Koolstof is Een koolstofatoom. Massa koolstof

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 05:37

Een van de meest verbazingwekkende elementen die een enorme verscheidenheid aan verbindingen van organische en anorganische aard kunnen vormen, is koolstof. Dit element is zo ongebruikelijk in zijn eigenschappen dat zelfs Mendelejev er een geweldige toekomst voor voorspelde, pratend over functies die nog niet zijn onthuld.

Later werd het praktisch bevestigd. Het werd bekend dat het het belangrijkste biogene element van onze planeet is, dat deel uitmaakt van absoluut alle levende wezens. Bovendien in staat om te bestaan in vormen die in alle opzichten radicaal anders zijn, maar tegelijkertijd alleen uit koolstofatomen bestaan.

Over het algemeen heeft deze structuur veel functies en we zullen proberen ze in de loop van het artikel te behandelen.

Koolstof: formule en positie in het systeem van elementen

In het periodiek systeem bevindt het element koolstof zich in de IV (volgens het nieuwe model in 14) groep, de hoofdsubgroep. Het serienummer is 6 en het atoomgewicht is 12.011. De aanduiding van een element met het teken C geeft de naam in het Latijn aan - carboneum. Er zijn verschillende vormen waarin koolstof voorkomt. De formule is daarom anders en hangt af van de specifieke wijziging.

Voor het schrijven van reactievergelijkingen is de notatie echter specifiek,natuurlijk hebben. Over het algemeen wordt bij het spreken over een stof in zijn zuivere vorm de molecuulformule van koolstof C overgenomen, zonder indexering.

Geschiedenis van de ontdekking van elementen

Dit element zelf is al sinds de oudheid bekend. Een van de belangrijkste mineralen in de natuur is immers steenkool. Daarom was hij voor de oude Grieken, Romeinen en andere nationaliteiten geen geheim.

Naast deze variëteit werden ook diamanten en grafiet gebruikt. Er waren lange tijd veel verwarrende situaties met de laatste, omdat vaak, zonder analyse van de samenstelling, dergelijke verbindingen voor grafiet werden genomen, zoals:

• zilver lood;
• ijzercarbide;
• molybdeensulfide.

Ze waren allemaal zwart geverfd en werden daarom als grafiet beschouwd. Later werd dit misverstand opgehelderd en werd deze vorm van koolstof zichzelf.

Sinds 1725 zijn diamanten van groot commercieel belang geweest en in 1970 werd de technologie om ze kunstmatig te verkrijgen onder de knie. Sinds 1779 worden, dankzij het werk van Karl Scheele, de chemische eigenschappen van koolstof bestudeerd. Dit was het begin van een reeks belangrijke ontdekkingen op het gebied van dit element en werd de basis voor het ontdekken van al zijn meest unieke eigenschappen.

Koolstofisotopen en verspreiding in de natuur

Ondanks het feit dat het element in kwestie een van de belangrijkste biogene elementen is, is het totale geh alte in de massa van de aardkorst 0,15%. Dit komt door het feit dat het onderworpen is aan een constante circulatie, een natuurlijke cyclus in de natuur.

Over het algemeen zijn er meerdereminerale verbindingen die koolstof bevatten. Dit zijn zulke natuurlijke rassen als:

• dolomieten en kalksteen;
• antraciet;
• olieschalie;
• aardgas;
• kolen;
• olie;
• bruinkool;
• turf;
• bitumen.

Bovendien mogen we levende wezens niet vergeten, die slechts een opslagplaats van koolstofverbindingen zijn. Ze vormden tenslotte eiwitten, vetten, koolhydraten, nucleïnezuren, oftewel de meest vitale structurele moleculen. Over het algemeen v alt bij de omzetting van droog lichaamsgewicht van 70 kg 15 op een puur element. En zo is het met ieder mens, om nog maar te zwijgen van dieren, planten en andere wezens.

