Carbon là Một nguyên tử carbon. Khối lượng carbon

2024 Tác giả: Angel Austin | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 05:46

Một trong những nguyên tố tuyệt vời nhất có thể tạo thành một loạt các hợp chất hữu cơ và vô cơ là cacbon. Nguyên tố này rất bất thường về các đặc tính của nó, thậm chí Mendeleev đã dự đoán một tương lai tuyệt vời cho nó, nói về những đặc điểm chưa được tiết lộ.

Sau đó nó đã được thực tế xác nhận. Người ta biết rằng nó là nguyên tố sinh học chính của hành tinh chúng ta, là một phần của tất cả các sinh vật sống. Ngoài ra, có khả năng tồn tại ở các dạng hoàn toàn khác nhau về mọi mặt, nhưng đồng thời chỉ bao gồm các nguyên tử cacbon.

Nói chung, cấu trúc này có nhiều tính năng và chúng tôi sẽ cố gắng giải quyết chúng trong quá trình của bài viết.

Cacbon: công thức và vị trí trong hệ thống các nguyên tố

Trong hệ thống tuần hoàn, nguyên tố cacbon nằm ở nhóm IV (theo mô hình mới trong 14), phân nhóm chính. Số sê-ri của nó là 6 và trọng lượng nguyên tử của nó là 12.011. Ký hiệu của một nguyên tố có ký hiệu C cho biết tên của nó bằng tiếng Latinh - carboneum. Có một số dạng khác nhau trong đó cacbon tồn tại. Do đó, công thức của nó khác nhau và phụ thuộc vào sự sửa đổi cụ thể.

Tuy nhiên, để viết phương trình phản ứng, ký hiệu là cụ thể,tất nhiên có. Nói chung, khi nói về một chất ở dạng tinh khiết, công thức phân tử của cacbon C được sử dụng, không cần lập chỉ mục.

Lịch sử khám phá phần tử

Bản thân nguyên tố này đã được biết đến từ thời cổ đại. Rốt cuộc, một trong những khoáng sản quan trọng nhất trong tự nhiên là than đá. Vì vậy, đối với người Hy Lạp, La Mã cổ đại và các quốc tịch khác, anh ấy không phải là một bí mật.

Bên cạnh sự đa dạng này, kim cương và than chì cũng được sử dụng. Đã có nhiều tình huống khó hiểu với cái sau trong một thời gian dài, vì thông thường, nếu không phân tích thành phần, các hợp chất như vậy được lấy làm than chì, chẳng hạn như:

• chì bạc;
• sắt cacbua;
• molypden sulfide.

Tất cả đều được sơn màu đen và do đó được coi là than chì. Sau đó, sự hiểu lầm này đã được giải tỏa và dạng carbon này đã trở thành chính nó.

Kể từ năm 1725, kim cương đã có tầm quan trọng lớn về mặt thương mại, và vào năm 1970, công nghệ lấy chúng nhân tạo đã được làm chủ. Kể từ năm 1779, nhờ công trình của Karl Scheele, các đặc tính hóa học của cacbon thể hiện đã được nghiên cứu. Đây là sự khởi đầu của một loạt các khám phá quan trọng trong lĩnh vực nguyên tố này và trở thành cơ sở để tìm ra tất cả các tính năng độc đáo nhất của nó.

Đồng vị cacbon và sự phân bố trong tự nhiên

Mặc dù nguyên tố được đề cập là một trong những nguyên tố sinh học quan trọng nhất, nhưng tổng hàm lượng của nó trong khối lượng của vỏ trái đất là 0,15%. Điều này là do nó phải chịu sự tuần hoàn liên tục, một chu kỳ tự nhiên trong tự nhiên.

Nói chung, có một sốcác hợp chất khoáng có chứa cacbon. Đây là những giống chó tự nhiên như:

• đá vôi và đá vôi;
• anthracite;
• đá phiến dầu;
• khí thiên nhiên;
• than;
• dầu;
• than non;
• than bùn;
• bitum.

Bên cạnh đó, chúng ta không nên quên những sinh vật sống, vốn chỉ là một kho chứa các hợp chất cacbon. Sau cùng, chúng hình thành nên protein, chất béo, carbohydrate, axit nucleic, có nghĩa là những phân tử cấu trúc quan trọng nhất. Nói chung, trong quy đổi trọng lượng cơ thể khô từ 70 kg, 15 thuộc về nguyên tố tinh khiết. Và điều đó xảy ra với mỗi người, không kể động vật, thực vật và các sinh vật khác.

