות ננו-מבנה כמו כדורי בקי וננו-צינורות. המגלים שלהם - רוברט קורל, הרולד קרוטו וריצ'רד סמלי - קיבלו פרס נובלבכימיה ב-1996. העניין המחודש שנוצר בצורות חדשות מוביל לגילוי אלוטרופים אקזוטיים נוספים, כולל פחמן זגוגי, ולהכרה ש"פחמן אמורפי" אינו אמורפי למהדרין.

הפקה

גרָפִיט

מרבצי גרפיט טבעיים בעלי קיימא מסחרית מתרחשים בחלקים רבים של העולם, אך המקורות החשובים ביותר מבחינה כלכלית נמצאים בסין, הודו, ברזיל וצפון קוריאה. משקעי גרפיט הינם מטמורפיים במקורם, מצויים בשילוב עם קוורץ, נציץ וספדי שדה בצללים, גנייס, ואבני חול ואבני גיר שעברו צורה בצורת עדשות או ורידים, לפעמים בעובי של כמה מטרים או יותר. מלאי גרפיט בבורודייל, קמברלנד, אנגליה היו בתחילת הדרך בגודל ובטוהר מספיקים שעד המאה ה-19 עפרונות נוצרו פשוט על ידי ניסור בלוקים של גרפיט טבעי לרצועות לפני הדבקת הרצועות לעץ. כיום, מרבצי גרפיט קטנים יותר מתקבלים על ידי ריסוק סלע האם והצפת הגרפיט הקל יותר על פני המים. ישנם שלושה סוגים של גרפיט טבעי - אמורפי, פתית או גבישי. גרפיט אמורפי הוא באיכות הנמוכה ביותר והוא הנפוץ ביותר. בניגוד למדע, בתעשייה "אמורפי" מתייחס לגודל גביש קטן מאוד ולא לחוסר מוחלט של מבנה גבישי. המילה "אמורפי" משמשת להתייחסות למוצרים בעלי כמות נמוכה של גרפיט והיא הגרפיט הזול ביותר. מרבצים גדולים של גרפיט אמורפי נמצאים בסין, אירופה, מקסיקו וארה"ב. גרפיט מישורי פחות נפוץ ואיכותי יותר מאמורפי; זה נראה כמו לוחות נפרדים שמתגבשים בסלעים מטמורפיים. המחיר של גרפיט גרגירי יכול להיות פי ארבעה מהמחיר האמורפי. פתית גרפיט איכות טובהניתן לעיבוד לגרפיט הניתן להרחבה עבור יישומים רבים כגון מעכבי אש. מרבצי גרפיט ראשוניים נמצאים באוסטריה, ברזיל, קנדה, סין, גרמניה ומדגסקר. גרפיט נוזלי או גוש הוא הסוג הנדיר, היקר והאיכותי ביותר של גרפיט טבעי. הוא נמצא בוורידים לאורך מגעים חודרניים בגושים קשים ונכרה מסחרית רק בסרי לנקה. לפי ה-USGS, הייצור העולמי של גרפיט טבעי בשנת 2010 היה 1.1 מיליון טון, כאשר סין ייצרה 800,000 טון, הודו 130,000 טון, ברזיל 76,000 טון, צפון קוריאה 30,000 טון, וקנדה, 25,000 טון. ללא גרפיט טבעי. מדינות, אבל 118,000 טונות של גרפיט סינטטי נכרו ב-2009 בעלות מוערכת של 998 מיליון דולר.

יהלום

אספקת היהלומים נשלטת על ידי מספר מצומצם של עסקים והוא גם מרוכז מאוד במספר קטן של מיקומים ברחבי העולם. רק חלק קטן מאוד של עפרות יהלומים מורכב מיהלומים אמיתיים. העפרה נכתשת, במהלכה יש להקפיד על מניעת הרס של יהלומים גדולים בתהליך זה, ולאחר מכן ממוינים החלקיקים לפי צפיפות. כיום כורים יהלומים בשבר העשיר ביהלומים באמצעות הקרנת רנטגן, ולאחר מכן מתבצעים שלבי המיון הסופיים באופן ידני. לפני הפצת השימוש בקרני רנטגן בוצעה ההפרדה באמצעות סרטי סיכה; ידוע שיהלומים נמצאו רק במרבצי סחף בדרום הודו. ידוע שיהלומים נוטים להיצמד למסה יותר מאשר מינרלים אחרים בעפרה. הודו הייתה המובילה בייצור יהלומים מאז גילוים בסביבות המאה ה-9 לפנה"ס ועד אמצע המאה ה-18 לספירה, אך הפוטנציאל המסחרי של מקורות אלו מוצה עד סוף המאה ה-18, אז הודו הוצפה על ידי ברזיל, שם נמצאו היהלומים הראשונים בשנת 1725. ייצור יהלומים של מרבצים ראשוניים (קימברליטים ולמפרוטים) החל רק בשנות ה-70 של המאה ה-19, לאחר גילוי מרבצי יהלומים בדרום אפריקה. ייצור היהלומים גדל עם הזמן, עם רק 4.5 מיליארד קראט שנצברו מאז אותו תאריך. כ-20% מכמות זו נכרה רק ב-5 השנים האחרונות, ובמהלך עשר השנים האחרונות החלו בייצור 9 מרבצים חדשים ועוד 4 ממתינים להתגלות בקרוב. רוב המרבצים הללו נמצאים בקנדה, זימבבואה, אנגולה ואחד ברוסיה. בארצות הברית התגלו יהלומים בארקנסו, קולורדו ומונטנה. בשנת 2004, גילוי מדהים של יהלום מיקרוסקופי בארצות הברית הוביל לשחרור בינואר 2008 של דגימה המונית של צינורות קימברליט בחלק מרוחק של מונטנה. כיום, רוב מרבצי היהלומים הבריאים מבחינה מסחרית נמצאים ברוסיה, בוצואנה, אוסטרליה והרפובליקה הדמוקרטית של קונגו. בשנת 2005 ייצרה רוסיה כמעט חמישית מאספקת היהלומים בעולם, על פי המכון הגיאולוגי הבריטי. באוסטרליה, הצינור היהלום העשיר ביותר הגיע לרמות ייצור שיא של 42 טון (41 טון, 46 טון קצרים) בשנה בשנות ה-90. ישנם גם מרבצים מסחריים, הנכרים באופן פעיל בטריטוריות הצפון-מערביות של קנדה, סיביר (בעיקר ביקוטיה, למשל, בצינור מיר ובצינור אודצ'ניה), בברזיל, כמו גם בצפון ובמערב אוסטרליה.