Als we kijken naar de samenstelling van lucht en water, dat wil zeggen de hydrosfeer als geheel en de atmosfeer, dan is er een mengsel van koolstof-zuurstof, uitgedrukt door de formule CO_{2. Dioxide of kooldioxide is een van de belangrijkste gassen waaruit de lucht bestaat. Het is in deze vorm dat de massafractie van koolstof 0,046% is. Er wordt nog meer koolstofdioxide opgelost in de wateren van de oceanen.}

De atoommassa van koolstof als element is 12,0111. Het is bekend dat deze waarde wordt berekend als het rekenkundig gemiddelde tussen de atoomgewichten van alle isotopensoorten die in de natuur voorkomen, rekening houdend met hun prevalentie (als percentage). Dit is ook het geval voor de stof in kwestie. Er zijn drie belangrijke isotopen waarin koolstof wordt gevonden. Dit is:

• ¹²С - zijn massafractie in de overgrote meerderheid is 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - radioactief, halfwaardetijd 5700 jaar, stabiele bètastraler.

In de praktijk van het bepalen van de geochronologische leeftijd van monsters, wordt de radioactieve isotoop ¹⁴С veel gebruikt, wat een indicator is vanwege de lange vervalperiode.

Allotrope modificaties van een element

Koolstof is een element dat als een eenvoudige stof in verschillende vormen bestaat. Dat wil zeggen, het is in staat om het grootste aantal allotrope modificaties te vormen dat tegenwoordig bekend is.

1. Kristallijne variaties - bestaan in de vorm van sterke structuren met regelmatige atomaire roosters. Deze groep omvat variëteiten zoals:

• diamanten;
• fullerenen;
• grafiet;
• karabijnen;
• lonsdaleites;
• koolstofvezels en buizen.

Ze verschillen allemaal in de structuur van het kristalrooster, in de knooppunten waarvan er een koolstofatoom is. Vandaar de volledig unieke, ongelijke eigenschappen, zowel fysisch als chemisch.

2. Amorfe vormen - ze worden gevormd door een koolstofatoom, dat deel uitmaakt van sommige natuurlijke verbindingen. Dat wil zeggen, dit zijn geen pure variëteiten, maar met onzuiverheden van andere elementen in kleine hoeveelheden. Deze groep omvat:

• actieve kool;
• steen en hout;
• roet;
• koolstof nanoschuim;
• antraciet;
• glazig koolstof;
• een technisch soort stof.

Ze zijn ook verenigd door functiesstructuren van het kristalrooster, verklarende en manifesterende eigenschappen.

3. Verbindingen van koolstof in de vorm van clusters. Zo'n structuur waarin atomen van binnenuit in een speciale holte zijn gesloten, gevuld met water of de kernen van andere elementen. Voorbeelden:

• koolstof nanocones;
• astralens;
• dicarbon.

Fysische eigenschappen van amorfe koolstof

Vanwege de grote verscheidenheid aan allotrope modificaties is het moeilijk om gemeenschappelijke fysische eigenschappen voor koolstof te identificeren. Het is gemakkelijker om over een specifieke vorm te praten. Amorfe koolstof heeft bijvoorbeeld de volgende kenmerken.

1. In het hart van alle vormen bevinden zich fijnkristallijne varianten van grafiet.
2. Hoge warmtecapaciteit.
3. Goede geleidende eigenschappen.
4. Koolstofdichtheid is ongeveer 2 g/cm³.
5. Bij verhitting boven 1600 ⁰C treedt een overgang op naar grafietvormen.

Roet-, houtskool- en steensoorten worden veel gebruikt voor industriële doeleinden. Ze zijn geen manifestatie van koolstofmodificatie in zijn pure vorm, maar bevatten het in zeer grote hoeveelheden.

Kristallijne koolstof

Er zijn verschillende opties waarbij koolstof een stof is die regelmatige kristallen van verschillende typen vormt, waarbij atomen in serie zijn verbonden. Als resultaat worden de volgende wijzigingen gevormd.

