УГЉЕН: СВОЈСТВА, СТРУКТУРА, ДОБИЈАЊЕ, УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2025

Угљеника је не - метални хемијски елемент чија Хемијски симбол је Ц. названа по угља, биљног или минералног где њени атоми дефинисало различите структуре. Многи аутори га класификују као краља елемената, јер формира широк спектар органских и неорганских једињења, а такође се појављује у знатном броју алотропа.

А ако то није довољно да би се на њега гледало као на посебан елемент, он се налази у свим живим бићима; све његове биомолекуле дугују своје постојање стабилности и снази ЦЦ веза и високој склоности ка спајању. Угљеник је елемент живота, а од његових атома су изграђена њихова тела.

Дрво дрвећа састоји се углавном од угљених хидрата, једног од многих једињења богатих угљеником. Извор: Пекелс.

Органска једињења са којима су изграђени биоматеријали се практично састоје од карбонских скелета и хетероатома. То се може видети голим оком у шуми дрвећа; а такође, кад их погоди муња и пржи их. Преостала инертна црна чврста супстанца такође има угљеник; али то је угљен.

Дакле, постоје „мртве“ манифестације овог елемента: дрвени угљен, производ сагоревања у срединама сиромашним кисеоником; и минерални угаљ, производ геолошких процеса. Обје чврсте материје изгледају подједнако, црне су и сагоревају да би произвеле топлоту и енергију; иако са различитим приносима.

Од овог тренутка, угљеник је 15. најбогатији елемент у земљиној кори. Није ни чудо када се годишње производе милиони тона угља. Ови минерали се разликују по својствима у зависности од степена нечистоће, стављајући антрацит као најквалитетнији минерални угаљ.

Земљина кора није богата само минералним угљем, већ и карбонатима, нарочито кречњаком и доломитима. А што се тиче Универзума, то је четврти најбогатији елемент; Мислим, има више угљеника на другим планетима.

Историја угљеника

Ретроспектива

Угљен може бити стар колико и сама земаљска кора. Од давнина су се древне цивилизације сусреле са тим елементом у многим природним приказима: чађ, дрвени угаљ, дрвени угаљ или дрвени угљен, дијаманти, графит, катран, антрацит итд.

Све те чврсте материје, иако су делиле тамне тонове (са изузетком дијаманта), остала физичка својства, као и њихов састав, изузетно су се разликовала. Тада је било немогуће тврдити да се они у основи састоје од атома угљеника.

Тако се у историји угљен класификовао према свом квалитету у време сагоревања и обезбеђивања топлоте. А помоћу гасова насталих његовом сагоревањем, грејале су се водене масе, што је заузврат стварало паре које су кретале турбине које стварају електричне струје.

Угљен је на неочекиван начин био присутан у дрвеном угљу произведеном спаљивањем дрвећа у затвореним или херметичким просторима; у графит с којим су прављене оловке; у дијамантима који се користе као драгуљи; био је одговоран за тврдоћу челика.

Његова историја иде руку под руку са дрветом, барутом, гасовима градске расвете, возовима и бродовима, пивом, мазивима и другим битним предметима за напредак човечанства.

Препознавање

У ком су тренутку научници могли да повезују алотропе и минерале угљеника са истим елементом? На угаљ се гледало као на минерал, а о њему се није размишљало као о хемијском елементу достојном периодичке табеле. Први корак је требао показати да су се све те чврсте супстанце трансформисале у исти гас: угљени диоксид, ЦО ₂ .

Антоине Лавоисиер је 1772. године помоћу дрвеног оквира са великим сочивима фокусирао сунчеве зраке на узорке дрвеног угља и дијаманта. Открио је да ниједна од њих не ствара водену пару већ ЦО ₂ . Исто је урадио са чађом и добио исте резултате.

Царл Вилхелм Сцхееле 1779. године пронашао је хемијску везу између угља и графита; то јест, обе чврсте материје су биле састављене од истих атома.

Смитхсон Теннант и Виллиам Хиде Волластон 1797. године методолошки су верификовали (реакцијама) да је дијамант у ствари сачињен од угљеника када ствара ЦО ₂ током сагоревања.

Са овим резултатима светлост је убрзо бачена на графит и дијаманте, чврсте материје формиране угљеником, и самим тим, високе чистоће; за разлику од нечистих чврстих састојака угља и других угљеничних минерала.

Својства

Физичка или хемијска својства која се налазе у чврстим материјама, минералима или угљеничним материјалима подлежу многим варијаблама. Међу њима су: састав или степен нечистоће, хибридизација атома угљеника, разноликост структура и морфологија или величина пора.

Када се описују својства угљеника, већина текстова или библиографских извора заснива се на графиту и дијаманту.

Зашто? Зато што су најпознатији алотропи за овај елемент и представљају чврсте материје или материјале високе чистоће; то јест, они се практички састоје од ничег атома угљеника (мада са различитим структурама, као што ће бити објашњено у следећем одељку).