יישומים

פחמן חיוני לכל מערכות החיים המוכרות. בלעדיו, החיים כפי שאנו מכירים אותם אינם יכולים להתקיים. השימושים הכלכליים העיקריים של פחמן מלבד מזון ועץ הם פחמימנים, בעיקר דלקים מאובנים גז מתאן ונפט גולמי. נפט גולמי מעובד על ידי בתי זיקוק לייצור בנזין, נפט ומוצרים אחרים. תאית הוא פולימר המכיל פחמן טבעי המיוצר על ידי צמחים בצורה של עץ, כותנה, פשתן וקנבוס. תאית משמשת בעיקר לשמירה על מבנה הצמחים. פולימרי פחמן בעלי ערך מסחרי על בסיס בעלי חיים כוללים צמר, קשמיר ומשי. פלסטיק עשוי מפולימרי פחמן סינתטיים, לרוב עם אטומי חמצן וחנקן המשולבים במרווחים קבועים בעמוד השדרה של הפולימר. חומר הגלם עבור רבים מהחומרים הסינתטיים הללו מגיע מנפט גולמי. השימוש בפחמן ובתרכובותיו מגוון ביותר. פחמן יכול ליצור סגסוגות עם ברזל, שהנפוץ שבהם הוא פלדת פחמן. גרפיט משתלב עם חימר ויוצר את ה"עופרת" המשמשת בעפרונות המשמשים לכתיבה ולציור. הוא משמש גם כחומר סיכה ופיגמנט כחומר יציקה בייצור זכוכית, באלקטרודות לסוללות יבשות וציפוי אלקטרופורמציה, במברשות למנועים חשמליים וכמנחה נויטרונים בכורים גרעיניים. פחם משמש כחומר לייצור אומנות, כגריל ברביקיו, להתכת ברזל ולשימושים רבים נוספים. עץ, פחם ונפט משמשים כדלק להפקת אנרגיה ולחימום. יהלומים באיכות גבוהה משמשים בייצור תכשיטים, בעוד שיהלומים תעשייתיים משמשים לקידוח, חיתוך והברקה של כלי עבודה מתכת ואבן. פלסטיק עשוי מפחמימנים מאובנים, וסיבי פחמן, המיוצרים מפירוליזה של סיבי פוליאסטר סינתטיים, משמשים לחיזוק פלסטיק לחומרים מרוכבים מתקדמים וקלי משקל. סיבי פחמן מיוצרים על ידי פירוליזה של חוטים שחולצו ומתוחים של פולי-אקרילוניטריל (PAN) וחומרים אורגניים אחרים. מבנה הגביש והתכונות המכניות של הסיב תלויים בסוג חומר המוצא ובעיבוד שלאחר מכן. לסיבי פחמן העשויים מ-PAN יש מבנה הדומה לחוטים צרים של גרפיט, אך טיפול בחום יכול לסדר מחדש את המבנה ליריעה רציפה. כתוצאה מכך, לסיבים יש חוזק מתיחה ספציפי גבוה יותר מאשר פלדה. פחמן שחור משמש כפיגמנט שחור בדיו להדפסה, צבעי שמן וצבעי מים של אמנים, נייר פחמן, עיטורי רכב, דיו ומדפסות לייזר. פחמן שחור משמש גם כחומר מילוי במוצרי גומי כגון צמיגים ובתרכובות פלסטיק. פחם פעיל משמש כסופג וסופג במדיות סינון ביישומים מגוונים כמו מסכות גז, טיהור מים ומנדפים, וברפואה לספיגת רעלים, רעלים או גזים מ מערכת עיכול. פחמן משמש להפחתה כימית בטמפרטורות גבוהות. קולה משמש להפחתת עפרות ברזל בברזל (התכה). התמצקות פלדה מושגת על ידי חימום רכיבי פלדה מוגמרים באבקת פחמן. סיליקון, טונגסטן, בורון וטיטניום קרבידים הם מהחומרים הקשים ביותר ומשמשים כחומרי חיתוך וטחינה. תרכובות פחמן מהוות את רוב החומרים המשמשים בבגדים, כגון טקסטיל ועור טבעי וסינטטי, וכמעט את כל המשטחים הפנימיים בסביבות שאינן זכוכית, אבן ומתכת.

יהלומים

תעשיית היהלומים מחולקת לשתי קטגוריות, האחת היא יהלומים באיכות גבוהה (אבני חן) והשנייה היא יהלומים בדרגה תעשייתית. אמנם יש הרבה מסחר בשני סוגי היהלומים, אבל שני השווקים פועלים באופן שונה לגמרי. בניגוד למתכות יקרות כמו זהב או פלטינה, יהלומי אבני חן אינם נסחרים כסחורה: ישנו תמורה משמעותית על מכירת יהלומים ושוק המכירה החוזרת של יהלומים אינו פעיל במיוחד. יהלומים תעשייתיים מוערכים בעיקר בשל קשיותם ומוליכותם התרמית, בעוד שהאיכויות הגמולוגיות של ניקיון וצבע אינן רלוונטיות במידה רבה. כ-80% מהיהלומים הכורים (שווים לכ-100 מיליון קרט או 20 טון בשנה) אינם שמישים ומשמשים בתעשייה (גרוטאות יהלומים). יהלומים סינתטיים, שהומצאו בשנות ה-50, מצאו יישומים תעשייתיים כמעט מיד; 3 מיליארד קראט (600 טון) של יהלומים סינתטיים מיוצרים מדי שנה. השימוש התעשייתי הדומיננטי ביהלום הוא חיתוך, קידוח, השחזה וליטוש. רוב היישומים הללו אינם דורשים יהלומים גדולים; למעשה, רוב היהלומים באיכות אבני חן, למעט יהלומים בגודל קטן, יכולים לשמש בתעשייה. יהלומים מוכנסים לקצות מקדחה או להבי מסור, או נטחנים לאבקה לשימוש בהשחזה והברקה. יישומים מיוחדים כוללים שימוש במעבדות כאחסון לניסויים בלחץ גבוה, מיסבים בעלי ביצועים גבוהים ושימוש מוגבל בחלונות מיוחדים. הודות להתקדמות בייצור יהלומים סינתטיים, יישומים חדשים הופכים אפשריים. תשומת לב רבה ניתנה לשימוש אפשרי ביהלום כמוליך למחצה המתאים למיקרו שבבים ובשל המוליכות התרמית יוצאת הדופן שלו כגוף קירור באלקטרוניקה.

פחמן (lat. Carboneum) - יסוד כימי של הקבוצה ה-14 של התקופה ה-2 מערכת תקופתיתמנדלייב (קבוצת IV במספור הישן); מספר אטומי 6, מסה אטומית 12,011.

פחמן הוא יסוד כימי מיוחד מאוד. עץ רב עוצמה של כימיה אורגנית צמח מתוך הכימיה של פחמן, עם הסינתזות המורכבות ביותר שלו ומגוון עצום של תרכובות שנחקרו. ענפים חדשים של כימיה אורגנית צצים. כל היצורים החיים המרכיבים את הביוספרה בנויים מתרכובות פחמן. והעצים, שגוועו לפני זמן רב, לפני מיליוני שנים, הפכו לדלק המכיל פחמן - פחם, כבול וכו'. בואו ניקח את העיפרון הכי רגיל - חפץ המוכר לכולם. האין זה מדהים שמוט גרפיט צנוע קשור ליהלום נוצץ, החומר הקשה בטבע? יהלום, גרפיט, קרבין הם שינויים אלוטרופיים של פחמן (ראה אלוטרופיה). המבנה של גרפיט (1), יהלום (2), קרבין (3).

ההיסטוריה של ההיכרות האנושית עם החומר הזה מגיעה רחוק למעמקים של מאות שנים. שמו של מי שגילה פחמן אינו ידוע, לא ידוע איזו צורה של פחמן טהור - גרפיט או יהלום - התגלתה קודם לכן. רק בסוף המאה ה- XVIII. הוכר שפחמן הוא יסוד כימי עצמאי.

תכולת הפחמן בקרום כדור הארץ היא 0.023% לפי משקל. פחמן הוא המרכיב העיקרי בעולם הצומח והחי. כל הדלקים המאובנים - נפט, גז, כבול, פצלי - בנויים על בסיס פחמן, פחם עשיר במיוחד בפחמן. רוב הפחמן מרוכז במינרלים - אבן גיר CaCO 3 ודולומיט CaMg (CO 3) 2, שהם מלחים של מתכות אדמה אלקליות וחומצה פחמנית חלשה H 2 CO 3.