Nếu chúng ta xem xét thành phần của không khí và nước, nghĩa là, thủy quyển nói chung và khí quyển, thì có một hỗn hợp của cacbon-oxy, được biểu thị bằng công thức CO_{2. Điôxít hay cacbon điôxít là một trong những khí chính tạo nên không khí. Ở dạng này, phần khối lượng của cacbon là 0,046%. Thậm chí nhiều carbon dioxide còn được hòa tan trong nước của các đại dương.}

Khối lượng nguyên tử của cacbon như một nguyên tố là 12,011. Được biết, giá trị này được tính là giá trị trung bình cộng giữa trọng lượng nguyên tử của tất cả các loài đồng vị tồn tại trong tự nhiên, có tính đến tỷ lệ phổ biến của chúng (dưới dạng phần trăm). Đây cũng là trường hợp của chất được đề cập. Có ba đồng vị chính trong đó cacbon được tìm thấy. Đây là:

• ¹²С - phần lớn khối lượng của nó là 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - phóng xạ, chu kỳ bán rã 5700 năm, bộ phát beta ổn định.

Trong thực hành xác định tuổi địa lý của các mẫu, đồng vị phóng xạ¹⁴С được sử dụng rộng rãi, là một chất chỉ thị do thời gian phân rã dài của nó.

Sửa đổi dị hướng của một phần tử

Cacbon là một nguyên tố tồn tại ở dạng chất đơn giản ở nhiều dạng. Đó là, nó có khả năng hình thành số lượng lớn nhất các biến đổi dị hướng được biết đến ngày nay.

1. Các biến thể tinh thể - tồn tại ở dạng cấu trúc mạnh với mạng tinh thể kiểu nguyên tử đều đặn. Nhóm này bao gồm các giống như:

• kim cương;
• fullerenes;
• than chì;
• cacbua;
• lonsdaleites;
• sợi carbon và ống.

Tất cả chúng khác nhau về cấu trúc của mạng tinh thể, trong các nút của chúng có một nguyên tử cacbon. Do đó, các tính chất hoàn toàn độc đáo, khác biệt, cả vật lý và hóa học.

2. Các dạng vô định hình - chúng được hình thành bởi một nguyên tử cacbon, là một phần của một số hợp chất tự nhiên. Tức là đây không phải là những giống thuần chủng mà có lẫn tạp chất của các nguyên tố khác với số lượng nhỏ. Nhóm này bao gồm:

• than hoạt tính;
• đá và gỗ;
• muội;
• bọt nano cacbon;
• anthracite;
• carbon thuỷ tinh;
• một loại chất kỹ thuật.

Họ cũng thống nhất với nhau bởi các tính năngcấu trúc của mạng tinh thể, giải thích và thể hiện các tính chất.

3. Hợp chất của cacbon ở dạng cụm. Một cấu trúc như vậy, trong đó các nguyên tử được đóng lại trong một cấu trúc đặc biệt rỗng từ bên trong, chứa đầy nước hoặc hạt nhân của các nguyên tố khác. Ví dụ:

• carbon nanocones;
• astralens;
• dicacbon.

Tính chất vật lý của cacbon vô định hình

Do có nhiều dạng biến đổi dị hướng, rất khó xác định bất kỳ tính chất vật lý chung nào của cacbon. Nói về một biểu mẫu cụ thể thì dễ dàng hơn. Ví dụ, cacbon vô định hình có các đặc điểm sau.

1. Trung tâm của tất cả các dạng đều là các dạng kết tinh mịn của than chì.
2. Khả năng chịu nhiệt cao.
3. Đặc tính dẫn điện tốt.
4. Mật độ carbon khoảng 2 g / cm³.
5. Khi đun nóng trên 1600⁰C, sự chuyển đổi sang dạng than chì xảy ra.

Các loại bồ hòn, than và đá được sử dụng rộng rãi cho các mục đích công nghiệp. Chúng không phải là biểu hiện của sự biến đổi cacbon ở dạng nguyên chất, nhưng chứa nó với số lượng rất lớn.

Cacbon kết tinh

Có một số lựa chọn, trong đó cacbon là chất tạo thành các tinh thể thông thường với nhiều loại khác nhau, trong đó các nguyên tử được kết nối thành chuỗi. Kết quả là, các sửa đổi sau được hình thành.