Својства угља и минералног угља разликују се својим пореклом, односно саставима. На пример, лигнит (мало угљеника) као гориво пузе у поређењу са антрацитом (висок угљен). А шта је са осталим алотропима: наноцевке, фулерени, графенови, графини итд.

Међутим, хемијски имају једну заједничку тачку: оксидују са вишком кисеоника у ЦО ₂ :

Ц + О ₂ => ЦО ₂

Сада су брзина или температура потребна за оксидацију специфичне за сваки од ових алотропа.

Графит вс дијамант

Овде ће бити дат и кратак коментар у вези са веома различитим својствима ова два алотропа:

Табела у којој су упоређене неке особине два кристална алотропа угљеника. Извор: Габриел Боливар.

Структура и електронска конфигурација

Хибридизације

Однос хибридних орбитала и могућих структура угљеника. Извор: Габриел Боливар.

Конфигурација електрона за атом угљеника је 1с ² 2с ² 2п ² , такође написана као 2с ² 2п ² (горња слика). Овај приказ одговара његовом основном стању: атом угљеника изолован и суспендован у таквом вакууму да не може да комуницира са другима.

Може се видети да једној од његових 2п орбитала недостају електрони, који електронским прихватањем прихватају електрон из орбите ниже енергије 2с; чиме је атом стиче способност да формира до четири ковалентне кроз четири сп ³ хибридних орбитала .

Имајте на уму да сва четири сп ³ орбитале су енергетски дегенерисани (поравнати на истом нивоу). Чисте п орбитале су енергичније, због чега се постављају изнад осталих хибридних орбитала (десно од слике).

Ако постоје три хибридне орбитале, то је зато што остаје једна небридизирана п орбитала; дакле оне јесу три сп ² орбитале . А када постоје две од ових хибридних орбитала, на располагању су две п орбитале да формирају двоструке или троструке везе, што представља хибридизацију сп карбона.

Такви електронски аспекти су од суштинског значаја за разумевање зашто се угљеник може наћи у бесконачности алотропа.

Оксидациони бројеви

Прије него што наставимо са структурама, вриједно је напоменути да, с обзиром на електронску конфигурацију валенције 2с ² 2п ² , угљеник може имати сљедеће оксидационе бројеве: +4, +2, 0, -2 и -4.

Зашто? Ови бројеви одговарају претпоставци да постоји јонска веза тако да ионе формирате одговарајућим набојима; односно Ц ⁴⁺ , Ц ²⁺ , Ц ⁰ (неутрално), Ц ² и Ц ^4- .

Да би угљеник имао позитиван оксидациони број мора изгубити електроне; А да бисте то учинили, нужно је да се веже на врло електронегативне атоме (попут кисеоника).

У међувремену, да би угљеник имао негативан оксидациони број, мора да добије електроне везујући се на атоме метала или мање електронегативан од њега (као што је водоник).

Први оксидациони број, +4, значи да је угљеник изгубио све валентне електроне; орбитале 2с и 2п остају празне. Ако 2п орбитала изгуби своја два електрона, угљеник ће имати оксидациони број +2; ако добијете два електрона, имаћете -2; и ако добијете још два електрона испуњавањем октета валенције, -4.

Примери

На пример, за ЦО ₂ оксидациони број угљеника је +4 (јер је кисеоник електронегативнији); док за ЦХ ₄ , то је -4 (јер водоник мање електронегативан).

За ЦХ ₃ ОХ, оксидација број угљеника је -2 (+1 за Х и -2 за О); док је за ХЦООХ то +2 (проверите да ли сума даје 0).

Друга оксидациона стања, попут -3 и +3, су такође вероватна, посебно када су у питању органски молекули; На пример, у метил групе, -ЦХ ₃ .

Молекуларне геометрије

Горња слика није показала само хибридизацију орбитала за атом угљеника, већ и резултирајућу молекуларну геометрију када је неколико атома (црних сфера) повезано са централним. Овај централни атом да би имао специфично геометријско окружење у простору, мора имати одговарајућу хемијску хибридизацију која му то омогућава.

На пример, за тетраедар централна угљеник има СП ³ хибридизацију ; јер таква је најстабилнији аранжман на четири сп ³ хибридних орбитала . У случају сп ² угљеника , они могу да формирају двоструку везу и имају тригонално раван средине; и тако ови троуглови дефинишу савршени шестерокут. А за сп хибридизацију, угљеници усвајају линеарну геометрију.

Стога, геометрије примијећени у структурама свих аллотропес једноставно управљају тетрахедра (сп ³ ), хексагона или Пентагонс (сп ² ), и линије (СП).

