תקציר: פחמן ותרכובותיו האנאורגניות הבסיסיות. פחמן

MOU "ממוצע Nikiforovskaya בית ספר מקיף№1"

פחמן והתרכובות האנאורגניות העיקריות שלו

תַקצִיר

הושלם על ידי: תלמיד כיתה 9ב

סידורוב אלכסנדר

מורה: סחרובה ל.נ.

דמיטרייבקה 2009

מבוא

פרק א' הכל על פחמן

1.1. פחמן בטבע

1.2. שינויים אלוטרופיים של פחמן

1.3. תכונות כימיות של פחמן

1.4. יישום של פחמן

פרק ב. תרכובות פחמן אנאורגניות

סיכום

סִפְרוּת

מבוא

פחמן (lat. Carboneum) C - יסוד כימי מקבוצה IV מערכת תקופתיתמנדלייב: מספר אטומי 6, מסה אטומית 12.011(1). שקול את המבנה של אטום הפחמן. ישנם ארבעה אלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית של אטום הפחמן. בוא נרשום את זה בגרף:

פחמן ידוע מאז ימי קדם, ושמו של מגלה יסוד זה אינו ידוע.

בסוף המאה ה- XVII. המדענים הפלורנטיניים אוורני וטרג'יוני ניסו למזג כמה יהלומים קטנים לתוך אחד גדול וחיממו אותם בעזרת זכוכית בוערת עם קרני השמש. היהלומים נעלמו לאחר שריפה באוויר. בשנת 1772 הראה הכימאי הצרפתי א' לבואזיה כי CO 2 נוצר במהלך שריפת היהלום. רק בשנת 1797, המדען האנגלי S. Tennant הוכיח את זהות טבעם של גרפיט ופחם. לאחר שריפת כמויות שוות של פחם ויהלום, התברר שהנפחים של חד תחמוצת הפחמן (IV) זהים.

מגוון תרכובות הפחמן, בשל יכולתם של האטומים שלו להתחבר זה עם זה ואטומים של יסודות אחרים דרכים שונות, קובע את מיקומו המיוחד של פחמן בין שאר היסודות.

פֶּרֶק אני . הכל על פחמן

1.1. פחמן בטבע

פחמן נמצא בטבע הן במצב חופשי והן בצורה של תרכובות.

פחמן חופשי מופיע כיהלום, גרפיט וקרבין.

יהלומים נדירים מאוד. היהלום הידוע הגדול ביותר - "קולינאן" נמצא בשנת 1905 בדרום אפריקה, משקלו 621.2 גרם ומידותיו 10 × 6.5 × 5 ס"מ. קרן היהלומים במוסקבה מחזיקה באחד היהלומים הגדולים והיפים בעולם - "אורלוב" (37.92 ז).

היהלום קיבל את שמו מהיוונית. "אדמס" - בלתי מנוצח, בלתי ניתן להריסה. מרבצי היהלומים המשמעותיים ביותר נמצאים בדרום אפריקה, ברזיל ויקוטיה.

מרבצים גדולים של גרפיט נמצאים בגרמניה, בסרי לנקה, בסיביר, באלטאי.

המינרלים הנושאים פחמן העיקריים הם: מגנזיט MgCO 3, קלציט (סיד סיד, אבן גיר, שיש, גיר) CaCO 3, דולומיט CaMg (CO 3) 2 וכו'.

כל הדלקים המאובנים - נפט, גז, כבול, פחם קשה וחום, פצלים - בנויים על בסיס פחמן. קרוב בהרכבו לפחמן ישנם כמה גחלים מאובנים המכילים עד 99% C.

פחמן מהווה 0.1% מקרום כדור הארץ.

בצורת פחמן חד חמצני (IV) CO 2 פחמן הוא חלק מהאטמוספרה. מומס בהידרוספירה מספר גדול של CO2.

1.2. שינויים אלוטרופיים של פחמן

פחמן יסודי יוצר שלושה שינויים אלוטרופיים: יהלום, גרפיט, קרבין.

1. יהלום הוא חומר גבישי חסר צבע ושקוף השובר את קרני האור בצורה חזקה במיוחד. אטומי פחמן ביהלום נמצאים במצב של הכלאה sp 3. במצב הנרגש, האלקטרונים הערכיים באטומי הפחמן מתבלים ונוצרים ארבעה אלקטרונים לא מזווגים. כאשר נוצרים קשרים כימיים, ענני אלקטרונים מקבלים את אותה צורה מוארכת וממוקמים בחלל כך שהצירים שלהם מכוונים לעבר קודקודי הטטרהדרון. כאשר ראשי העננים הללו חופפים לעננים של אטומי פחמן אחרים, מופיעים קשרים קוולנטיים בזווית של 109°28", ונוצר סריג גביש אטומי, האופייני ליהלום.

כל אטום פחמן ביהלום מוקף בארבעה אחרים הממוקמים ממנו בכיוונים ממרכז הטטרהדרה אל הקודקודים. המרחק בין האטומים בטטרהדרה הוא 0.154 ננומטר. החוזק של כל הקשרים זהה. לפיכך, האטומים ביהלום "ארוזים" בצורה הדוקה מאוד. ב-20 מעלות צלזיוס, צפיפות היהלום היא 3.515 גרם/ס"מ 3. זה מסביר את הקשיחות יוצאת הדופן שלו. יהלום לא מתנהל טוב חַשְׁמַל.

בשנת 1961 החל הייצור התעשייתי של יהלומים סינתטיים מגרפיט בברית המועצות.

בסינתזה תעשייתית של יהלומים משתמשים בלחצים של אלפי MPa וטמפרטורות מ-1500 עד 3000 מעלות צלזיוס. התהליך מתבצע בנוכחות זרזים, שיכולים להיות מתכות מסוימות, כגון Ni. עיקר היהלומים שנוצרו הם גבישים קטנים ואבק יהלומים.

יהלום, כאשר מחומם ללא גישה לאוויר מעל 1000 מעלות צלזיוס, הופך לגרפיט. ב-1750 מעלות צלזיוס, הפיכת יהלום לגרפיט מתרחשת במהירות.

מבנה של יהלום

2. גרפיט הוא חומר גבישי אפור-שחור בעל ברק מתכתי, שומני למגע, נחות בקשיותו אפילו מנייר.

אטומי פחמן בגבישי גרפיט נמצאים במצב של הכלאה sp 2: כל אחד מהם יוצר שלושה קשרי σ קוולנטיים עם אטומים שכנים. הזוויות בין כיווני הקשר הן 120°. התוצאה היא רשת המורכבת ממשושים רגילים. המרחק בין גרעינים סמוכים של אטומי פחמן בתוך השכבה הוא 0.142 ננומטר. האלקטרון הרביעי של השכבה החיצונית של כל אטום פחמן בגרפיט תופס אורביטל p, שאינו מעורב בהכלאה.

ענני אלקטרונים שאינם היברידיים של אטומי פחמן מכוונים בניצב למישור השכבה, וחופפים זה לזה, יוצרים קשרי σ דה-לוקאליים. שכבות שכנות בגביש גרפיט ממוקמות במרחק של 0.335 ננומטר זו מזו ומקושרות זו בזו בצורה חלשה, בעיקר על ידי כוחות ואן דר ואלס. לכן, לגרפיט חוזק מכני נמוך והוא מתפצל בקלות לפתיתים, שהם חזקים מאוד בפני עצמם. הקשר בין שכבות אטומי הפחמן בגרפיט הוא מתכתי חלקית. זה מסביר את העובדה שגרפיט מוליך חשמל היטב, אבל עדיין לא כמו מתכות.

מבנה גרפיט

תכונות פיזיקליות בגרפיט שונות מאוד בכיוונים - בניצב ומקביל לשכבות אטומי הפחמן.

בחימום ללא גישה לאוויר, הגרפיט אינו עובר שינויים עד 3700 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו, הוא משתדרג ללא נמס.

גרפיט מלאכותי מתקבל מהדרגות הטובות ביותר של פחם קשה ב-3000 מעלות צלזיוס בתנורים חשמליים ללא גישה לאוויר.

הגרפיט יציב מבחינה תרמודינמית על פני מגוון רחב של טמפרטורות ולחצים, ולכן הוא מקובל כמצב הסטנדרטי של פחמן. הצפיפות של גרפיט היא 2.265 גרם/ס"מ 3.

3. קרבין - אבקה שחורה עדינה. במבנה הגבישי שלו, אטומי פחמן מחוברים על ידי קשרים בודדים ומשולשים לסירוגין לשרשראות ליניאריות:

−С≡С−С≡С−С≡С−

חומר זה הושג לראשונה על ידי V.V. קורשק, א.מ. סלדקוב, V.I. קסטוצ'קין, יו.פ. קודריאבצב בתחילת שנות ה-60.

לאחר מכן, הוכח שקרבין יכול להתקיים בצורות שונות ומכיל שרשרות פוליאצטילן ופוליקומולן בהן אטומי פחמן מקושרים בקשרים כפולים:

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

מאוחר יותר נמצאה קרבין בטבע - בחומר מטאוריטים.