בין היסודות החיוניים, פחמן הוא אחד החשובים ביותר: החיים על הפלנטה שלנו בנויים על בסיס פחמן. למה? אנו מוצאים את התשובה לשאלה זו ב"יסודות הכימיה" מאת ד.י. מנדלייב: "פחמן נמצא בטבע הן במצב החופשי והן במצב המחבר, במצב מאוד צורות שונותוסוגים ... היכולת של אטומי פחמן להתאחד זה עם זה ולתת חלקיקים מורכבים באה לידי ביטוי בכל תרכובות הפחמן ... באף אחד מהיסודות ... היכולת לסבך לא מפותחת באותה מידה כמו בפחמן ... אף זוג יסודות לא נותן תרכובות רבות כמו פחמן עם מימן.

ואכן, אטומי פחמן יכולים להשתלב במגוון דרכים זה עם זה ועם אטומים של יסודות רבים אחרים, וליצור מגוון עצום של חומרים. הקשרים הכימיים שלהם יכולים להתעורר ולהישבר בהשפעת גורמים טבעיים. כך נוצר מחזור הפחמן בטבע: מהאטמוספירה לצמחים, מצמחים לאורגניזמים של בעלי חיים, מהם לטבע הדומם וכו'. איפה שיש פחמן, יש מגוון חומרים, איפה שיש פחמן, יש מבנים של הארכיטקטורה המולקולרית המגוונת ביותר (ראה .פחמימנים).

הצטברות הפחמן בקרום כדור הארץ קשורה להצטברות של יסודות רבים אחרים המשקעים בצורה של קרבונטים בלתי מסיסים וכו'. CO 2 וחומצה פחמנית ממלאים תפקיד גיאוכימי חשוב בקרום כדור הארץ. כמות עצומה של CO 2 משתחררת במהלך הגעש - בהיסטוריה של כדור הארץ זה היה המקור העיקרי לפחמן לביוספרה.

תרכובות פחמן אנאורגניות קטנות בהרבה במספרן מאלו האורגניות. פחמן בצורת יהלום, גרפיט, פחם נכנס לתרכובת רק בחימום. בטמפרטורות גבוהות הוא מתחבר עם מתכות וחלק לא-מתכות, כגון בורון, ויוצר קרבידים.

מבין התרכובות האנאורגניות של פחמן, המפורסמים ביותר הם מלחים של חומצה פחמנית, פחמן דו חמצני CO 2 (פחמן דו חמצני) ופחמן חד חמצני CO. הרבה פחות מוכרת היא התחמוצת השלישית C 3 O 2 - גז חסר צבע עם ריח חריף לא נעים.

האטמוספירה של כדור הארץ מכילה 2.3 10 12 טון של CO 2 דו חמצני, תוצר של נשימה ושריפה. זהו המקור העיקרי לפחמן לפיתוח צמחים. פחמן חד חמצני CO, הידוע כפחמן חד חמצני, מיוצר מבעירה לא מלאה של דלקים: בגזי הפליטה של ​​מכוניות וכו'.

בתעשייה, פחמן חד חמצני CO משמש כחומר מפחית (לדוגמה, בהתכת ברזל בתנורי פיצוץ) ולסינתזה של חומרים אורגניים (לדוגמה, מתיל אלכוהול על ידי התגובה: CO + 2H 2 → CH 3 (OH) .

השינויים האלוטרופיים המפורסמים ביותר של פחמן יסודי: יהלום- פולימר אנאורגני בעל מבנה מרחבי, נפחי; גרָפִיט- פולימר בעל מבנה מישורי; קָרַבִּין- פולימר ליניארי של פחמן הקיים בשתי צורות, השונות באופי ובחילופין של קשרים כימיים; שינוי דו מימדי גרפן; ננו-צינורות פחמןמבנה גלילי. (ראה אלוטרופיה).

יהלום- צורה גבישית של פחמן, מינרל נדיר, העולה בקשיותו על כל טבעי והכל, למעט בורון ניטריד גבישי, חומרים מלאכותיים. גבישי יהלומים גדולים לאחר החיתוך הופכים לאבנים היקרה ביותר - יהלומים.

בסוף המאה ה- XVII. המדענים הפלורנטיניים אוורני וטרג'יוני ניסו למזג כמה יהלומים קטנים לתוך אחד גדול, חיממו אותם באור השמש באמצעות זכוכית בוערת. יהלומים נעלמו בשריפה באוויר... חלפו כמאה שנים עד שהכימאי הצרפתי א' לבואזיה ב-1772 לא רק חזר על הניסוי הזה, אלא גם הסביר את הסיבות להיעלמות היהלום: גביש יהלום יקר ערך נשרף ב באותו אופן כמו חתיכות שנשרפו בניסויים אחרים זרחן ופחם. ורק בשנת 1797, המדען האנגלי S. Tennant הוכיח את זהות טבעם של היהלומים והפחם. הוא גילה שהנפחים של פחמן דו חמצני לאחר שריפה של מסות שוות של פחם ויהלום התבררו זהים. לאחר מכן, נעשו ניסיונות רבים להשיג יהלום באופן מלאכותי מגרפיט, פחם וחומרים המכילים פחמן בטמפרטורות ולחצים גבוהים. לפעמים, לאחר ניסויים אלו, נמצאו גבישים קטנים דמויי יהלומים, אך מעולם לא ניתן היה לבצע ניסויים מוצלחים.

הסינתזה של יהלום התאפשרה לאחר שהפיזיקאי הסובייטי O.I. Leipunsky ב-1939 חישב את התנאים שבהם גרפיט יכול להפוך ליהלום (לחץ של כ-60,000 אטמוספירה, טמפרטורה 1600-2000 מעלות צלזיוס). בשנות ה-50. של המאה שלנו, כמעט במקביל במספר מדינות, כולל ברית המועצות, הושגו יהלומים מלאכותיים סביבה תעשייתית. כיום, 2000 קראט של יהלומים מלאכותיים מיוצרים מדי יום ממתקן תעשייתי ביתי אחד (1 קראט = 0.2 גרם). כתרי יהלום של אסדות קידוח, כלי חיתוך יהלומים, גלגלי השחזה עם שבבי יהלום עובדים בצורה אמינה ולאורך זמן. יהלומים מלאכותיים, כמו גם גבישים טבעיים, נמצאים בשימוש נרחב בטכנולוגיה מודרנית.

פולימר פחמן טהור נוסף נמצא בשימוש נרחב אפילו יותר בפועל - גרָפִיט. בגביש גרפיט, אטומי פחמן השוכנים באותו מישור קשורים בחוזקה למשושים רגילים. משושים עם פנים משותפים יוצרים מישורי צרור. הקשרים בין אטומי פחמן של חבילות שונות חלשים. בנוסף, המרחק בין אטומי פחמן של מישורים שונים גדול כמעט פי 2.5 מאשר בין אטומים שכנים של אותו מישור. לכן, די במאמץ קל כדי לפצל את גביש הגרפיט לפתיתים נפרדים. זו הסיבה שעופרת הגרפיט של עיפרון משאירה סימן על הנייר. קשה לאין ערוך לשבור את הקשר בין אטומי פחמן השוכנים באותו מישור. החוזק של קשרים אלה הוא הסיבה לעמידות הכימית הגבוהה של גרפיט. הוא אינו מושפע אפילו מבסיסים חמים וחומצות, למעט חומצה חנקתית מרוכזת.

בנוסף לעמידות כימית גבוהה, הגרפיט מתאפיין גם בעמידות גבוהה בחום: ניתן להשתמש במוצרים העשויים ממנו בטמפרטורות של עד 3700 מעלות צלזיוס. היכולת להוביל זרם חשמלי קבעה יישומים רבים של גרפיט. זה נחוץ בהנדסת חשמל, מתכות, ייצור אבק שריפה, טכנולוגיה גרעינית. גרפיט בטוהר הגבוה ביותר משמש בבניית הכור - כמנחה נויטרונים יעיל.