Тетрахедри дефинишу 3Д структуру, док су шестерокут, пентагони и линије, 3Д или 2Д структуре; Потоњи су авиони или листови слични зидовима саћа:

Зид са шестерокутним дизајном саћа аналогно равнинама састављеним од сп2 угљеника. Извор: Пикабаи.

А ако склопимо овај шестерокутни зид (петерокутни или мешовити), добићемо цев (наноцевке) или куглу (фулерени) или неку другу фигуру. Интеракције између ових фигура узрокују различите морфологије.

Аморфне или кристалне чврсте супстанце

Остављајући по страни геометрије, хибридизације или морфологије могућих структура угљеника, његове чврсте материје могу се глобално класификовати у две врсте: аморфне или кристалне. И између ове две класификације су алотропи распоређени.

Аморфни угљеник је једноставно онај који представља произвољну мешавину тетраедра, шестерокута или линија, неспособних да успоставе структурални образац; такав је случај са угљем, дрвеним или активним угљем, коксом, чађом итд.

Док се кристални угљеник састоји од структурних образаца састављених од било које од предложених геометрија; на пример, дијамант (тродимензионална мрежа тетраедра) и графит (сложени шестерокутни листови).

Прибављање

Угљен може бити чист као графит или дијамант. Они се налазе у њиховим минералошким лежиштима, разбацани по целом свету и у различитим земљама. Зато су неке нације више извозници једног од ових минерала него друге. Укратко, "морате копати земљу" да бисте добили угљеник.

Исто се односи на минерални угаљ и његове врсте. Али то није случај са угљеном, јер тело богато угљеником прво мора да "пропадне", било под ватром, било помоћу електричне стреле; наравно, у недостатку кисеоника, у супротном би се ослобађао ЦО ₂ .

Читава шума је извор угљеника попут угља; не само због својих стабала, већ и због фауне.

Уопштено, узорци који садрже угљеник морају да прођу пиролизу (сагоревање у недостатку кисеоника) да би се ослобађале неке нечистоће као гасови; и на тај начин остаје чврста супстанца богата угљеником (аморфни или кристални).

Апликације

И опет, као и својства и структура, употреба или примена су у складу са алотропима или минералошким облицима угљеника. Међутим, постоје неке опћенитости које се могу поменути, поред неких добро познатих тачака. Такви су:

-Угљен се користи већ дуже време као редукционо средство за минерале у добијању чистих метала; на пример, гвожђе, силицијум и фосфор, између осталог.

-То је камен темељац живота, а органска хемија и биохемија су студије овог одраза.

-То је такође било фосилно гориво које је омогућило првим машинама да покрену своје зупчанике. На исти начин се из њега добијао гас угља за старе системе осветљења. Угаљ је био синоним за светлост, топлоту и енергију.

- Мешани као додатак гвожђу у различитим омјерима омогућавали су проналазак и побољшање челика.

-Ја се црна боја појавила у уметности, нарочито графиту и свим списима прављеним линијама.

Ризици и мере предострожности

Угљен и његове чврсте материје не представљају никакав здравствени ризик. Ко се бринуо о торби дрвеног угља? Продају се возом у пролазима неких тржишта, а све док у близини нема ватре, њихови црни блокови неће горети.

Кокс, с друге стране, може представљати ризик ако је њен садржај сумпора висок. Када сагоре, избациће сумпорне гасове који, осим што су токсични, доприносе киселој киши. Иако ЦО ₂ у малим количинама не може да нас угуши, он има огроман утицај на животну средину као стакленички гас.

Из ове перспективе, угљеник је „дугорочна“ опасност, јер сагоревање мења климу наше планете.

И у физичком смислу, чврсти или карбонасти материјали, ако се праше, лако се превозе ваздушним струјама; и последично се уводе директно у плућа, што их може неповратно оштетити.

За остало, веома је уобичајено конзумирати "угљен" кад се кува нека храна.

Референце

1. Моррисон, РТ и Боид, Р, Н. (1987). Органска хемија. 5тх Едитион. Уредништво Аддисон-Веслеи Интерамерицана.
2. Цареи Ф. (2008). Органска хемија. (Шесто издање). Мц Грав Хилл.
3. Грахам Соломонс ТВ, Цраиг Б. Фрихле. (2011). Органска хемија. Амини. (10. издање.) Вилеи Плус.
4. Андрев. (2019). Угљен, његови алотропи и структуре. Опоравак од: еверисциенце.цом
5. (2019). Угаљ. Објашњена хемија. Опоравак од: цхемистриекплаинед.цом
6. Хелменстине, др Анне Марие (11. јула 2018.). 10 чињеница о угљенику (атомски број 6 или Ц). Опоравак од: тхинкцо.цом
7. Тавниа Еасх. (2019). Шта је угљеник? - Чињенице и лекција из историје за децу. Студи. Опоравак од: студи.цом
8. Фолл. (сф) Историја карбона. Опоравак од: тф.уни-киел.де