לקרבין יש תכונות מוליכים למחצה; תחת פעולת האור, המוליכות שלו עולה מאוד. בשל הקיום סוגים שוניםתקשורת ו דרכים שונותהערמה של שרשראות של אטומי פחמן בסריג הגביש, התכונות הפיזיקליות של קרבין יכולות להשתנות בטווח רחב. כאשר מחומם ללא גישה לאוויר מעל 2000 מעלות צלזיוס, הקרבין יציב; בטמפרטורות של כ-2300 מעלות צלזיוס, המעבר שלו לגרפיט נצפה.

פחמן טבעי מורכב משני איזוטופים

(98.892%) ו- (1.108%). בנוסף, נמצאו באטמוספירה זיהומים קלים של איזוטופ רדיואקטיבי, המתקבלים באופן מלאכותי.

בעבר, האמינו כי פחם, פיח וקולה קרובים בהרכבם לפחמן טהור ונבדלים בתכונותיהם מיהלום וגרפיט, מייצגים שינוי אלוטרופי עצמאי של פחמן ("פחמן אמורפי"). עם זאת, נמצא כי חומרים אלו מורכבים מהחלקיקים הגבישיים הקטנים ביותר שבהם אטומי פחמן מחוברים באותו אופן כמו בגרפיט.

4. פחם - גרפיט מחולק דק. הוא נוצר במהלך הפירוק התרמי של תרכובות המכילות פחמן ללא גישה לאוויר. גחלים שונות באופן משמעותי בתכונות בהתאם לחומר שממנו הם מתקבלים ולשיטת ההכנה. הם תמיד מכילים זיהומים המשפיעים על תכונותיהם. הדרגות החשובות ביותר של פחם הן קוק, פחם ופיח.

קולה מתקבל על ידי חימום פחם בהיעדר אוויר.

פחם נוצר כאשר עץ מחומם בהיעדר אוויר.

פיח הוא אבקה גבישית גרפיט עדינה מאוד. הוא נוצר במהלך בעירה של פחמימנים (גז טבעי, אצטילן, טרפנטין וכו') עם גישה מוגבלת לאוויר.

פחמים פעילים הם סופחים תעשייתיים נקבוביים המורכבים בעיקר מפחמן. ספיחה היא ספיגה על ידי פני השטח של מוצקים של גזים וחומרים מומסים. פחמן פעיל מתקבל מדלקים מוצקים (כבול, חום ופחם קשה, אנתרציט), עץ ומוצרי עיבודו ( פֶּחָם, נסורת, פסולת נייר), פסולת תעשיית העור, חומרים ממקור בעלי חיים כגון עצמות. גחלים, המאופיינים בחוזק מכני גבוה, מופקים מקליפות של אגוזי קוקוס ואגוזים אחרים, מזרעי פירות. מבנה הפחמים מיוצג על ידי נקבוביות בכל הגדלים, עם זאת, יכולת הספיחה וקצב הספיחה נקבעים על ידי תכולת המיקרו-נקבים ליחידת מסה או נפח של גרגירים. בייצור פחם פעיל עובר חומר הגלם תחילה טיפול בחום ללא גישה לאוויר, וכתוצאה מכך מוסרים ממנו לחות ושרף חלקית. במקרה זה, נוצר מבנה בעל נקבוביות גדולות של פחם. כדי לקבל מבנה מיקרו נקבובי, ההפעלה מתבצעת על ידי חמצון עם גז או קיטור, או על ידי טיפול עם ריאגנטים כימיים.

במאמר זה נשקול אלמנט המהווה חלק מהטבלה המחזורית של D.I. מנדלייב, כלומר פחמן. במינוח המודרני, הוא מסומן בסמל C, נכלל בקבוצה הארבע-עשרה והוא "משתתף" של התקופה השנייה, בעל המספר הסידורי השישי, וה-a.m.u. = 12.0107.

אורביטלים אטומיים והכלאה שלהם

נתחיל בבחינת הפחמן עם האורביטלים שלו והכלאה שלהם - תכונותיו העיקריות, שבזכותן הוא מפתיע עד היום מדענים בכל רחבי העולם. מה המבנה שלהם?

ההכלאה של אטום הפחמן מסודרת כך שאלקטרוני הערכיות תופסים מיקומים בשלושה אורביטלים, כלומר: אחד נמצא באורביטלי 2s, ושניים נמצאים באורביטלים 2p. השניים האחרונים מתוך שלושת האורביטלים יוצרים זווית השווה ל-90 מעלות זה ביחס לזה, ולאורביטל 2s יש סימטריה כדורית. עם זאת, צורת סידור זו של האורביטלים הנחשבים אינה מאפשרת לנו להבין מדוע פחמן, הנכנס לתרכובות אורגניות, יוצר זוויות של 120, 180 ו-109.5 מעלות. הנוסחה למבנה האלקטרוני של אטום הפחמן מתבטאת בצורה הבאה: (He) 2s 2 2p 2 .

הפתרון של הסתירה שנוצרה נעשה על ידי הכנסת למחזור את המושג הכלאה של אורביטלים אטומיים. כדי להבין את האופי התלת-הדרלי, הוריאנטי של C, היה צורך ליצור שלוש צורות ייצוג של ההכלאה שלו. התרומה העיקרית להופעתו ולפיתוחו של מושג זה נעשתה על ידי לינוס פאולינג.

מאפייני אופי פיזי

המבנה של אטום הפחמן קובע את נוכחותם של מספר תכונות מסוימות בעלות אופי פיזיקלי. האטומים של יסוד זה יוצרים חומר פשוט - פחמן, שיש לו שינויים. שינויים בשינויים במבנה שלו יכולים להקנות מאפיינים איכותיים שונים לחומר שנוצר. הסיבה לנוכחותם של מספר רב של שינויים בפחמן נעוצה ביכולתו ליצור וליצור סוגים שונים של קשרים כימיים.

המבנה של אטום הפחמן יכול להשתנות, מה שמאפשר לו לקבל מספר מסוים של צורות איזוטופיות. פחמן המצוי בטבע נוצר באמצעות שני איזוטופים במצב יציב - 12 C ו- 13 C - ואיזוטופ בעל תכונות רדיואקטיביות - 14 C. האיזוטופ האחרון מרוכז בשכבות העליונות של קרום כדור הארץ ובאטמוספירה. עקב השפעת הקרינה הקוסמית, כלומר הנייטרונים שלה, על גרעין אטומי החנקן, נוצר איזוטופ רדיואקטיבי 14 C. לאחר אמצע שנות החמישים של המאה העשרים, הוא החל ליפול לתוך סביבהכמוצר מעשה ידי אדם שנוצר במהלך הפעלת תחנות כוח גרעיניות, וכתוצאה משימוש בפצצת מימן. טכניקת התיארוך הרדיואקטיבית מבוססת על תהליך ההתפרקות של 14 C, אשר מצאה את יישומו הרחב בארכיאולוגיה ובגיאולוגיה.

שינוי של פחמן בצורה אלוטרופית

בטבע ישנם חומרים רבים המכילים פחמן. האדם משתמש במבנה של אטום הפחמן למטרותיו שלו בעת יצירתו חומרים שונים, שביניהם:

פחמנים גבישיים (יהלומים, ננו-צינוריות פחמן, סיבים וחוטים, פולרנים וכו').
פחמים אמורפיים (פעיל ופחם, סוגים שונים של קוק, פחמן שחור, פיח, ננו-קצף ואנתרציט).
צורות מקבץ של פחמן (דיקרבונים, ננוקוונים ותרכובות אסטרלן).

תכונות מבניות של המבנה האטומי

למבנה האלקטרוני של אטום הפחמן יכולה להיות גיאומטריה שונה, התלויה ברמת ההכלאה של האורביטלים שיש לו. ישנם 3 סוגים עיקריים של גיאומטריה:

טטרהדרלית - נוצרת עקב תזוזה של ארבעה אלקטרונים, אחד מהם הוא s-, ושלושה שייכים לאלקטרונים p. אטום C תופס מיקום מרכזי בטטרהדרון, מחובר על ידי ארבעה קשרי סיגמה שוות ערך עם אטומים אחרים התופסים את החלק העליון של הטטרהדרון הזה. עם סידור גיאומטרי זה של פחמן, ניתן ליצור צורות אלוטרופיות שלו, כגון יהלום ולונסדלייט.
טריגונל - חייב את הופעתו לתזוזה של שלושה אורביטלים, מהם אחד s- ושניים p-. ישנם שלושה קשרי סיגמא שנמצאים במיקום שווה זה לזה; הם שוכבים במישור משותף ונצמדים לזווית של 120 מעלות זה ביחס לזה. ה-p-orbital החופשי ממוקם בניצב למישור קשרי הסיגמה. לגרפיט יש גיאומטריית מבנה דומה.
אלכסון - מופיע עקב ערבוב של s- ו-p-אלקטרונים (הכלאה sp). ענני האלקטרונים נמתחים לאורכם כיוון כלליוללבוש צורה של משקולת אסימטרית. אלקטרונים חופשיים יוצרים קשרי π. מבנה זה של גיאומטריה בפחמן מוליד את המראה של קרבין, צורה מיוחדת של שינוי.