פולימר ליניארי של פחמן - קָרַבִּיןנעשה עד כה בשימוש בפועל במידה מוגבלת. במולקולת קרבין, אטומי פחמן מחוברים בשרשראות לסירוגין על ידי קשרים משולשים ויחידים:

−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−

חומר זה הושג לראשונה על ידי הכימאים הסובייטים V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin ו- Yu. P. Kudryavtsev בתחילת שנות ה-60. במכון לתרכובות אורגניות של האקדמיה למדעים של ברית המועצות. לקרבין תכונות מוליכים למחצה, ותחת פעולת האור המוליכות שלו גדלה מאוד. היישום המעשי הראשון מבוסס על תכונה זו - בתאי פוטו.

במולקולה של צורה אחרת של קרבין - פוליקומולן (β-קרבין), המתקבלת גם היא לראשונה בארצנו, אטומי פחמן מחוברים אחרת מאשר בקרבין - רק בקשרים כפולים:

═C═C═C═C═C═C═C═C═C═

מספר התרכובות האורגניות המוכרות למדע - תרכובות פחמן - עולה על 7 מיליון. גם הכימיה של פולימרים - טבעיים וסינתטיים - היא בעיקר הכימיה של תרכובות פחמן. תרכובות פחמן אורגניות נחקרות על ידי מדעים עצמאיים כגון כימיה אורגנית, ביוכימיה וכימיה של תרכובות טבעיות.

חשיבותן של תרכובות פחמן בחיי האדם היא לא יסולא בפז - פחמן קשור מקיף אותנו בכל מקום: באטמוספירה ובליתוספירה, בצמחים ובבעלי חיים, בבגדים ובמזון שלנו.

תכונות כימיות רדיוס קוולנטי 77 בערב רדיוס יונים 16 (+4e) 260 (-4e) אחר הצהריים אלקטרוני שליליות 2.55 (סולם פאלינג) מצבי חמצון 4 , 3 , 2, 1 , , , , , -4 אנרגיית יינון
(אלקטרון ראשון) 1085.7 (11.25) kJ/mol (eV) תכונות תרמודינמיות של חומר פשוט צפיפות (בנ.א.) 2.25 (גרפיט) ​​g/cm³ טמפרטורת התכה 3550 מעלות צלזיוס טמפרטורת רתיחה 5003K; 4830 מעלות צלזיוס נקודה קריטית 4130, 12 MPa קיבולת חום מולארית 8.54 (גרפיט) ​​J/(K mol) נפח טוחנת 5.3 ס"מ\מול סריג הקריסטל של חומר פשוט מבנה סריג משושה (גרפיט), מעוקב (יהלום) פרמטרים של סריג a=2.46; c=6.71 (גרפיט); a=3.567 (יהלום) יַחַס ג/א 2.73 (גרפיט) טמפרטורת Debye 1860 (יהלום) דמויות אחרות מוליכות תרמית (300 K) 1.59 W/(m K) מספר CAS 7440-44-0 ספקטרום פליטה

יכולתו של פחמן ליצור שרשראות פולימריות מולידה מחלקה עצומה של תרכובות מבוססות פחמן הנקראות אורגניות, שהן רבות יותר מאשר אנאורגניות, והן מחקר של כימיה אורגנית.

כַּתָבָה

בתחילת המאות XVII-XVIII. צצה תיאוריית הפלוגיסטון, שהועלתה על ידי יוהאן בכר וגיאורג סטאל. תיאוריה זו הכירה בנוכחות בכל גוף דליק של חומר יסודי מיוחד - נוזל חסר משקל - פלוגיסטון, שמתאדה במהלך הבעירה. מכיוון שרק כמות קטנה של אפר נשארת בעת שריפת כמות גדולה של פחם, הפלוגיסטים האמינו שפחם הוא פלוגיסטון כמעט טהור. זה היה ההסבר, במיוחד, להשפעה ה"פלוגיסטית" של הפחם, יכולתו לשחזר מתכות מ"סיד" ומעפרות. פלוגיסטיקה מאוחרת יותר, ראומור, ברגמן ואחרים, כבר החלו להבין שפחם הוא חומר יסודי. עם זאת, בפעם הראשונה, "פחם טהור" הוכר ככזה על ידי אנטואן לבואזיה, שחקר את תהליך שריפת הפחם וחומרים אחרים באוויר ובחמצן. ב- Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet and Fourcroix, The Method מינוח כימי"(1787) השם "פחמן" (פחמן) הופיע במקום "פחם טהור" (charbone pur) הצרפתי. תחת אותו שם, פחמן מופיע ב"טבלה גופים פשוטיםבספר הלימוד היסודי לכימיה של לבויזייה.

מקור השם

IN מוקדם XIXמאות שנים בספרות הכימית הרוסית, נעשה לעתים שימוש במונח "פחם" (Sherer, 1807; Severgin, 1815); מאז 1824, הציג סולוביוב את השם "פחמן". לתרכובות פחמן יש חלק בשמם פחמימות (הוא)- מ-lat. carbō (גנר. עמ. קרבוניס) "פחם".

תכונות גשמיות

פחמן קיים בשינויים אלוטרופיים רבים עם מגוונים מאוד תכונות גשמיות. מגוון השינויים נובע מיכולתו של פחמן ליצור קשרים כימיים מסוגים שונים.

איזוטופים של פחמן

פחמן טבעי מורכב משני איזוטופים יציבים - 12 C (98.93%) ו-13 C (1.07%) ואיזוטופ רדיואקטיבי אחד 14 C (פולט β, T ½ = 5730 שנים), המרוכזים באטמוספירה ובחלק העליון של כדור הארץ לִנְבּוּחַ. הוא נוצר כל הזמן בשכבות התחתונות של הסטרטוספירה כתוצאה מפעולת נויטרונים של קרינה קוסמית על גרעיני חנקן על ידי התגובה: 14 N (n, p) 14 C, וגם, מאז אמצע שנות ה-50, כאדם תוצר של תחנות כוח גרעיניות וכתוצאה מניסוי פצצות מימן.

שינויים אלוטרופיים של פחמן

פחמן גבישי

פחמן אמורפי

  • פחם מאובנים: אנתרציט ופחם מאובנים.
  • קוק פחם, קוק נפט וכו'.

בפועל, ככלל, הצורות האמורפיות המפורטות לעיל הן תרכובות כימיות בעלות תכולת פחמן גבוהה, ולא צורה אלוטרופית טהורה של פחמן.

צורות אשכול

מִבְנֶה

פחמן נוזלי קיים רק בלחץ חיצוני מסוים. נקודות משולשות: גרפיט - נוזל - אדים ט= 4130K, ר= 10.7 MPa וגרפיט - יהלום - נוזל ט≈ 4000 K, ר≈ 11 GPa. גרפיט קו שיווי משקל - נוזל בפאזה ר, טלתרשים יש שיפוע חיובי, שכאשר הוא מתקרב לנקודה המשולשת של גרפיט - יהלום - נוזל, הופך לשלילי, אשר קשור מאפיינים ייחודייםאטומי פחמן יוצרים מולקולות פחמן המורכבות ממספר שונה של אטומים (משניים עד שבעה). שיפוע קו שיווי המשקל של יהלום-נוזל, בהיעדר ניסויים ישירים בטמפרטורות גבוהות מאוד (>4000-5000 K) ולחצים (>10-20 GPa), נחשב לשלילי במשך שנים רבות. ניסויים ישירים שנערכו על ידי חוקרים יפנים ועיבוד של נתוני הניסוי שהתקבלו, תוך התחשבות בקיבולת החום החריגה של יהלום בטמפרטורה גבוהה, הראו כי השיפוע של קו שיווי המשקל של יהלום-נוזל חיובי, כלומר, היהלום כבד יותר מהנוזל שלו ( הוא ישקע בהמסה, ולא יצוף כמו קרח במים).