1. Diamant. De structuur is kubisch, waarin vier tetraëders zijn verbonden. Als gevolg hiervan zijn alle covalente chemische bindingen van elk atoommaximaal verzadigd en duurzaam. Dit verklaart de fysische eigenschappen: de dichtheid van koolstof is 3300 kg/m³. Hoge hardheid, lage warmtecapaciteit, gebrek aan elektrische geleidbaarheid - dit alles is het resultaat van de structuur van het kristalrooster. Er zijn technisch verkregen diamanten. Ze worden gevormd tijdens de overgang van grafiet naar de volgende modificatie onder invloed van hoge temperatuur en een bepaalde druk. Over het algemeen is het smeltpunt van diamant zo hoog als de sterkte - ongeveer 3500 ⁰C.
2. Grafiet. De atomen zijn op dezelfde manier gerangschikt als de structuur van de vorige substantie, maar slechts drie bindingen zijn verzadigd en de vierde wordt langer en minder sterk, het verbindt de "lagen" van de hexagonale ringen van het rooster. Als gevolg hiervan blijkt dat grafiet een zachte, vettige zwarte substantie is om aan te raken. Het heeft een goede elektrische geleidbaarheid en een hoog smeltpunt - 3525 ⁰C. In staat tot sublimatie - sublimatie van een vaste toestand naar een gasvormige toestand, waarbij de vloeibare toestand wordt omzeild (bij een temperatuur van 3700 ⁰С). De dichtheid van koolstof is 2,26 g/cm^3, wat veel lager is dan die van diamant. Dit verklaart hun verschillende eigenschappen. Door de gelaagde structuur van het kristalrooster is het mogelijk om grafiet te gebruiken voor de vervaardiging van potloodstiften. Als je over het papier veegt, laten de vlokken los en laten ze een zwarte vlek op het papier achter.
3. Fullerenen. Ze werden pas in de jaren 80 van de vorige eeuw geopend. Het zijn modificaties waarin koolstofatomen met elkaar zijn verbonden in een speciale convexe gesloten structuur, die in het midden eenleegte. En de vorm van een kristal - een veelvlak, de juiste organisatie. Het aantal atomen is even. De meest bekende vorm van fullereen is С₆₀. Bij onderzoek zijn monsters van een vergelijkbare stof gevonden:

• meteorieten;
• bodemsedimenten;
• folguriet;
• shungiet;
• kosmische ruimte, in de vorm van gassen.

Alle soorten kristallijne koolstof zijn van groot praktisch belang, omdat ze een aantal eigenschappen hebben die nuttig zijn in de techniek.

Reactiviteit

Moleculaire koolstof vertoont een lage reactiviteit vanwege de stabiele configuratie. Het kan alleen worden gedwongen om reacties aan te gaan door extra energie aan het atoom te geven en de elektronen van het buitenste niveau te dwingen te verdampen. Op dit punt wordt de valentie 4. Daarom heeft het in verbindingen een oxidatietoestand van + 2, + 4, - 4.

Vrijwel alle reacties met eenvoudige stoffen, zowel metalen als niet-metalen, verlopen onder invloed van hoge temperaturen. Het betreffende element kan zowel een oxidatiemiddel als een reductiemiddel zijn. De laatste eigenschappen zijn er echter bijzonder uitgesproken in, en dit is de basis voor het gebruik ervan in de metallurgische en andere industrieën.

In het algemeen hangt het vermogen om chemische interactie aan te gaan af van drie factoren:

• dispersie van koolstof;
• allotropische modificatie;
• reactietemperatuur.

Dus in sommige gevallen is er een interactie met het volgendestoffen:

• niet-metalen (waterstof, zuurstof);
• metalen (aluminium, ijzer, calcium en andere);
• metaaloxiden en hun zouten.

Reageert niet met zuren en logen, zeer zelden met halogenen. De belangrijkste eigenschap van koolstof is het vermogen om lange ketens met elkaar te vormen. Ze kunnen in een cyclus sluiten, takken vormen. Dit is hoe de vorming van organische verbindingen, die tegenwoordig in de miljoenen lopen. De basis van deze verbindingen zijn twee elementen - koolstof, waterstof. Andere atomen kunnen ook worden opgenomen: zuurstof, stikstof, zwavel, halogenen, fosfor, metalen en andere.

Belangrijkste verbindingen en hun kenmerken

Er zijn veel verschillende verbindingen die koolstof bevatten. De formule van de meest bekende is CO₂ - koolstofdioxide. Naast dit oxide is er echter ook CO - monoxide of koolmonoxide, evenals suboxide C₃O₂.