אטומי פחמן בטבע

המבנה והתכונות של אטום הפחמן נחשבו זה מכבר על ידי האדם ומשמשים להשגת מספר רב של חומרים שונים. האטומים של יסוד זה, בשל יכולתם הייחודית ליצור קשרים כימיים שונים ונוכחות הכלאה של אורביטלים, יוצרים שינויים אלוטרופיים רבים ושונים בהשתתפות יסוד אחד בלבד, מאטומים מאותו סוג, פחמן.

בטבע נמצא פחמן בקרום כדור הארץ; לובש צורה של יהלומים, גרפיטים, משאבי טבע שונים דליקים, למשל, נפט, אנתרציט, פחם חום, פצלי עץ, כבול וכו'. הוא חלק מהגזים המשמשים את האדם בתעשיית האנרגיה. פחמן בהרכב הדו-חמצני שלו ממלא את ההידרוספירה ואת האטמוספירה של כדור הארץ, ובאוויר הוא מגיע ל-0.046%, ובמים - עד פי שישים יותר.

בגוף האדם, C כלול בכמות השווה ל-21% בערך, והוא מופרש בעיקר באמצעות שתן ואוויר נשוף. אותו יסוד מעורב במחזור הביולוגי, הוא נספג בצמחים ונצרך במהלך תהליכי הפוטוסינתזה.

אטומי פחמן, בשל יכולתם ליצור מגוון קשרים קוולנטיים ולבנות שרשראות, ואפילו מחזוריות מהם, יכולים ליצור כמות עצומה של חומרים אורגניים. בנוסף, יסוד זה הוא חלק מהאטמוספרה הסולארית, בהיותו בתרכובות עם מימן וחנקן.

תכונות של טבע כימי

כעת שקול את המבנה והתכונות של אטום הפחמן מנקודת מבט כימית.

חשוב לדעת שפחמן מפגין תכונות אינרטיות בטמפרטורות רגילות, אך יכול להראות לנו תכונות מפחיתות בהשפעת טמפרטורות גבוהות. מצבי החמצון העיקריים: + - 4, לפעמים +2, וגם +3.

משתתף בתגובות עם מספר רב של אלמנטים. עלול להגיב עם מים, מימן, הלוגנים, מתכות אלקליות, חומצות, פלואור, גופרית וכו'.

המבנה של אטום הפחמן מוליד מספר עצום להפליא של חומרים המופרדים למחלקה נפרדת. תרכובות כאלה נקראות אורגניות ומבוססות על C. הדבר אפשרי בשל התכונה של האטומים של יסוד זה ליצור שרשראות פולימריות. בין הקבוצות המפורסמות והנרחבות ביותר ניתן למנות חלבונים (חלבונים), שומנים, פחמימות ותרכובות פחמימנים.

שיטות הפעלה

בשל המבנה הייחודי של אטום הפחמן ותכונותיו הנלוות, היסוד נמצא בשימוש נרחב בבני אדם, למשל בעת יצירת עפרונות, התכת כור היתוך מתכת - כאן נעשה שימוש בגרפיט. יהלומים משמשים כחומרי שוחקים, תכשיטים, מקדחים וכו'.

פרמקולוגיה ורפואה עוסקות גם בשימוש בפחמן במגוון תרכובות. יסוד זה הוא חלק מפלדה, משמש בסיס לכל חומר אורגני, משתתף בתהליך הפוטוסינתזה וכו'.

רעילות יסוד

מבנה האטום של היסוד פחמן מכיל נוכחות של השפעה מסוכנת על חומר חי. פחמן נכנס לעולם סביבנו כתוצאה משריפת פחם בתחנות כוח תרמיות, הוא חלק מהגזים שמייצרים מכוניות, במקרה של תרכיז פחם וכו'.

אחוז תכולת הפחמן באירוסולים גבוה, מה שגורר עלייה באחוז התחלואה בבני אדם. דרכי הנשימה העליונות והריאות מושפעות לרוב. מחלות מסוימות יכולות להיות מסווגות כמקצועיות, למשל, ברונכיטיס אבק ומחלות מקבוצת הפנאומוקונוזיס.

14 C הוא רעיל, וחוזק השפעתו נקבע על ידי אינטראקציה של קרינה עם חלקיקי β. אטום זה הוא חלק מהרכבן של מולקולות ביולוגיות, כולל אלו המצויות בחומצות דאוקסי וריבונוקלאיות. הכמות המותרת של 14 C באוויר של אזור העבודה נחשבת ל-1.3 Bq/l. הכמות המקסימלית של פחמן הנכנס לגוף במהלך הנשימה שווה ל-3.2*10 8 Bq/שנה.

פַּחמָן(lat. Carboneum), C, יסוד כימי מקבוצה IV של המערכת המחזורית מנדלייב, מספר אטומי 6, מסה אטומית 12.011. ידועים שני איזוטופים יציבים: 12 C (98.892%) ו-13 C (1.108%). מבין האיזוטופים הרדיואקטיביים, החשוב ביותר הוא 14 C עם זמן מחצית חיים (T ½ \u003d 5.6 10 3 שנים). כמויות קטנות של 14 C (בערך 2 10 -10% במסה) נוצרות כל הזמן באטמוספירה העליונה תחת פעולת נויטרונים של קרינה קוסמית על איזוטופ החנקן 14 N. גילם נקבע על פי הפעילות הספציפית של איזוטופ 14 C ב השרידים ממקור ביוגני. 14 C נמצא בשימוש נרחב בתור נותב איזוטופים.

התייחסות להיסטוריה.פחמן ידוע מאז ימי קדם. פחם שימש להשבת מתכות מעפרות, יהלום - כאבן יקרות. הרבה יותר מאוחר, גרפיט שימש לייצור כור היתוך ועפרונות.

בשנת 1778 גילה K. Scheele, מחמם גרפיט עם מלח, שבמקרה זה, כמו גם בעת חימום פחם עם מלח, משתחרר פחמן דו חמצני. ההרכב הכימי של היהלום נקבע כתוצאה מהניסויים של א' לבויזיה (1772) על שריפת יהלום באוויר ומחקריו של S. Tennant (1797), שהוכיח כי כמויות שוות של יהלום ופחם נותנות כמויות שוות. של פחמן דו חמצני במהלך חמצון. פחמן הוכר כיסוד כימי בשנת 1789 על ידי Lavoisier. שם לטיני carboneum פחמן המתקבל מפחם - פחם.

הפצת פחמן בטבע.התכולה הממוצעת של פחמן בקרום כדור הארץ היא 2.3 10 -2% במסה (1 10 -2 באולטרה-בסיסי, 1 10 -2 - בבסיסי, 2 10 -2 - בבינוני, 3 10 -2 - בסלעים חומציים) . פחמן מצטבר בחלק העליון של קרום כדור הארץ (ביוספירה): בחומר חי 18% פחמן, עץ 50%, פחם 80%, שמן 85%, אנתרציט 96%. חלק ניכר מהפחמן בליתוספרה מרוכז באבני גיר ובדולומיטים.

מספר המינרלים שלו פחמן - 112; מספר רב במיוחד של תרכובות אורגניות של פחמן - פחמימנים ונגזרותיהם.

עם הצטברות פחמן בקרום כדור הארץ קשורה הצטברות של יסודות רבים אחרים הנספגים בחומר אורגני ומושקעים 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.

בהשוואה לתכולה הממוצעת בקרום כדור הארץ, האנושות מפיקה פחמן מהמעמקים (פחם, נפט, גז טבעי) בכמויות גדולות במיוחד, שכן מאובנים אלו הם מקור האנרגיה העיקרי.

למחזור הפחמן חשיבות גיאוכימית רבה.

פחמן מופץ באופן נרחב גם בחלל; על השמש, הוא תופס את המקום הרביעי אחרי מימן, הליום וחמצן.