יהלומים עדינים במיוחד (ננו-יהלומים)

בשנות ה-80 התגלה בברית המועצות כי בתנאים של העמסה דינמית של חומרים המכילים פחמן, יכולים להיווצר מבנים דמויי יהלומים, הנקראים יהלומים אולטרה-דקים (UDD). כיום, המונח "ננו-יהלומים" נמצא בשימוש יותר ויותר. גודל החלקיקים בחומרים כאלה הוא כמה ננומטרים. התנאים להיווצרות UDD יכולים להתממש במהלך פיצוץ חומרי נפץ עם מאזן חמצן שלילי משמעותי, למשל, תערובות של TNT עם RDX. תנאים כאלה יכולים להתממש גם כאשר גרמי שמים פוגעים בשטח כדור הארץ בנוכחות חומרים המכילים פחמן (אורגנים, כבול, פחם וכו'). לפיכך, באזור נפילת המטאוריט טונגוסקה, נמצאו UDDs במלטה היער.

קָרַבִּין

שינוי גבישי של פחמן של סינגוניה משושה עם מבנה שרשרת של מולקולות נקרא קרבין. השרשראות הן פוליאן (−C≡C−) או פוליקומולן (=C=C=). ידועות מספר צורות של קרבין, השונות במספר האטומים בתא יחידה, בגדלים של תאים ובצפיפות (2.68-3.30 גרם/ס"מ³). קרבין מופיע בטבע בצורת המינרל צ'אוייט (ורידים לבנים ותכלילים בגרפיט) ​​ומתקבל באופן מלאכותי - ע"י דה-הידרופוליקוננסציה חמצונית של אצטילן, ע"י פעולת קרינת לייזר על גרפיט, מפחמימנים או CCl 4 בפלזמה בטמפרטורה נמוכה.

קרבין היא אבקה שחורה עם גרגירים עדינים (צפיפות 1.9-2 גרם/ס"מ³) עם תכונות מוליכים למחצה. הושג בתנאים מלאכותיים משרשרות ארוכות של אטומי פחמן המוערמים במקביל זה לזה.

קרבין הוא פולימר ליניארי של פחמן. במולקולת קרבין, אטומי פחמן מחוברים בשרשראות לסירוגין או בקשרים משולשים ויחידים (מבנה פוליאן), או באופן קבוע בקשרים כפולים (מבנה פוליקומילן). חומר זה הושג לראשונה על ידי הכימאים הסובייטים V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin ו- Yu. P. Kudryavtsev בתחילת שנות ה-60 באקדמיה למדעים של ברית המועצות. לקרבין תכונות מוליכים למחצה, ובהשפעת האור, המוליכות שלו עולה מאוד. היישום המעשי הראשון מבוסס על תכונה זו - בתאים פוטו-וולטאיים.

פולרנים וננו-צינוריות פחמן

פחמן ידוע גם בצורת חלקיקי צביר C 60 , C 70 , C 80 , C 90 , C 100 ודומיהם (פולרנים), וכן גרפנים, ננו-צינורות ומבנים מורכבים - אסטרלנים.

פחמן אמורפי (מבנה)

המבנה של פחמן אמורפי מבוסס על מבנה לא מסודר של גרפיט חד-גביש (מכיל תמיד זיהומים). אלו הם קולה, גחלים חומות וקשות, פחמן שחור, פיח, פחם פעיל.

גרפן

גרפן הוא שינוי אלוטרופי דו-ממדי של פחמן, הנוצר משכבת ​​אטומי פחמן בעובי אטום אחד, המחוברים באמצעות קשרי sp² לתוך סריג גביש דו-ממדי משושה.

להיות בטבע

ההערכה היא שכדור הארץ בכללותו מורכב מ-730 ppm של פחמן, עם 2000 ppm בליבה ו-120 ppm במעטפת ובקרום. מכיוון שמסת כדור הארץ היא 5.972⋅10 24 ק"ג, הדבר מרמז על נוכחות של 4360 מיליון ג'יגהטון של פחמן.

במצב חיבור פַּחמָןהוא חלק ממה שנקרא חומרים אורגניים, כלומר, חומרים רבים הנמצאים בגוף של כל צמח וחיה. הוא נמצא בצורה של פחמן דו חמצני במים ובאוויר, ובצורת מלחים של פחמן דו חמצני ושאריות אורגניות באדמה ובמסת קרום כדור הארץ. מגוון החומרים המרכיבים את גופם של בעלי חיים וצמחים ידוע לכולם. שעווה ושמן, טרפנטין ושרף, נייר כותנה וחלבון, רקמת תאים צמחיים ורקמת שריר של בעלי חיים, חומצה טרטרית ועמילן - כל אלה ועוד חומרים רבים אחרים הכלולים ברקמות ובמיץ של צמחים ובעלי חיים הם תרכובות פחמן. תחום תרכובות הפחמן כה גדול עד שהוא מהווה ענף מיוחד בכימיה, כלומר הכימיה של פחמן או, יותר טוב, תרכובות פחמימנים.

מילים אלו מתוך יסודות הכימיה מאת D.I. Mendeleev משמשות אפיגרף מפורט לסיפור שלנו על היסוד החיוני - פחמן. עם זאת, יש כאן תזה אחת, שמנקודת המבט של מדע החומר המודרני, ניתן להתווכח עליה, אך על כך בהמשך.

כנראה מספיק אצבעות על הידיים כדי לספור יסודות כימייםשלא הוקדש לו לפחות ספר מדעי אחד. אבל ספר מדע פופולרי עצמאי - לא סוג של חוברת על 20 עמודים לא שלמים עם כריכת נייר עטיפה, אלא נפח די מוצק של כמעט 500 עמודים - יש רק מרכיב אחד בנכס - פחמן.

באופן כללי, הספרות על פחמן היא העשירה ביותר. אלו הם, ראשית, כל הספרים והמאמרים של כימאים אורגניים ללא יוצא מן הכלל; שנית, כמעט כל מה שקשור לפולימרים; שלישית, אינספור פרסומים הקשורים לדלקים מאובנים; רביעית, חלק משמעותי מהספרות הביו-רפואית ...

לכן, לא ננסה לאמץ את העצומות (לא סתם מחברי הספר הפופולרי על יסוד מס' 6 קראו לו "בלתי נדלה"!), אלא נתמקד רק בעיקר מהעיקר - ננסה לראות פחמן משלוש נקודות מבט.

פחמן הוא אחד המרכיבים הבודדים"בלי משפחה, בלי שבט". ההיסטוריה של המגע האנושי עם החומר הזה חוזרת לתקופות פרהיסטוריות. שמו של מגלה הפחמן אינו ידוע, ולא ידוע גם איזו מצורות הפחמן היסודי - יהלום או גרפיט - התגלתה קודם לכן. שניהם קרו לפני הרבה זמן. רק דבר אחד ניתן לקבוע בהחלט: לפני היהלום ולפני הגרפיט, התגלה חומר, שלפני כמה עשורים נחשב לצורה השלישית והאמורפית של פחמן יסודי - פחם. אבל במציאות, פחם, אפילו פחם, אינו פחמן טהור. הוא מכיל מימן, חמצן ועקבות של יסודות אחרים. נכון, ניתן להסיר אותם, אבל גם אז פחמן הפחם לא יהפוך לשינוי עצמאי של פחמן יסודי. זה הוקם רק ברבע השני של המאה שלנו. ניתוח מבני הראה שפחמן אמורפי הוא בעצם אותו גרפיט. זה אומר שהוא לא אמורפי, אלא גבישי; רק הגבישים שלו קטנים מאוד ויש בהם יותר פגמים. לאחר מכן, הם החלו להאמין שפחמן על פני כדור הארץ קיים רק בשתי צורות יסוד - בצורה של גרפיט ויהלום.