Van de zouten die dit element bevatten, zijn de meest voorkomende calcium- en magnesiumcarbonaten. Dus calciumcarbonaat heeft verschillende synoniemen in de naam, omdat het in de natuur voorkomt in de vorm:

• krijt;
• marmer;
• kalksteen;
• dolomiet.

Het belang van aardalkalimetaalcarbonaten komt tot uiting in het feit dat ze actieve deelnemers zijn aan de vorming van stalactieten en stalagmieten, evenals grondwater.

Koolzuur is een andere verbinding die koolstof vormt. De formule isH₂CO₃. In zijn gebruikelijke vorm is het echter extreem onstabiel en ontleedt het onmiddellijk in kooldioxide en water in oplossing. Daarom zijn alleen de zouten ervan bekend, en niet zichzelf, als een oplossing.

Koolstofhalogeniden - worden voornamelijk indirect verkregen, aangezien directe synthese alleen plaatsvindt bij zeer hoge temperaturen en met een lage opbrengst van het product. Een van de meest voorkomende - CCL₄ - koolstoftetrachloride. Een giftige stof die bij inademing vergiftiging kan veroorzaken. Verkregen door reacties van radicale fotochemische substitutie van waterstofatomen in methaan.

Metaalcarbiden zijn koolstofverbindingen waarin het een oxidatietoestand van 4 vertoont. Het bestaan van associaties met boor en silicium is ook mogelijk. De belangrijkste eigenschap van carbiden van sommige metalen (aluminium, wolfraam, titanium, niobium, tantaal, hafnium) is een hoge sterkte en uitstekende elektrische geleidbaarheid. Boorcarbide В₄С is een van de hardste stoffen na diamant (9,5 volgens Mohs). Deze verbindingen worden zowel in de techniek als in de chemische industrie gebruikt als bronnen voor de productie van koolwaterstoffen (calciumcarbide met water leidt tot de vorming van acetyleen en calciumhydroxide).

Veel metaallegeringen worden gemaakt met koolstof, waardoor hun kwaliteit en technische kenmerken aanzienlijk worden verbeterd (staal is een legering van ijzer en koolstof).

Speciale aandacht verdient talrijke organische koolstofverbindingen, waarin het een fundamenteel element is dat met dezelfde atomen kan worden gecombineerd tot lange ketens met verschillende structuren. Deze omvatten:

• alkanen;
• alkenen;
• arena's;
• eiwitten;
• koolhydraten;
• nucleïnezuren;
• alcoholen;
• carbonzuren en vele andere klassen van stoffen.

Gebruik van koolstof

Het belang van koolstofverbindingen en de allotrope modificaties ervan in het menselijk leven is erg groot. U kunt enkele van de meest mondiale industrieën noemen om duidelijk te maken dat dit waar is.

1. Dit element vormt alle soorten fossiele brandstoffen waaruit een persoon energie ontvangt.
2. De metallurgische industrie gebruikt koolstof als het sterkste reductiemiddel om metalen uit hun verbindingen te halen. Carbonaten worden hier ook veel gebruikt.
3. De bouw en de chemische industrie verbruiken enorme hoeveelheden koolstofverbindingen om nieuwe stoffen te synthetiseren en de benodigde producten te verkrijgen.

Je kunt ook sectoren van de economie noemen als:

• nucleaire industrie;
• sieraden;
• technische apparatuur (smeermiddelen, hittebestendige smeltkroezen, potloden, enz.);
• bepaling van de geologische ouderdom van gesteenten - radioactieve tracer ¹⁴С;
• koolstof is een uitstekend adsorbens, waardoor het geschikt is voor het maken van filters.

Circulatie in de natuur

De massa koolstof die in de natuur wordt gevonden, is opgenomen in een constante cyclus die elke seconde rond de wereld draait. Zo wordt de atmosferische koolstofbron - CO₂, geabsorbeerdplanten en wordt vrijgegeven door alle levende wezens tijdens het ademhalingsproces. Eenmaal in de atmosfeer wordt het weer geabsorbeerd, en dus stopt de cyclus niet. Tegelijkertijd leidt de dood van organische resten tot het vrijkomen van koolstof en de accumulatie ervan in de aarde, van waaruit het vervolgens weer wordt opgenomen door levende organismen en in de vorm van gas in de atmosfeer wordt vrijgegeven.