תכונות פיזיקליות של פחמן.ידועים מספר שינויים גבישיים של פחמן: גרפיט, יהלום, קרבין, לונסדלייט ואחרים. גרפיט - אפור-שחור, אטום, שומני למגע, קשקשי, מסה רכה מאוד עם ברק מתכתי. בנוי מגבישים בעלי מבנה משושה: a = 2.462Å, c = 6.701Å. בטמפרטורת החדר ובלחץ רגיל (0.1 MN/m2, או 1 kgf/cm2), הגרפיט יציב מבחינה תרמודינמית. יהלום הוא חומר קשה מאוד, גבישי. הגבישים בעלי סריג קובי במרכז הפנים: a = 3.560Å. בטמפרטורת החדר ובלחץ רגיל, היהלום יציב. טרנספורמציה ניכרת של יהלום לגרפיט נצפית בטמפרטורות מעל 1400 מעלות צלזיוס בוואקום או באווירה אינרטית. בלחץ אטמוספרי ובטמפרטורה של כ-3700 מעלות צלזיוס, הגרפיט עובר סובלימציה. ניתן להשיג פחמן נוזלי בלחצים מעל 10.5 MN/m2 (105 kgf/cm2) ובטמפרטורות מעל 3700°C. פחמן מוצק (קוק, פיח, פחם) מאופיין גם במצב בעל מבנה לא מסודר - הפחמן המכונה "אמורפי", שאינו שינוי עצמאי; המבנה שלו מבוסס על מבנה של גרפיט עדין. חימום של כמה זנים של פחמן "אמורפי" מעל 1500-1600 מעלות צלזיוס ללא גישה לאוויר גורם להפיכתם לגרפיט. התכונות הפיזיקליות של פחמן "אמורפי" תלויות מאוד בעדינות החלקיקים ובנוכחות של זיהומים. הצפיפות, קיבולת החום, המוליכות התרמית והמוליכות החשמלית של פחמן "אמורפי" תמיד גבוהות מאלו של גרפיט. קרבין שהושג באופן מלאכותי. זוהי אבקה שחורה גבישית עדינה (צפיפות 1.9-2 גרם/סמ"ק). הוא בנוי משרשראות ארוכות של אטומי C המוערמים במקביל זה לזה. Lonsdaleite נמצא במטאוריטים ומתקבל באופן מלאכותי.

תכונות כימיות של פחמן.התצורה של מעטפת האלקטרונים החיצונית של אטום הפחמן היא 2s 2 2p 2. פחמן מאופיין ביצירת ארבעה קשרים קוולנטיים עקב עירור של מעטפת האלקטרון החיצונית למצב 2sp 3. לכן, פחמן מסוגל באותה מידה למשוך ולתרום אלקטרונים באותה מידה. הקשר הכימי יכול להתבצע עקב אורביטלים sp 3 -, sp 2 - ו-sp-hybrid, התואמים את מספרי הקואורדינציה 4, 3 ו-2. מספר אלקטרוני הערכיות של פחמן ומספר האורביטלים הערכיים זהים ; זו אחת הסיבות ליציבות הקשר בין אטומי פחמן.

היכולת הייחודית של אטומי פחמן להתחבר זה עם זה ליצירת שרשראות ומחזורים חזקים וארוכים הביאה להופעתם של מספר עצום של תרכובות פחמן שונות שנחקרו על ידי הכימיה האורגנית.

בתרכובות, פחמן מציג מצבי חמצון -4; +2; +4. רדיוס אטומי 0.77Å, רדיוסים קוולנטיים 0.77Å, 0.67Å, 0.60Å בהתאמה בקשרים בודדים, כפולים ומשולשים; רדיוס יוני C 4- 2.60Å, C 4+ 0.20Å. בתנאים רגילים, פחמן אינרטי מבחינה כימית, טמפרטורה גבוהההוא משתלב עם אלמנטים רבים, מראה תכונות צמצום חזקות. הפעילות הכימית יורדת בסדרה: פחמן "אמורפי", גרפיט, יהלום; אינטראקציה עם חמצן אטמוספרי (בעירה) מתרחשת בהתאמה בטמפרטורות מעל 300-500 מעלות צלזיוס, 600-700 מעלות צלזיוס ו-850-1000 מעלות צלזיוס עם היווצרות של פחמן חד חמצני (IV) CO 2 ופחמן חד חמצני (II) CO.

CO 2 מתמוסס במים ויוצר חומצה פחמנית. בשנת 1906, O. Diels השיג תת-חמצן פחמן C 3 O 2. כל צורות הפחמן עמידות בפני אלקליות וחומצות ומתחמצנות באיטיות רק על ידי חומרי חמצון חזקים מאוד (תערובת כרום, תערובת של HNO 3 ו-KClO 3 מרוכזים ואחרים). פחמן "אמורפי" מגיב עם פלואור בטמפרטורת החדר, גרפיט ויהלום - בחימום. החיבור הישיר של פחמן עם כלור מתרחש בקשת חשמלית; עם ברום ויוד פחמן אינו מגיב, ולכן הלידים רבים של פחמן מסונתזים בעקיפין. מאוקסיהלידים נוסחה כללית COX 2 (כאשר X הוא הלוגן) COCl כלור (פוסגן) הוא הידוע ביותר. מימן אינו יוצר אינטראקציה עם יהלום; הוא מגיב עם גרפיט ופחמן "אמורפי" בטמפרטורות גבוהות בנוכחות זרזים (Ni, Pt): ב-600-1000 מעלות צלזיוס, נוצר בעיקר מתאן CH 4, ב-1500-2000 מעלות צלזיוס - אצטילן C 2 H 2; פחמימנים אחרים עשויים להיות נוכחים במוצרים, למשל C 2 H 6 ethane, C 6 H 6 benzene. האינטראקציה של גופרית עם פחמן "אמורפי" וגרפיט מתחילה ב-700-800 מעלות צלזיוס, עם יהלום ב-900-1000 מעלות צלזיוס; בכל המקרים נוצר פחמן דיסולפיד CS 2. תרכובות פחמן אחרות המכילות גופרית (תיאוקסיד CS, תחמוצת תיון C 3 S 2, COS sulfide ו-CSCl 2 thiophosgene) מתקבלות בעקיפין. כאשר CS 2 יוצר אינטראקציה עם סולפידים מתכתיים, נוצרים תיוקרבונטים - מלחים של חומצה תיוקרבונית חלשה. האינטראקציה של פחמן עם חנקן להשגת ציאן (CN) 2 מתרחשת במעבר פריקה חשמליתבין אלקטרודות פחמן באווירת חנקן. בין תרכובות המכילות חנקן של פחמן, מימן ציאניד HCN (חומצה פרוסית) ונגזרותיו הרבות: ציאנידים, הלוציאנידים, ניטרילים ואחרים הם בעלי חשיבות מעשית רבה. בטמפרטורות מעל 1000 מעלות צלזיוס, פחמן יוצר אינטראקציה עם מתכות רבות, ונותן קרבידים. כל צורות הפחמן, כשהן מחוממות, מפחיתות תחמוצות מתכות עם היווצרות מתכות חופשיות (Zn, Cd, Cu, Pb ואחרות) או קרבידים (CaC 2, Mo 2 C, WC, TaC ואחרים). פחמן מגיב בטמפרטורות מעל 600-800 מעלות צלזיוס עם אדי מים ופחמן דו חמצני (גיזה של דלקים). תכונה ייחודיתגרפיט הוא היכולת ליצור אינטראקציה עם מתכות אלקליות והלידים עם חימום מתון ל-300-400 מעלות צלזיוס ליצירת תרכובות תכלילים מסוג C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (כאשר X הוא הלוגן, Me היא מתכת) . תרכובות הכללת גרפיט ידועות עם HNO 3, H 2 SO 4, FeCl 3 ואחרים (לדוגמה, גרפיט ביסולפט C 24 SO 4 H 2). כל צורות הפחמן אינן מסיסות בממיסים אנאורגניים ואורגניים נפוצים, אך מסיסות בכמה מתכות מותכות (למשל Fe, Ni, Co).

המשמעות הכלכלית של הפחמן נקבעת על ידי העובדה שלמעלה מ-90% מכלל מקורות האנרגיה העיקריים הנצרכים בעולם הם דלקים מאובנים, שתפקידם הדומיננטי יישאר בעשורים הבאים, למרות הפיתוח האינטנסיבי של האנרגיה הגרעינית. רק כ-10% מהדלק המופק משמש כחומר גלם לסינתזה אורגנית בסיסית ולסינתזה פטרוכימית, לייצור פלסטיק ואחרים.

פחמן בגוף.פחמן הוא היסוד הביוגני החשוב ביותר המהווה את הבסיס לחיים על פני כדור הארץ, היחידה המבנית של מספר עצום של תרכובות אורגניות המעורבות בבניית אורגניזמים ובהבטחת פעילותם החיונית (ביופולימרים, כמו גם חומרים ביולוגיים בעלי משקל מולקולרי נמוך רבים - ויטמינים , הורמונים, מתווכים ואחרים). חלק ניכר מהאנרגיה הנדרשת לאורגניזמים נוצר בתאים עקב חמצון הפחמן. הופעת החיים על פני כדור הארץ נחשבת ב מדע עכשוויכתהליך מורכב של אבולוציה של תרכובות פחמן.

תפקידו הייחודי של הפחמן בטבע החי נובע מתכונותיו, אשר במצטבר אינן מוחזקות על ידי שום יסוד אחר במערכת המחזורית. בין אטומי פחמן, כמו גם בין פחמן ליסודות אחרים, נוצרים קשרים כימיים חזקים, אשר, עם זאת, יכולים להישבר ברכים יחסית מצבים פיזיולוגיים(קשרים אלו יכולים להיות בודדים, כפולים או משולשים). היכולת של פחמן ליצור 4 קשרי ערכיות שוות ערך עם אטומי פחמן אחרים מאפשרת לבנות שלדי פחמן מסוגים שונים - ליניארי, מסועף, מחזורי. זה משמעותי שרק שלושה יסודות - C, O ו-H - מהווים 98% מהמסה הכוללת של אורגניזמים חיים. זה משיג כלכלה מסוימת בטבע החי: עם המגוון המבני הכמעט בלתי מוגבל של תרכובות פחמן, מספר קטן של סוגים של קשרים כימיים מאפשר להפחית משמעותית את מספר האנזימים הדרושים לפירוק וסינתזה של חומרים אורגניים. מאפיינים מבניים של אטום הפחמן עומדים בבסיס סוגים שונים של איזומריזם בתרכובות אורגניות (היכולת לאיזומריזם אופטי התבררה כמכריעה בהתפתחות הביוכימית של חומצות אמינו, פחמימות וכמה אלקלואידים).