האם אי פעם חשבתם על הסיבות ל"פרשת המים" החדה של תכונות העוברת בתקופה הקצרה השנייה של הטבלה המחזורית לאורך הקו המפריד בין פחמן לחנקן שאחריו? חנקן, חמצן, פלואור הם גזים בתנאים רגילים. פחמן - בכל צורה שהיא - הוא מוצק. נקודת ההיתוך של חנקן היא מינוס 210.5 מעלות צלזיוס, ופחמן (בצורת גרפיט בלחץ מעל 100 אטמוספירה) הוא בערך פלוס 4000 מעלות צלזיוס...

דמיטרי איבנוביץ' מנדלייב היה הראשון שהציע שההבדל הזה נובע מהמבנה הפולימרי של מולקולות פחמן. הוא כתב: "אם פחמן יוצר מולקולת C 2, כמו O 2, זה יהיה גז." ובהמשך: "היכולת של אטומי פחם להתאחד זה עם זה ולתת מולקולות מורכבות באה לידי ביטוי בכל תרכובות הפחמן. באף אחד מהיסודות לא מתפתחת יכולת סיבוך כזו במידה כמו בפחמן. עד עכשיו, אין בסיס לקביעת מידת הפילמור של מולקולת פחם, גרפיט, יהלום, רק אפשר לחשוב שהם מכילים C p, כאשר n הוא ערך גדול.

פחמן והפולימרים שלו

הנחה זו אושרה בזמננו. גם גרפיט וגם יהלום הם פולימרים המורכבים מאותם אטומי פחמן.

לפי הערתו ההולמת של פרופסור יו.וו. חודקוב, "בהתבסס על אופי הכוחות שיש להתגבר עליו, ניתן לייחס את המקצוע של חוטב יהלומים למקצועות כימיים". אכן, החותך צריך להתגבר לא על כוחות חלשים יחסית של אינטראקציה בין-מולקולרית, אלא על כוחות הקשר הכימי, המשלבים אטומי פחמן למולקולת יהלום. כל גביש יהלום, אפילו קולינן ענק, שש מאות גרם, הוא בעצם מולקולה אחת, מולקולה של פולימר תלת-ממדי רגיל מאוד, בנוי כמעט מושלם.

גרפיט זה עניין אחר. כאן הסדר הפולימרי משתרע רק בשני כיוונים - לאורך המישור, ולא במרחב. בחתיכת גרפיט, המישורים הללו יוצרים חבילה צפופה למדי, ששכבותיה מחוברות זו לזו לא על ידי כוחות כימיים, אלא על ידי כוחות חלשים יותר של אינטראקציה בין מולקולרית. לכן זה כל כך קל - אפילו ממגע עם נייר - פילינג גרפיט. יחד עם זאת, קשה מאוד לשבור לוח גרפיט בכיוון הרוחבי - כאן הקשר הכימי נוגד.

התכונות של המבנה המולקולרי הן שמסבירות את ההבדל העצום בתכונות של גרפיט ויהלום. גרפיט הוא מוליך מצוין של חום וחשמל, בעוד שיהלום הוא מבודד. הגרפיט אינו מעביר אור כלל - היהלום הוא שקוף. לא משנה איך היהלום מתחמצן, רק CO 2 יהיה תוצר החמצון. ובאמצעות חמצון של גרפיט, ניתן להשיג מספר תוצרי ביניים, אם רוצים, במיוחד חומצות גרפיטיות (הרכב משתנה) ומליטיות C 6 (COOH) 6. חמצן, כביכול, נתקע בין השכבות של חבילת גרפיט ומחמצן רק חלק מאטומי הפחמן. אין נקודות תורפה בגביש יהלום, ולכן או חמצון מלא או אי חמצון מוחלט אפשרי - אין דרך שלישית ...

אז יש פולימר "מרחבי" של פחמן יסודי, יש פולימר "מישורי". באופן עקרוני, מניחים מזמן קיומו של פולימר ליניארי "חד-ממדי" של פחמן, אך הוא לא נמצא בטבע.

לא נמצא בינתיים. כמה שנים לאחר הסינתזה, נמצא פולימר ליניארי של פחמן מכתש מטאוריטים, בגרמניה. והכימאים הסובייטים הראשונים V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin ו- Yu.P. קודריאבצב. הפולימר הליניארי של פחמן נקרא קרבין. כלפי חוץ, זה נראה כמו אבקה שחורה עדינה גבישית, יש תכונות מוליכים למחצה, ותחת פעולת האור, המוליכות החשמלית של קרבין עולה מאוד. הקרבין גם חשפה תכונות בלתי צפויות לחלוטין. התברר, למשל, שכשדם בא איתו במגע הוא לא יוצר קרישי דם - קרישי דם, ולכן החלו להשתמש בסיבים מצופים בקרבין בייצור כלי דם מלאכותיים שאינם נדחים על ידי הגוף.

לטענת מגלי הקרבין, הדבר הקשה ביותר עבורם היה לקבוע איזה סוג של קשרים אטומי הפחמן מחוברים בשרשרת. יכול להיות לו קשרים בודדים ומשולשים לסירוגין (-C = C-C=C -C=), או שיכול להיות לו רק קשרים כפולים (=C=C=C=C=)... ויכול להיות לו את שניהם בו-זמנית . רק כמה שנים לאחר מכן הצליחו קורשק וסלדקוב להוכיח שאין קשרים כפולים בקרבין. עם זאת, מכיוון שהתאוריה אפשרה את קיומו של פולימר פחמן ליניארי עם קשרים כפולים בלבד, נעשה ניסיון להשיג את המגוון הזה - בעצם השינוי הרביעי של הפחמן היסודי.

פחמן במינרלים

חומר זה הושג במכון לתרכובות אורגנואלמנטים של האקדמיה למדעים של ברית המועצות. פולימר הפחמן הליניארי החדש קיבל את השם polycumulene. וכעת ידועים לפחות שמונה פולימרים ליניאריים של פחמן, הנבדלים זה מזה במבנה של סריג הגביש. בספרות הזרה, כולם נקראים קרבין.

יסוד זה הוא תמיד ארבע-ערכי, אבל מכיוון שהוא נמצא בדיוק באמצע התקופה, מצב החמצון שלו בנסיבות שונות הוא או +4 או -4. בתגובות עם לא-מתכות, הוא אלקטרופוזיטיבי, עם מתכות - להיפך. גם במקרים בהם הקשר אינו יוני, אלא קוולנטי, הפחמן נשאר נאמן לעצמו - הערכיות הפורמלית שלו נשארת שווה לארבע.

יש מעט מאוד תרכובות שבהן פחמן לפחות רשמית מציג ערכיות אחרת מארבע. רק תרכובת אחת כזו ידועה בדרך כלל, CO, חד תחמוצת הפחמן, שבה הפחמן נראה דו ערכי. דווקא זה נראה, כי במציאות יש סוג מורכב יותר של קשר. אטומי פחמן וחמצן מחוברים בקשר מקוטב 3-קוולנטי, והנוסחה המבנית של תרכובת זו כתובה כך: O + \u003d C ".

בשנת 1900 השיג M. Gomberg את התרכובת האורגנית טריפנילמתיל (C 6 H 5) 3 C. נראה היה שאטום הפחמן כאן היה תלת ערכי. אבל מאוחר יותר התברר שהפעם הערכיות החריגה הייתה פורמלית בלבד. טריפנילמתיל והאנלוגים שלו הם רדיקלים חופשיים, אך בניגוד לרוב הרדיקלים, הם יציבים למדי.