1. Kim cương. Cấu trúc là hình khối, trong đó bốn tứ diện được kết nối. Kết quả là, tất cả các liên kết hóa học cộng hóa trị của mỗi nguyên tửbão hòa tối đa và bền. Điều này giải thích các tính chất vật lý: khối lượng riêng của cacbon là 3300 kg / m³. Độ cứng cao, nhiệt dung thấp, thiếu tính dẫn điện - tất cả những điều này là kết quả của cấu trúc của mạng tinh thể. Có những viên kim cương thu được về mặt kỹ thuật. Chúng được hình thành trong quá trình chuyển đổi graphit sang biến đổi tiếp theo dưới tác động của nhiệt độ cao và một áp suất nhất định. Nói chung, nhiệt độ nóng chảy của kim cương cao bằng độ bền - khoảng 3500⁰C.
2. Graphite. Các nguyên tử được sắp xếp tương tự như cấu trúc của chất trước đó, tuy nhiên, chỉ có ba liên kết là bão hòa, và liên kết thứ tư trở nên dài hơn và kém bền hơn, nó kết nối các "lớp" của các vòng lục giác của mạng tinh thể. Kết quả là, than chì là một chất màu đen, mềm, nhờn khi chạm vào. Nó có tính dẫn điện tốt và có nhiệt độ nóng chảy cao - 3525⁰C. Có khả năng thăng hoa - thăng hoa từ trạng thái rắn sang trạng thái khí, bỏ qua trạng thái lỏng (ở nhiệt độ 3700⁰С). Khối lượng riêng của cacbon là 2,26 g / cm^3,thấp hơn nhiều so với khối lượng riêng của kim cương. Điều này giải thích các thuộc tính khác nhau của chúng. Do cấu trúc phân lớp của mạng tinh thể, người ta có thể sử dụng graphit để sản xuất ruột bút chì. Khi vuốt qua giấy, các mảnh bong ra và để lại vết đen trên giấy.
3. Fullerenes. Chúng chỉ được mở từ những năm 80 của thế kỷ trước. Chúng là những biến đổi trong đó các cacbon liên kết với nhau trong một cấu trúc khép kín lồi đặc biệt, có ở trung tâmsự trống rỗng. Và dạng tinh thể - một khối đa diện, tổ chức chính xác. Số nguyên tử là chẵn. Dạng fullerene nổi tiếng nhất là С₆₀. Các mẫu của một chất tương tự đã được tìm thấy trong quá trình nghiên cứu:

• thiên thạch;
• trầm tích đáy;
• folgurite;
• shungite;
• không gian bên ngoài, nơi chứa ở dạng khí.

Tất cả các loại cacbon kết tinh đều có tầm quan trọng thực tế rất lớn, vì chúng có một số đặc tính hữu ích trong kỹ thuật.

Khả năng phản ứng

Cacbon phân tử thể hiện khả năng phản ứng thấp do cấu hình ổn định của nó. Nó có thể bị buộc chỉ tham gia vào các phản ứng bằng cách truyền thêm năng lượng cho nguyên tử và buộc các điện tử của lớp ngoài cùng bay hơi. Tại thời điểm này, hóa trị trở thành 4. Do đó, trong các hợp chất, nó có trạng thái oxi hóa + 2, + 4, - 4.

Thực tế tất cả các phản ứng với các chất đơn giản, cả kim loại và phi kim loại, đều tiến hành dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Nguyên tố được đề cập có thể vừa là chất oxi hóa vừa là chất khử. Tuy nhiên, các thuộc tính thứ hai đặc biệt rõ ràng trong nó, và đây là cơ sở để sử dụng nó trong ngành luyện kim và các ngành công nghiệp khác.

Nói chung, khả năng tương tác hóa học phụ thuộc vào 3 yếu tố:

• sự phân tán của cacbon;
• sửa đổi allotropic;
• nhiệt độ phản ứng.

Do đó, trong một số trường hợp, có sự tương tác với những điều sauchất:

• phi kim loại (hydro, oxy);
• kim loại (nhôm, sắt, canxi và các loại khác);
• oxit kim loại và muối của chúng.

Không phản ứng với axit và kiềm, rất hiếm với halogen. Đặc tính quan trọng nhất của cacbon là khả năng tạo thành các chuỗi dài với nhau. Chúng có thể đóng theo chu kỳ, tạo thành các nhánh. Đây là cách hình thành các hợp chất hữu cơ, mà ngày nay con số hàng triệu. Cơ sở của các hợp chất này là hai nguyên tố - cacbon, hydro. Các nguyên tử khác cũng có thể được bao gồm: oxy, nitơ, lưu huỳnh, halogen, phốt pho, kim loại và các nguyên tử khác.

Các hợp chất chính và đặc điểm của chúng

Có nhiều hợp chất khác nhau có chứa cacbon. Công thức của chất nổi tiếng nhất trong số đó là CO₂- carbon dioxide. Tuy nhiên, ngoài oxit này, còn có CO - monoxit hoặc cacbon monoxit, cũng như suboxit C₃O₂.

Trong số các muối có chứa nguyên tố này, phổ biến nhất là cacbonat canxi và magie. Vì vậy, canxi cacbonat có một số từ đồng nghĩa trong tên gọi, vì nó xuất hiện trong tự nhiên ở dạng:

• phấn;
• cẩm thạch;
• đá vôi;
• dolomite.