על פי ההשערה המקובלת של AI Oparin, התרכובות האורגניות הראשונות על פני כדור הארץ היו ממקור אביוגני. מתאן (CH 4 ) ומימן ציאניד (HCN) הכלולים באטמוספרה הראשונית של כדור הארץ שימשו מקורות לפחמן. עם הופעת החיים, המקור היחיד של פחמן אנאורגני, שבגללו נוצר כל החומר האורגני של הביוספרה, הוא חד תחמוצת הפחמן (IV) (CO 2), הנמצא באטמוספירה, וגם מומס במים טבעיים באזור צורה של HCO 3. מנגנון הטמעה (הטמעה) החזק ביותר של פחמן (בצורת CO 2) - פוטוסינתזה - מתבצע בכל מקום על ידי צמחים ירוקים (כ-100 מיליארד טון של CO 2 נטמעים בשנה). על כדור הארץ, קיימת גם דרך אבולוציונית עתיקה יותר להטמעה של CO 2 על ידי כימוסינתזה; במקרה זה, מיקרואורגניזמים כימוסינתטיים אינם משתמשים באנרגיית הקרינה של השמש, אלא באנרגיית החמצון של תרכובות אנאורגניות. רוב בעלי החיים צורכים פחמן עם מזון בצורה של תרכובות אורגניות מוכנות. בהתאם לשיטת ההטמעה של תרכובות אורגניות, נהוג להבחין בין אורגניזמים אוטוטרופיים לאורגניזמים הטרוטרופיים. השימוש במיקרואורגניזמים לביוסינתזה של חלבון וחומרי מזון אחרים, תוך שימוש בפחמימנים נפטיים כמקור הפחמן היחיד, הוא אחת הבעיות המדעיות והטכניות המודרניות החשובות.

תכולת הפחמן ביצורים חיים על בסיס חומר יבש היא: 34.5-40% לצמחי מים ובעלי חיים, 45.4-46.5% לצמחים ובעלי חיים יבשתיים ו-54% לחיידקים. בתהליך של פעילות חיונית של אורגניזמים, בעיקר עקב נשימה של רקמות, מתרחש פירוק חמצוני של תרכובות אורגניות עם שחרור CO 2 לסביבה החיצונית. פחמן משתחרר גם כחלק מתוצרים סופיים מורכבים יותר של חילוף החומרים. לאחר מותם של בעלי חיים וצמחים, חלק מהפחמן הופך שוב ל-CO 2 כתוצאה מתהליכי ריקבון המבוצעים על ידי מיקרואורגניזמים. כך עובר מחזורי פחמן בטבע. חלק ניכר מהפחמן עובר מינרליזציה ויוצר מרבצים של פחמן מאובנים: פחם, נפט, אבן גיר ועוד. בנוסף לתפקיד העיקרי - מקור לפחמן - CO 2, מומס במים טבעיים ובנוזלים ביולוגיים, מעורב בשמירה על האופטימלי עבור תהליכי חייםחומציות של הסביבה. כחלק מ-CaCO 3, פחמן יוצר את השלד החיצוני של חסרי חוליות רבים (לדוגמה, קונכיות רכיכות), והוא נמצא גם באלמוגים, קליפות ביצי ציפורים ועוד. תרכובות פחמן כמו HCN, CO, CCl 4, שרווחו ב כדור הארץ העיקרי בהמשך, בתהליך אבולוציה ביולוגית, הפך לאנטי-מטבוליטים חזקים של חילוף החומרים.

בנוסף לאיזוטופים יציבים של פחמן, רדיואקטיבי 14 C נפוץ בטבע (הוא מכיל כ-0.1 מיקרוקורי בגוף האדם). התקדמות מרכזיות רבות בחקר חילוף החומרים ומחזור הפחמן בטבע קשורות לשימוש באיזוטופי פחמן במחקר ביולוגי ורפואי. אז, בעזרת תווית פחמן רדיואקטיבית, הוכחה האפשרות לתקן H 14 CO 3 - על ידי צמחים ורקמות בעלי חיים, נקבע רצף תגובות הפוטוסינתזה, נחקר חילופי חומצות אמינו, מסלולי הביוסינתזה של רבים פעילים ביולוגית התחקו אחר תרכובות וכו'. השימוש ב-14 C תרם להצלחת הביולוגיה המולקולרית במחקר מנגנוני הביוסינתזה של חלבונים והעברת מידע תורשתי. קביעת הפעילות הספציפית של 14 C בשרידים אורגניים המכילים פחמן מאפשרת לשפוט את גילם, המשמש בפליאונטולוגיה ובארכאולוגיה.

הַגדָרָה

פַּחמָן- היסוד השישי של הטבלה המחזורית. ייעוד - C מהלטינית "קרבונאום". ממוקם בתקופה השנייה, קבוצת IVA. מתייחס לא-מתכות. המטען הגרעיני הוא 6.

פחמן נמצא בטבע הן במצב חופשי והן בצורה של תרכובות רבות. פחמן חופשי מופיע כיהלום וגרפיט. בנוסף לפחם מאובנים, יש הצטברויות גדולות של נפט בבטן כדור הארץ. כמויות אדירות של מלחי חומצה פחמנית, במיוחד סידן פחמתי, מצויות בקרום כדור הארץ. תמיד יש פחמן דו חמצני באוויר. לבסוף, אורגניזמים של צמחים ובעלי חיים מורכבים מחומרים שבהיווצרותם לוקח חלק פחמן. לפיכך, יסוד זה הוא אחד הנפוצים ביותר בכדור הארץ, למרות שתכולתו הכוללת בקרום כדור הארץ היא רק כ-0.1% (משקל).

משקל אטומי ומולקולרי של פחמן

המשקל המולקולרי היחסי של חומר (M r) הוא מספר המראה כמה פעמים המסה של מולקולה נתונה גדולה מ-1/12 מהמסה של אטום פחמן, והמסה האטומית היחסית של יסוד (Ar r) הוא כמה פעמים המסה הממוצעת של אטומים של יסוד כימי גדולה מ-1/12 מהמסה של אטום פחמן.

מכיוון שבמצב חופשי פחמן קיים בצורה של מולקולות C מונוטומיות, ערכי המסה האטומית והמולקולרית שלו זהים. הם שווים ל-12.0064.

אלוטרופיה ושינויים אלוטרופיים של פחמן

במצב החופשי קיים פחמן בצורת יהלום המתגבש במערכות הקוביות והמשושים (לונסדלייט) וגראפיט השייך למערכת המשושה (איור 1). לצורות של פחמן כמו פחם, קוק או פיח יש מבנה לא מסודר. ישנם גם שינויים אלוטרופיים המתקבלים באופן סינטטי - אלו הם קרבין ופוליקומולן - זני פחמן הבנויים מפולימרי שרשרת ליניארית מסוג -C= C- או = C = C=.

אורז. 1. שינויים אלוטרופיים של פחמן.

ידועים גם שינויים אלוטרופיים של פחמן, בעלי השמות הבאים: גרפן, פולרן, ננו-צינורות, ננו-סיביים, אסטרלין, פחמן זגוגי, ננו-צינורות ענקיים; פחמן אמורפי, ננו-ניצני פחמן וננו-קצף פחמן.

איזוטופים של פחמן

בטבע, פחמן קיים בצורה של שני איזוטופים יציבים 12 C (98.98%) ו-13 C (1.07%). מספרי המסה שלהם הם 12 ו-13, בהתאמה. הגרעין של איזוטופ הפחמן 12 C מכיל שישה פרוטונים ושישה נויטרונים, והאיזוטופ 13 C מכיל אותו מספר של פרוטונים וחמישה נויטרונים.

יש איזוטופ פחמן מלאכותי (רדיואקטיבי) אחד, 14 C, עם זמן מחצית חיים של 5730 שנים.

יוני פחמן

ברמת האנרגיה החיצונית של אטום הפחמן, ישנם ארבעה אלקטרונים שהם ערכיות:

1s 2 2s 2 2p 2 .

כתוצאה מאינטראקציה כימית, פחמן יכול לאבד את אלקטרוני הערכיות שלו, כלומר. להיות תורם שלהם, ולהפוך ליונים בעלי מטען חיובי או לקבל אלקטרונים מאטום אחר, כלומר. להיות המקבל שלהם, ולהפוך ליונים בעלי מטען שלילי:

C 0 -2e → C 2+;

C 0 -4e → C 4+;

C 0 +4e → C 4-.