מבחינה היסטורית, מעט מאוד תרכובות פחמן נותרו "מתחת לגג" של הכימיה האנאורגנית. אלה הם תחמוצות פחמן, קרבידים - התרכובות שלו עם מתכות, כמו גם בורון וסיליקון, קרבונטים - מלחים של החומצה הפחמנית החלשה ביותר, פחמן דיסולפיד CS 2, תרכובות ציאניד. עלינו להתנחם בעובדה שכפי שזה קורה (או קרה) לעתים קרובות בייצור, ה"פיר" מפצה על החסרונות במינון. אכן, החלק הגדול ביותר של הפחמן של קרום כדור הארץ אינו כלול באורגניזמים של צמחים ובעלי חיים, לא בפחם, בשמן ובכל שאר החומרים האורגניים ביחד, אלא בשתי תרכובות אנאורגניות בלבד - אבן גיר CaCO 3 ודולומיט MgCa (CO 3 ) 2. פחמן הוא חלק מעוד כמה עשרות מינרלים, רק זכרו שיש CaCO 3 (עם תוספים), Cu 2 (OH) 2 CO 3 מלכיט, מינרל אבץ ZnCO 3 smithsonite... יש פחמן גם בסלעים צורניים וגם בסלעים גבישיים.

מינרלים המכילים קרבידים הם נדירים מאוד. ככלל, מדובר בחומרים ממקור עמוק במיוחד; לכן, מדענים מניחים שיש פחמן בליבת כדור הארץ.

עבור התעשייה הכימית, פחמן ותרכובותיו האנאורגניות מעוררות עניין רב - לעתים קרובות יותר כחומרי גלם, לעתים רחוקות יותר כחומרים מבניים.

מכשירים רבים בתעשיות הכימיות, כמו מחליפי חום, עשויים מגרפיט. וזה טבעי: לגרפיט עמידות תרמית וכימית גדולה ובו בזמן מוליך חום טוב מאוד. אגב, בזכות אותן תכונות, הפך הגרפיט לחומר חשוב לטכנולוגיית סילון. ההגאים עשויים גרפיט, הפועלים ישירות בלהבה של מנגנון הזרבובית. זה כמעט בלתי אפשרי להצית גרפיט באוויר (אפילו ב חמצן טהורזה לא קל לעשות), וכדי לאדות גרפיט, אתה צריך טמפרטורה גבוהה בהרבה מזו שמתפתחת אפילו במנוע רקטי. וחוץ מזה, בלחץ רגיל, גרפיט, כמו גרניט, לא נמס.

קשה לדמיין ייצור אלקטרוכימי מודרני ללא גרפיט. אלקטרודות גרפיט משמשות לא רק על ידי electrometallurgists, אלא גם על ידי כימאים. די להזכיר שבאלקטרוליזרים המשמשים לייצור סודה קאוסטית וכלור, האנודות הן גרפיט.

שימוש בפחמן

ספרים רבים נכתבו על השימוש בתרכובות פחמן בתעשייה הכימית. סידן קרבונט, אבן גיר, משמש כחומר גלם בייצור סיד, מלט, סידן קרביד. מינרל נוסף - דולומיט - הוא ה"אב" של קבוצה גדולה של עקשן דולומיט. נתרן קרבונט וביקרבונט - מבושל ו סודה לשתייה. אחד הצרכנים העיקריים של אפר סודה היה ונשאר תעשיית הזכוכית, שצריכה כשליש מהייצור העולמי של Na 2 CO 3 .

ולבסוף, קצת על קרבידים. בדרך כלל, כשאומרים קרביד, הם מתכוונים לסידן קרביד - מקור לאצטילן, וכתוצאה מכך, מוצרים רבים של סינתזה אורגנית. אבל סידן קרביד, למרות המפורסם ביותר, הוא בשום אופן לא החומר החשוב וההכרחי היחיד של קבוצה זו. בורון קרביד B 4 C הוא חומר חשוב לאטומי

טכנולוגיה, סיליקון קרביד SiC או קרבורונדום הוא החומר השוחק החשוב ביותר. קרבידים של מתכות רבות מאופיינים בעמידות כימית גבוהה וקשיות יוצאת דופן; קרבורונדום, למשל, נחות רק מעט מיהלום. הקשיות שלו בסולם Mooca היא 9.5-9.75 (יהלום - 10). אבל קרבורונדום זול יותר מיהלום. זה מתקבל בתנורים חשמליים בטמפרטורה של כ 2000 מעלות צלזיוס מתערובת של קוק קוק וחול קוורץ.

על פי המדען הסובייטי המפורסם, אקדמאי I.L. ידועים, כימיה אורגנית יכולה להיחשב כסוג של גשר שזרק המדע מהטבע הדומם לצורתו הגבוהה ביותר - החיים. ורק לפני מאה וחצי, מיטב הכימאים של אותה תקופה בעצמם האמינו ולימדו את חסידיהם כי כימיה אורגנית היא מדע החומרים הנוצרים בהשתתפות ובהדרכתו של איזה "חומר" מוזר - כוח חיים. אבל עד מהרה נשלח הכוח הזה לפח האשפה של מדעי הטבע. סינתזות של מספר חומרים אורגניים - אוריאה, חומצה אצטית, שומנים, חומרים דמויי סוכר - הפכו את זה פשוט למיותר.

ההגדרה הקלאסית של ק. שורלמר הופיעה, שלא איבדה את משמעותה אפילו 100 שנים מאוחר יותר: " כימיה אורגניתיש את הכימיה של פחמימנים ונגזרותיהם, כלומר, המוצרים הנוצרים כאשר מימן מוחלף באטומים אחרים או בקבוצות של אטומים.

אז, אורגניות היא הכימיה של אפילו לא יסוד אחד, אלא רק מחלקה אחת של תרכובות של יסוד זה. אבל איזה מעמד! כיתה מחולקת לא רק לקבוצות ותתי קבוצות - למדעים עצמאיים. הם יצאו ממרכיבים אורגניים, ביוכימיה, מהכימיה של פולימרים סינתטיים, מהכימיה של תרכובות פעילות ביולוגית ותרכובות רפואיות שנגזרו מחומרים אורגניים...

כיום ידועות מיליוני תרכובות אורגניות (תרכובות פחמן!) וכמאה אלף תרכובות של כל שאר היסודות ביחד.

זה ידוע שהחיים בנויים על בסיס פחמן. אבל למה דווקא פחמן - היסוד האחד-עשר בשכיחותו בכדור הארץ - לקח על עצמו את המשימה הקשה להיות הבסיס לכל החיים?

התשובה לשאלה זו אינה חד משמעית. ראשית, "באף אחד מהיסודות לא מתפתחת יכולת סיבוך כזו במידה כמו בפחמן". שנית, פחמן מסוגל לשלב עם רוב האלמנטים, ובמגוון רחב של דרכים. שלישית, הקשר בין אטומי פחמן, כמו גם עם אטומי מימן, חמצן, חנקן, גופרית, זרחן ואלמנטים אחרים המרכיבים חומרים אורגניים, עלול להיהרס בהשפעת גורמים טבעיים. לכן, פחמן מסתובב כל הזמן בטבע: מהאטמוספירה לצמחים, מצמחים לאורגניזמים של בעלי חיים, מחיים למתים,

מהמתים לחיים...