Tầm quan trọng của các muối cacbonat kim loại kiềm thổ thể hiện ở chỗ chúng là những người tham gia tích cực vào quá trình hình thành thạch nhũ và măng đá, cũng như nước ngầm.

Axit cacbonic là một hợp chất khác tạo thành cacbon. Công thức của nó làH₂CO₃. Tuy nhiên, ở dạng thông thường, nó cực kỳ không ổn định và ngay lập tức bị phân hủy thành carbon dioxide và nước trong dung dịch. Do đó, chỉ có muối của nó được biết đến, chứ không phải bản thân nó, dưới dạng dung dịch.

Cacbon halogenua - thu được chủ yếu gián tiếp, vì quá trình tổng hợp trực tiếp chỉ diễn ra ở nhiệt độ rất cao và với năng suất sản phẩm thấp. Một trong những chất phổ biến nhất - CCL₄- cacbon tetraclorua. Một hợp chất độc hại có thể gây ngộ độc nếu hít phải. Thu được bằng phản ứng thay thế quang hóa gốc của nguyên tử hydro trong mêtan.

Cacbua kim loại là các hợp chất cacbon trong đó nó thể hiện trạng thái oxi hóa 4. Sự tồn tại của các liên kết với bo và silic cũng có thể xảy ra. Tính chất chính của cacbit của một số kim loại (nhôm, vonfram, titan, niobi, tantali, hafnium) là độ bền cao và độ dẫn điện tuyệt vời. Boron cacbua В₄С là một trong những chất cứng nhất sau kim cương (9.5 theo Mohs). Những hợp chất này được sử dụng trong kỹ thuật, cũng như trong công nghiệp hóa chất, làm nguồn sản xuất hydrocacbon (canxi cacbua với nước dẫn đến sự hình thành axetylen và canxi hydroxit).

Nhiều hợp kim kim loại được tạo ra bằng cách sử dụng carbon, do đó làm tăng đáng kể chất lượng và đặc tính kỹ thuật của chúng (thép là hợp kim của sắt và carbon).

Sự chú ý đặc biệt đáng được quan tâm đặc biệt là nhiều hợp chất hữu cơ của cacbon, trong đó nó là nguyên tố cơ bản có khả năng kết hợp với các nguyên tử giống nhau thành các chuỗi dài có cấu trúc khác nhau. Chúng bao gồm:

• ankan;
• anken;
• đấu trường;
• protein;
• carbs;
• axit nucleic;
• rượu;
• axit cacboxylic và nhiều nhóm chất khác.

Sử dụng carbon

Tầm quan trọng của các hợp chất cacbon và các biến đổi dị hướng của nó trong đời sống con người là rất cao. Bạn có thể kể tên một số ngành công nghiệp toàn cầu nhất để làm rõ điều này là đúng.

1. Nguyên tố này tạo thành tất cả các loại nhiên liệu hóa thạch mà từ đó một người nhận được năng lượng.
2. Công nghiệp luyện kim sử dụng cacbon làm chất khử mạnh nhất để thu được kim loại từ các hợp chất của chúng. Cacbonat cũng được sử dụng rộng rãi ở đây.
3. Xây dựng và công nghiệp hóa chất tiêu thụ một lượng lớn các hợp chất cacbon để tổng hợp các chất mới và thu được các sản phẩm cần thiết.

Bạn cũng có thể đặt tên cho các lĩnh vực đó của nền kinh tế là:

• công nghiệp hạt nhân;
• trang sức;
• thiết bị kỹ thuật (chất bôi trơn, nồi nấu kim loại chịu nhiệt, bút chì, v.v.);
• xác định tuổi địa chất của đá - chất đánh dấu phóng xạ¹⁴С;
• cacbon là một chất hấp phụ tuyệt vời, rất thích hợp để làm bộ lọc.

Tuần hoàn trong tự nhiên

Khối lượng carbon được tìm thấy trong tự nhiên được bao gồm trong một chu kỳ không đổi quay mỗi giây trên toàn cầu. Do đó, nguồn cacbon trong khí quyển - CO₂, được hấp thụthực vật và được thải ra bởi tất cả các sinh vật trong quá trình hô hấp. Khi ở trong bầu khí quyển, nó lại bị hấp thụ, và do đó chu kỳ không dừng lại. Đồng thời, sự chết của các chất cặn bã hữu cơ dẫn đến việc giải phóng carbon và tích tụ của nó trong trái đất, từ đó nó lại được các sinh vật sống hấp thụ và thải vào khí quyển ở dạng khí.