מולקולה ואטום פחמן

במצב חופשי, פחמן קיים בצורה של מולקולות C מונוטומיות להלן כמה תכונות המאפיינות את אטום הפחמן והמולקולה:

סגסוגות של פחמן

סגסוגות הפחמן המוכרות ביותר ברחבי העולם הן פלדה וברזל יצוק. פלדה היא סגסוגת של ברזל ופחמן, שתכולת הפחמן בה אינה עולה על 2%. בברזל יצוק (גם סגסוגת של ברזל עם פחמן), תכולת הפחמן גבוהה יותר - מ-2 עד 4%.

דוגמאות לפתרון בעיות

דוגמה 1

תרגיל

איזה נפח של פחמן חד חמצני (IV) ישתחרר (לא) במהלך שריפה של 500 גרם של אבן גיר המכילה 0.1 חלק מסה של זיהומים.

פִּתָרוֹן

אנו כותבים את המשוואה לתגובה של קליית אבן גיר:

CaCO 3 \u003d CaO + CO 2 -.

בואו נמצא מסה של אבן גיר טהורה. לשם כך, אנו קובעים תחילה את חלק המסה שלו ללא זיהומים:

w ברור (CaCO 3) \u003d 1 - w טומאה \u003d 1 - 0.1 \u003d 0.9.

m ברור (CaCO 3) \u003d m (CaCO 3) × w ברור (CaCO 3);

מ 'צלול (CaCO 3) \u003d 500 × 0.9 \u003d 450 גרם.

חשב את כמות החומר של אבן גיר:

n (CaCO 3) \u003d m ברור (CaCO 3) / M (CaCO 3);

n(CaCO 3) \u003d 450/100 \u003d 4.5 מול.

לפי משוואת התגובה n (CaCO 3) : n (CO 2) = 1: 1, אז

n (CaCO 3) \u003d n (CO 2) \u003d 4.5 מול.

לאחר מכן, נפח הפחמן החד חמצני המשוחרר (IV) יהיה שווה ל:

V(CO 2) \u003d n(CO 2) × V m;

V (CO 2) \u003d 4.5 × 22.4 \u003d 100.8 ליטר.

תשובה

100.8 ליטר

דוגמה 2

תרגיל

כמה תידרש תמיסה המכילה 0.05 שברי מסה, או 5% מימן כלורי, כדי לנטרל 11.2 גרם של סידן פחמתי?

פִּתָרוֹן

אנו כותבים את המשוואה לנטרול סידן פחמתי עם מימן כלורי:

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

מצא את כמות החומר של סידן פחמתי:

M(CaCO 3) = A r (Ca) + A r (C) + 3×A r (O);

M(CaCO 3) \u003d 40 + 12 + 3 × 16 \u003d 52 + 48 \u003d 100 גרם / מול.

n (CaCO 3) \u003d m (CaCO 3) / M (CaCO 3);

n (CaCO 3) \u003d 11.2 / 100 \u003d 0.112 מול.

לפי משוואת התגובה n (CaCO 3): n (HCl) \u003d 1: 2, כלומר

n(HCl) \u003d 2 × n (CaCO 3) \u003d 2 × 0.224 מול.

קבע את המסה של החומר של מימן כלורי הכלול בתמיסה:

M(HCl) \u003d A r (H) + A r (Cl) \u003d 1 + 35.5 \u003d 36.5 גרם / מול.

m(HCl) = n(HCl) × M(HCl) = 0.224 × 36.5 = 8.176 גרם

חשב את המסה של תמיסת מימן כלורי:

m תמיסה (HCl) = m(HCl) × 100 / w(HCl);

תמיסת m (HCl) = 8.176 × 100 / 5 = 163.52 גרם

תשובה

163.52 גרם

(אלקטרון ראשון)

פַּחמָן(סמל כימי C) יסוד כימי של הקבוצה הרביעית של תת-הקבוצה הראשית של התקופה השנייה של המערכת המחזורית של מנדלייב, מספר סידורי 6, מסה אטומית של התערובת הטבעית של איזוטופים 12.0107 גרם / מול.

כַּתָבָה

פַּחמָןבצורת פחם שימש בימי קדם להתכה של מתכות. השינויים האלוטרופיים של פחמן, יהלום וגרפיט, ידועים זה מכבר. הטבע היסודי של הפחמן הוקם על ידי א' לבואזיה בסוף שנות ה-80.

מקור השם

שם בינלאומי: carbō - 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 (98.892%) ו-13 C (1.108%) ואיזוטופ רדיואקטיבי אחד 14 C (פולט β, T ½ = 5730 שנים), המרוכזים באטמוספירה ובחלק העליון של כדור הארץ קרום. 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.

היווצרות וריקבון של 14 C הם הבסיס לשיטת תיארוך פחמן רדיואקטיבי, שנמצאת בשימוש נרחב בגיאולוגיה ובארכאולוגיה הרבעונית.

שינויים אלוטרופיים של פחמן

ערכות של המבנה של שינויים שונים של פחמן
א: יהלום, ב: גרפיט, ג: lonsdaleite
ד: פולרן - בקיבול C 60 , ה: פולרן C 540, ו: פולרן C 70
ז: פחמן אמורפי, ח: ננו-צינור פחמן

אלוטרופיה של פחמן

lonsdaleite

פולרנים

ננו-צינורות פחמן

פחמן אמורפי

שחור פחם שחור

אורביטלי האלקטרונים של אטום פחמן יכולים להיות בעלי גיאומטריות שונות, בהתאם למידת ההכלאה של אורביטלי האלקטרונים שלו. ישנן שלוש גיאומטריות בסיסיות של אטום הפחמן.

טטרהדרלית -נוצר על ידי ערבוב s- ושלושה p-אלקטרון אחד (הכלאה sp 3). אטום הפחמן ממוקם במרכז הטטרהדרון, מחובר בארבעה קשרי σ שווים לאטומי פחמן או אחרים בקודקודי הטטרהדרון. גיאומטריה זו של אטום הפחמן תואמת את השינויים האלוטרופיים של יהלום פחמן ולונסדלייט. לפחמן יש הכלאה כזו, למשל, במתאן ובפחמימנים אחרים.

טריגונל -נוצר על ידי ערבוב s- ושני אורביטלים p-אלקטרון אחד (הכלאה sp²). לאטום הפחמן יש שלושה קשרי σ שוות ערך הממוקמים באותו מישור בזווית של 120° זה לזה. ה-p-אורביטל, שאינו מעורב בהכלאה וממוקם בניצב למישור של קשרי σ, משמש ליצירת קשרי π עם אטומים אחרים. גיאומטריה זו של פחמן אופיינית לגרפיט, פנול וכו'.

דיגונל -נוצר על ידי ערבוב אחד s-ואחד p-אלקטרון (sp-hybridization). במקרה זה, שני ענני אלקטרונים מוארכים באותו כיוון ונראים כמו משקולות אסימטריות. שני האלקטרונים הנוספים יוצרים קשרי π. פחמן עם גיאומטריה כזו של האטום יוצר שינוי אלוטרופי מיוחד - קרבין.

גרפיט ויהלום

השינויים הגבישיים העיקריים והנחקרים היטב של פחמן הם יהלום וגרפיט. בתנאים רגילים, רק גרפיט יציב מבחינה תרמודינמית, בעוד שיהלום וצורות אחרות הינן יציבות. בלחץ אטמוספרי ובטמפרטורות מעל 1200 קלמז מתחיל להפוך לגרפיט, מעל 2100 K השינוי מתרחש בשניות. מעבר ΔH 0 - 1.898 קילו-ג'יי/מול. בלחץ רגיל, פחמן עובר סובלימציה ב-3780 K. פחמן נוזלי קיים רק בלחץ חיצוני מסוים. נקודות משולשות: גרפיט-נוזל-קיטור T = 4130 K, p = 10.7 MPa. המעבר הישיר של גרפיט ליהלום מתרחש ב-3000 K ובלחץ של 11-12 GPa.

בלחצים מעל 60 GPa, ההנחה היא היווצרות של שינוי צפוף מאוד של C III (הצפיפות גבוהה ב-15-20% מזו של יהלום) עם מוליכות מתכתית. בְּ לחצים גבוהיםויחסית טמפרטורות נמוכות(בערך 1200 K) נוצר שינוי משושה של פחמן מגרפיט בעל אוריינטציה גבוהה עם סריג קריסטלסוג wurtzite - lonsdaleite (\u003d 0.252 ננומטר, c \u003d 0.412 ננומטר, קבוצת שטח P6 3 /tts), צפיפות 3.51 גרם / ס"מ³, כלומר, זהה לזה של יהלום. Lonsdaleite נמצא גם במטאוריטים.

יהלומים עדינים במיוחד (ננו-יהלומים)

בשנות השמונים בברית המועצות, נמצא 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 במהלך פגיעות של גרמי שמים על פני כדור הארץ בנוכחות חומרים המכילים פחמן (חומר אורגני, כבול, פחם וכו'). לפיכך, באזור נפילת המטאוריט טונגוסקה, נמצאו UDDs במלטה היער.