ארבע הערכיות של אטום פחמן הן כמו ארבע ידיים. ואם שני אטומים כאלה מחוברים, אז יש כבר שש "זרועות". או - ארבע, אם מוציאים שני אלקטרונים על היווצרות זוג (קשר כפול). או - רק שניים, אם הקשר, כמו באצטילן, הוא משולש. אבל הקשרים האלה (הם נקראים בלתי רוויים) הם כמו פצצה בכיס שלך או ג'יני בבקבוק. הם מוסתרים לעת עתה, אבל ברגע הנכון הם משתחררים לגבות את מחירם במשחק הימורים סוער של אינטראקציות ותמורות כימיות. מגוון רחב של מבנים נוצר כתוצאה מ"משחקים" אלו אם מעורב בהם פחמן. עורכי "האנציקלופדיה של הילדים" חישבו כי מ-20 אטומי פחמן ו-42 אטומי מימן, ניתן להשיג 366,319 פחמימנים שונים, 366,319 חומרים בהרכב C 20 H42. ואם אין שישה עשרות משתתפים ב"משחק", אלא כמה אלפים; אם יש ביניהם נציגים של לא שתי "צוותים", אלא, נניח, שמונה!

איפה שיש פחמן, יש מגוון. איפה שיש פחמן, יש קשיים. והעיצובים השונים ביותר באדריכלות מולקולרית. שרשראות פשוטות, כמו בוטאן CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 או פוליאתילן -CH 2 -CH 2 -CH 2 - CH 2 -, ומבנים מסועפים, הפשוט שבהם הוא איזובוטן.

פחמן מסוגל ליצור מספר שינויים אלוטרופיים. אלה הם יהלום (השינוי האלוטרופי הכי אינרטי), גרפיט, פולרן וקרבין.

פחם ופיח הם פחמן אמורפי. לפחמן במצב זה אין מבנה מסודר והוא מורכב למעשה מהשברים הקטנים ביותר של שכבות גרפיט. פחמן אמורפי שטופל באדי מים חמים נקרא פחמן פעיל. 1 גרם של פחם פעיל, בשל נוכחות של נקבוביות רבות בו, יש משטח כולל של יותר משלוש מאות מטרים רבועים! בשל יכולת הספיגה שלו חומרים שוניםממצאי פחם פעיל יישום רחבכמו מילוי מסנן, כמו גם enterosorbent עבור סוגים שוניםהַרעָלָה.

מנקודת מבט כימית, פחמן אמורפי הוא צורתו הפעילה ביותר, הגרפיט מפגין פעילות בינונית, והיהלום הוא חומר אינרטי ביותר. מסיבה זו, התכונות הכימיות של הפחמן הנחשבות להלן צריכות להיות מיוחסות בעיקר לפחמן אמורפי.

הפחתת תכונות הפחמן

כחומר מפחית, פחמן מגיב עם לא מתכות כגון חמצן, הלוגנים וגופרית.

בהתאם לעודף או מחסור בחמצן במהלך שריפת הפחם, היווצרות של פחמן חד חמצני CO או פחמן דו חמצני CO 2 אפשרית:

כאשר פחמן מגיב עם פלואור, נוצר פחמן טטרפלואוריד:

כאשר פחמן מחומם עם גופרית, נוצר פחמן דיסולפיד CS 2:

פחמן מסוגל להפחית מתכות לאחר אלומיניום בסדרת הפעילות מהתחמוצות שלהן. לדוגמה:

פחמן מגיב גם עם תחמוצות של מתכות פעילות, עם זאת, במקרה זה, ככלל, לא נצפתה הפחתת המתכת, אלא היווצרות הקרביד שלה:

אינטראקציה של פחמן עם תחמוצות שאינן מתכות

פחמן נכנס לתגובת פרופורציה משותפת עם פחמן דו חמצני CO 2:

אחד התהליכים החשובים ביותר מנקודת מבט תעשייתית הוא מה שנקרא רפורמה בקיטור של פחם. התהליך מתבצע על ידי העברת אדי מים דרך פחם חם. במקרה זה מתרחשת התגובה הבאה:

בטמפרטורות גבוהות, פחמן מסוגל להפחית אפילו תרכובת אינרטית כמו סיליקון דו חמצני. במקרה זה, בהתאם לתנאים, תיתכן היווצרות של סיליקון או סיליקון קרביד ( קרבורונדום):

כמו כן, פחמן כחומר מפחית מגיב עם חומצות מחמצנות, בפרט, חומצות גופריתיות וחנקתיות מרוכזות:

תכונות חמצון של פחמן

היסוד הכימי פחמן אינו אלקטרוני מאוד, ולכן החומרים הפשוטים שהוא יוצר מפגינים רק לעתים נדירות תכונות מחמצנות ביחס לא-מתכות אחרות.

דוגמה לתגובות כאלה היא האינטראקציה של פחמן אמורפי עם מימן כאשר הוא מחומם בנוכחות זרז:

כמו גם עם סיליקון בטמפרטורה של 1200-1300 בערך C:

פחמן מפגין תכונות חמצון ביחס למתכות. פחמן מסוגל להגיב עם מתכות פעילות וכמה מתכות בעלות פעילות בינונית. התגובות ממשיכות בחימום:

קרבידים מתכתיים פעילים עוברים הידרוליזה על ידי מים:

כמו גם תמיסות של חומצות לא מחמצנות:

במקרה זה נוצרים פחמימנים המכילים פחמן באותו מצב חמצון כמו בקרביד המקורי.

תכונות כימיות של סיליקון

סיליקון יכול להתקיים, כמו גם פחמן במצב הגבישי והאמורפי, ובדיוק כמו במקרה של פחמן, הסיליקון האמורפי פעיל יותר מבחינה כימית מסיליקון גבישי.

לפעמים סיליקון אמורפי וגבישי נקרא השינויים האלוטרופיים שלו, מה שלמעשה אינו נכון לחלוטין. סיליקון אמורפי הוא בעצם קונגלומרט של החלקיקים הקטנים ביותר של סיליקון גבישי המסודרים באופן אקראי זה ביחס לזה.

אינטראקציה של סיליקון עם חומרים פשוטים

לא מתכות

בתנאים רגילים, סיליקון, בשל האדישות שלו, מגיב רק עם פלואור:

סיליקון מגיב עם כלור, ברום ויוד רק בחימום. זה אופייני, בהתאם לפעילות ההלוגן, נדרשת טמפרטורה שונה בהתאם:

אז עם כלור, התגובה ממשיכה ב-340-420 מעלות צלזיוס:

עם ברום - 620-700 o C:

עם יוד - 750-810 מעלות צלזיוס:

התגובה של סיליקון עם חמצן ממשיכה, עם זאת, היא דורשת חימום חזק מאוד (1200-1300 מעלות צלזיוס) בגלל העובדה שסרט תחמוצת חזק מקשה על אינטראקציה:

בטמפרטורה של 1200-1500 מעלות צלזיוס, הסיליקון יוצר אינטראקציה איטית עם פחמן בצורה של גרפיט ויוצר קרבורונדום SiC - חומר בעל סריג גביש אטומי הדומה ליהלום וכמעט אינו נחות ממנו בחוזק:

הסיליקון אינו מגיב עם מימן.

מתכות

בשל האלקטרושליליות הנמוכה שלו, הסיליקון יכול להפגין תכונות חמצון רק ביחס למתכות. מבין המתכות, סיליקון מגיב עם פעילות אקטיבית (אלקלית ואדמה בסיסית), כמו גם מתכות רבות בעלות פעילות בינונית. כתוצאה מאינטראקציה זו נוצרים סיליקידים:

אינטראקציה של סיליקון עם חומרים מורכבים

הסיליקון אינו מגיב עם מים גם בעת רתיחה, עם זאת, סיליקון אמורפי יוצר אינטראקציה עם אדי מים מחוממים בטמפרטורה של כ-400-500 מעלות צלזיוס. זה מייצר מימן ודו-תחמוצת הסיליקון:

מכל החומצות, סיליקון (במצבו האמורפי) מגיב רק עם חומצה הידרופלואורית מרוכזת:

סיליקון מתמוסס בתמיסות אלקליות מרוכזות. התגובה מלווה בהתפתחות המימן.