קָרַבִּין

השינוי הגבישי של פחמן של סינגוניה משושה עם מבנה שרשרת של מולקולות נקרא קרבין. השרשראות הן פוליאן (—C≡C—) או פוליקמולן (=C=C=). ידועות מספר צורות של קרבין, השונות במספר האטומים בתא היחידה, בגודל התא ובצפיפות (2.68-3.30 גרם/ס"מ³). קרבין מופיע בטבע בצורת המינרל צ'אוייט (ורידים לבנים ותכלילים בגרפיט) ומתקבל באופן מלאכותי על ידי דה-הידרופוליקוננסציה חמצונית של אצטילן, על ידי 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. מתקבל בתנאים מלאכותיים משרשרות ארוכות של אטומים פַּחמָןמונחים במקביל זה לזה.

קרבין הוא פולימר ליניארי של פחמן. במולקולת קרבין, אטומי פחמן מחוברים בשרשראות לסירוגין או על ידי קשרים משולשים ויחידים (מבנה פוליאן) או באופן קבוע על ידי קשרים 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. ב המכון לתרכובות אורגניות של האקדמיה למדעים של ברית המועצותלקרבין תכונות מוליכים למחצה, ובהשפעת האור, המוליכות שלו עולה מאוד. נכס זה מבוסס על הראשון שימוש מעשי- בתאי צילום.

פולרנים וננו-צינוריות פחמן

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

פחמן אמורפי

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.

להיות בטבע

תכולת הפחמן בקרום כדור הארץ היא 0.1% במסה. פחמן חופשי נמצא בטבע בצורה של יהלום וגרפיט. המסה העיקרית של פחמן בצורה של קרבונטים טבעיים (אבני גיר ודולומיטים), דלקים מאובנים - אנתרציט (94-97% C), פחם חום (64-80% C), פחם שחור (76-95% C), שמן פצלים (56-97% C). 78% C), נפט (82-87% C), גזים טבעיים דליקים (עד 99% מתאן), כבול (53-56% C), וכן ביטומן וכו'. באטמוספירה ובהידרוספירה הוא בצורת פחמן דו חמצני CO 2, באוויר 0.046% CO 2 במסה, במימי הנהרות, הימים והאוקיינוסים ~ פי 60 יותר. פחמן קיים בצמחים ובבעלי חיים (~18%).
פחמן חודר לגוף האדם עם מזון (בדרך כלל כ-300 גרם ליום). תכולת הפחמן הכוללת בגוף האדם מגיעה לכ-21% (15 ק"ג לכל 70 ק"ג משקל גוף). פחמן מהווה 2/3 ממסת השריר ו-1/3 ממסת העצם. הוא מופרש מהגוף בעיקר עם אוויר נשוף (פחמן דו חמצני) ושתן (אוריאה)
מחזור הפחמן בטבע כולל מחזור ביולוגי, שחרור CO 2 לאטמוספירה בזמן שריפה של דלקים מאובנים, מגזים געשיים, מעיינות מינרליים חמים, משכבות פני השטח של מי האוקיינוס וכו'. המחזור הביולוגי מורכב מכך שפחמן בצורה של CO 2 נספג מהטרופוספירה על ידי צמחים. לאחר מכן, מהביוספרה, הוא חוזר שוב לגיאוספרה: עם צמחים, פחמן חודר לאורגניזמים של בעלי חיים ובני אדם, ולאחר מכן, כאשר חומרים של בעלי חיים וצמחים מתכלים, לאדמה ובצורת CO 2 לאטמוספירה.

במצב אדים ובצורת תרכובות עם חנקן ומימן, פחמן נמצא באטמוספירה של השמש, כוכבי הלכת, הוא נמצא במטאוריטים מאבן וברזל.

לרוב תרכובות הפחמן, ומעל לכל הפחמימנים, יש אופי בולט של תרכובות קוולנטיות. החוזק של קשרים בודדים, כפולים ומשולשים של אטומי C בינם לבין עצמם, היכולת ליצור שרשראות ומחזורים יציבים מאטומי C קובעים את קיומם של מספר עצום של תרכובות המכילות פחמן שנחקרו בכימיה אורגנית.

תכונות כימיות

בטמפרטורות רגילות, פחמן אינרטי מבחינה כימית, בטמפרטורות גבוהות מספיק הוא משתלב עם אלמנטים רבים, ומפגין תכונות מפחיתות חזקות. הפעילות הכימית של צורות שונות של פחמן יורדת בסדרה: פחמן אמורפי, גרפיט, יהלום; באוויר הם נדלקים בטמפרטורות מעל 300-500 מעלות צלזיוס, 600-700 מעלות צלזיוס ו-850-1000 מעלות צלזיוס, בהתאמה.

מצבי חמצון +4, -4, לעתים רחוקות +2 (CO, מתכת קרבידים), +3 (C 2 N 2, הלוציאנטים); זיקה אלקטרונית 1.27 eV; אנרגיית היינון במהלך המעבר הרציף מ-C 0 ל-C 4+ היא 11.2604, 24.383, 47.871 ו-64.19 eV, בהתאמה.

תרכובות אנאורגניות

פחמן מגיב עם אלמנטים רבים ויוצר קרבידים.

תוצרי בעירה הם פחמן חד חמצני CO ופחמן דו חמצני CO 2 . ידוע גם תחמוצת לא יציבה C 3 O 2 (נקודת התכה -111 מעלות צלזיוס, נקודת רתיחה 7 מעלות צלזיוס) וכמה תחמוצות אחרות. גרפיט ופחמן אמורפי מתחילים להגיב עם H 2 ב-1200°C, עם F 2 ב-900°C, בהתאמה.

CO 2 עם מים יוצר חומצה פחמנית חלשה - H 2 CO 3, שיוצרת מלחים - קרבונטים. על פני כדור הארץ, הקרבונטים הנפוצים ביותר הם סידן (גיר, שיש, קלציט, אבן גיר ומינרלים אחרים) ומגנזיום (דולומיט).

גרפיט יוצר תרכובות הכללה עם הלוגנים, מתכות אלקליות וחומרים אחרים. כאשר מועברת פריקה חשמלית בין אלקטרודות פחמן בתווך N 2, נוצר ציאניד, בטמפרטורות גבוהות, חומצה הידרוציאנית מתקבלת על ידי אינטראקציה של פחמן עם תערובת של H 2 ו N 2. עם גופרית, פחמן נותן פחמן דיסולפיד CS 2, CS ו- C 3 S 2 ידועים גם. עם רוב המתכות, בורון וסיליקון, פחמן יוצר קרבידים. התגובה של פחמן עם אדי מים חשובה בתעשייה: C + H 2 O \u003d CO + H 2 (גיזה של דלקים מוצקים). כאשר מחומם, פחמן מפחית תחמוצות מתכות למתכות, אשר נמצא בשימוש נרחב במטלורגיה.

תרכובות אורגניות

בשל יכולתו של פחמן ליצור שרשראות פולימריות, יש מחלקה עצומה של תרכובות מבוססות פחמן, שהן רבות יותר מאלו האנאורגניות, ואשר נחקרות על ידי כימיה אורגנית. ביניהן הקבוצות הנרחבות ביותר: פחמימנים, חלבונים, שומנים וכו'.

תרכובות פחמן מהוות את הבסיס לחיים ארציים, ותכונותיהן קובעות במידה רבה את טווח התנאים שבהם צורות חיים כאלה יכולות להתקיים. מבחינת מספר האטומים בתאים חיים, חלקו של הפחמן הוא כ-25%, במונחים של שבר מסה, כ-18%.

יישום

גרפיט משמש בתעשיית העפרונות. הוא משמש גם כחומר סיכה בטמפרטורות גבוהות או נמוכות במיוחד.

יהלום, בשל קשיותו יוצאת הדופן, הוא חומר שוחק הכרחי. חרירי השחזה של מקדחות יש ציפוי יהלום. בנוסף, יהלומים בעלי פנים משמשים כאבני חן בתכשיטים. בשל נדירותו, איכויות דקורטיביות גבוהות ושילוב של נסיבות היסטוריות, היהלום הוא באופן עקבי אבן החן היקרה ביותר. המוליכות התרמית הגבוהה במיוחד של היהלום (עד 2000 W/m.K) הופכת אותו לחומר מבטיח לטכנולוגיית מוליכים למחצה כמצעים למעבדים. אבל המחיר הגבוה יחסית (כ-50 דולר לגרם) ומורכבות עיבוד היהלומים מגבילים את היישום שלו בתחום זה.
בפרמקולוגיה וברפואה נעשה שימוש נרחב בתרכובות פחמן שונות - נגזרות של חומצה פחמנית וחומצות קרבוקסיליות, הטרוציקלים שונים, פולימרים ותרכובות אחרות. אז, קרבולן (פחם פעיל) משמש לספיגה והסרה של רעלים שונים מהגוף; גרפיט (בצורת משחות) - לטיפול במחלות עור; איזוטופים רדיואקטיביים של פחמן - עבור מחקר מדעי(ניתוח פחמן רדיו).

פחמן ממלא תפקיד עצום בחיי האדם. היישומים שלו מגוונים כמו האלמנט הרב-צדדי הזה עצמו.

פחמן הוא הבסיס לכל החומרים האורגניים. כל אורגניזם חי מורכב ברובו מפחמן. פחמן הוא הבסיס לחיים. מקור הפחמן לאורגניזמים חיים הוא בדרך כלל CO 2 מהאטמוספירה או מהמים. כתוצאה מפוטוסינתזה הוא חודר לשרשרות מזון ביולוגיות שבהן יצורים חיים טורפים זה את זה או את שאריות זה של זה ובכך מחלצים פחמן לבניית גופם. המחזור הביולוגי של הפחמן מסתיים או בחמצון ובחזרה לאטמוספירה, או בסילוק בצורת פחם או נפט.

פחמן בצורה של דלקים מאובנים: פחם ופחמימנים (נפט, גז טבעי) הם אחד ממקורות האנרגיה החשובים ביותר לאנושות.

פעולה רעילה

פחמן הוא חלק מאירוסולים אטמוספריים, כתוצאה מכך האקלים האזורי עשוי להשתנות ומספר ימי השמש עלול לרדת. פחמן חודר לסביבה בצורה של פיח כחלק מגזי הפליטה של כלי רכב, כאשר שורפים פחם בתחנות כוח תרמיות, במהלך כריית פחם ביציקה פתוחה, הגיזוז התת-קרקעי שלו, הפקת תרכיזי פחם ועוד. ריכוז הפחמן מעל בעירה המקורות הם 100-400 מיקרוגרם/מ"ר, ערים גדולות 2.4-15.9 מיקרוגרם/מ"ק, אזורים כפריים 0.5-0.8 מיקרוגרם/מ"ק. עם פליטת גז-אירוסול מ-NPPs (6-15) נכנס לאטמוספירה.10 9 Bq/day 14 CO 2 .

התכולה הגבוהה של פחמן באירוסולים אטמוספריים מביאה לעלייה בשכיחות האוכלוסייה, במיוחד בחלק העליון. דרכי הנשימהוריאות. מחלות תעסוקתיות- בעיקר אנתרקוזיס וברונכיטיס אבק. באוויר אזור העבודה MPC, mg/m³: יהלום 8.0, אנתרציט וקולה 6.0, פחם 10.0, פחמן שחור ואבק פחמן 4.0; ב אוויר אטמוספרימקסימום חד פעמי 0.15, יומי ממוצע 0.05 מ"ג/מ"ר.

פעולה רעילה 14 C, הנכלל בהרכב מולקולות החלבון (במיוחד ב-DNA וב-RNA), נקבע על ידי השפעת הקרינה של חלקיקי בטא וגרעיני רתיעה חנקן (14 C (β) → 14 N) והשפעת הטרנסמוטציה - שינוי ב- הרכב כימי של המולקולה כתוצאה מהפיכת אטום C לאטום N. ריכוז מותר של 14 C באוויר אזור העבודה DK A 1.3 Bq / l, באוויר האטמוספרי DK B 4.4 Bq / l, במים 3.0.10 4 Bq/l, הצריכה המקסימלית המותרת דרך מערכת הנשימה 3.2.10 8 Bq/שנה.

מידע נוסף

- תרכובות פחמן
- ניתוח פחמן רדיו
- חומצה אורתוקרבוקסילית

צורות אלוטרופיות של פחמן:

יהלום
גרפן
גרָפִיט
קָרַבִּין
לונסדלייט
ננו-צינורות פחמן
פולרנים

צורות אמורפיות:

פיח
שחור פחם
פֶּחָם

איזוטופים של פחמן:

לא יציב (פחות מיממה): 8C: פחמן-8, 9C: פחמן-9, 10C: פחמן-10, 11C: פחמן-11
יציב: 12C: פחמן-12, 13C: פחמן-13
10-10,000 שנים: 14C: פחמן-14
לא יציב (פחות מיום): 15C: פחמן-15, 16C: פחמן-16, 17C: פחמן-17, 18C: פחמן-18, 19C: פחמן-19, 20C: פחמן-20, 21C: פחמן-21, 22C: פחמן-22

טבלת נוקלידים

פחמן, פחמן, C (6)
פחמן (באנגלית Carbon, French Carbone, גרמנית Kohlenstoff) בצורת פחם, פיח ופיח ידוע לאנושות מאז ומעולם; לפני כ-100 אלף שנה, כאשר אבותינו שלטו באש, הם טיפלו בפחם ובפיח מדי יום. כנראה, אנשים מוקדמים מאוד הכירו את השינויים האלוטרופיים של פחמן - יהלום וגרפיט, כמו גם עם פחם מאובנים. באופן לא מפתיע, בעירה של חומרים פחמניים הייתה אחד התהליכים הכימיים הראשונים שעניינו את האדם. מאחר והחומר הבוער נעלם, כשהוא נצרך באש, בעירה נחשבה כתהליך של פירוק של החומר, ולכן פחם (או פחמן) לא נחשב ליסוד. היסוד היה האש, התופעה המלווה בעירה; בתורת יסודות העת העתיקה, האש בדרך כלל מופיעה כאחד היסודות. במפנה של המאות XVII - XVIII. התיאוריה של הפלוגיסטון, שהועלתה על ידי בכר וסטאל, עלתה. תיאוריה זו הכירה בנוכחות בכל גוף דליק של חומר יסודי מיוחד - נוזל חסר משקל - פלוגיסטון, שמתאדה במהלך הבעירה.

כאשר שורפים כמות גדולה של פחם, נשאר רק מעט אפר, 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, לראשונה, "פחם טהור" הוכר ככזה על ידי Lavoisier, שחקר את תהליך שריפת הפחם וחומרים אחרים באוויר ובחמצן. בספרם של Guiton de Morveau, Lavoisier, Berthollet ו-Fourcroix "שיטת המינוח הכימי" (1787), הופיע השם "פחמן" (פחמן) במקום הצרפתי "פחם טהור" (charbone pur). תחת אותו שם, פחמן מופיע ב"טבלה גופים פשוטיםבספר הלימוד היסודי לכימיה של Lavoisier. בשנת 1791, הכימאי האנגלי Tennant היה הראשון שהשיג פחמן חופשי; הוא העביר אדי זרחן על גבי גיר מסוייד, וכתוצאה מכך נוצרו סידן פוספט ופחמן. העובדה שיהלום נשרף ללא שאריות בחימום חזק ידועה כבר זמן רב. עוד בשנת 1751, המלך הצרפתי פרנסיס הראשון הסכים לתת יהלום ואודם לניסויי שריפה, ולאחר מכן הניסויים הללו אפילו הפכו לאופנתיים. התברר שרק יהלום נשרף, ואודם (תחמוצת אלומיניום עם תערובת של כרום) עומד בחימום ארוך טווח במוקד העדשה המתלקחת ללא נזק. לבואזיה הקים ניסוי חדש בשריפת יהלום בעזרת מכונת תבערה גדולה, והגיע למסקנה שיהלום הוא פחמן גבישי. האלוטרופ השני של פחמן - גרפיט בתקופה האלכימית נחשב לברק עופרת שונה ונקרא פלומבגו; רק בשנת 1740 גילה פוט את היעדר כל טומאת עופרת בגרפיט. שילה חקר גרפיט (1779) ובהיותו פלוגיסט ראה בו גוף גופרית מסוג מיוחד, פחם מינרלי מיוחד המכיל "חומצת אוויר" קשורה (CO2) וכמות גדולה של פלוגיסטון.

עשרים שנה מאוחר יותר הפך גיטון דה מורב, בחימום עדין, את היהלום לגרפיט ולאחר מכן לחומצה פחמנית.

השם הבינלאומי Carboneum מגיע מלאט. פחמימה (פחם). המילה היא ממקור עתיק מאוד. זה מושווה לקרמר - לשרוף; שורש הסאגות, cal, Russian gar, gal, goal, סנסקריט sta פירושו להרתיח, לבשל. המילה "פחמן" קשורה לשמות של פחמן בשפות אירופאיות אחרות (פחמן, פחמן וכו'). ה-Kohlenstoff הגרמני מגיע מ-Kohle - פחם (קולו גרמני ישן, kylla שוודית - לחמם). לאוגראטי הרוסי הישן, או אוגראטי (צריבה, חריכה) יש את השורש גאר, או הרים, עם מעבר אפשרי למטרה; פחם ברוסית עתיקה יוג'ל, או פחם, מאותו מקור. המילה יהלום (Diamante) מגיעה מיוונית עתיקה - בלתי ניתנת להריסה, נחרצת, קשה, וגרפיט מיוונית - אני כותב.

בְּ מוקדם XIXב. המילה הישנה פחם בספרות הכימית הרוסית הוחלפה לעתים במילה "פחם" (Sherer, 1807; Severgin, 1815); מאז 1824 הציג סולוביוב את השם פחמן.