Карбон та його сполуки.

В залежності від числа s-зв’язків координаційне число карбон рівне 4 (sp³ – гібридизація), 3 (sp² – гібридизація) або 2 (sp – гібридизація валентних орбіталей).

Карбо́ н (С) або вугле́ ць — хімічний елемент з атомним номером 6. Назва Карбон рекомандована IUPAC, вуглець — традиційна назва. Карбон належить догрупи 14 періодичної системи за сучасною класифікацією або до основної підгрупи IV групи за старою класифікацією. Простої речовини під назвою вуглець не існує, різні алотропіні видозміни Карбону мають свої власні назви.

Карбон є одним із поширених елементів земної кори, складаючи близько 0, 1% її маси. Сполуки вуглецю є основою всіх живих організмів.

В більшості сполук карбон 4 – валентний, йому відповідають ступені окиснення –4, +4, +2.

В атомі карбон на відміну від усіх інших елементів число валентних електронів рівне числу валентних орбіталей. Це одна з головних причин великої стійкості зв’язку С – С і виняткової схильності вуглецю до утворення гомоланцюгів. Гомоланцюгові молекули, які містять зв’язок С – С, бувають найрізноманітніших типів: лінійні, розгалуженні, зшиті, циклічні. Ці численні сполуки вуглецю вивчаються в органічній хімії.

Карбон – головна складова частина тваринного і рослинного світу.

В природі карбон знаходиться у вигляді органічних сполук - нафти, горючих газів. В земній корі карбон знаходиться в складі карбонатних мінералів (CaCO₃ i MgCO₃), кам’яного вугілля, графіту і алмазу.

Історія

Вуглець у вигляді деревного вугілля застосовувався в давнину для виплавки металів. Здавна відомі алотропні модифікації вуглецю — алмаз і графіт.

Ідентифікація Карбону як хімічного елемента тісно пов'язана з розвитком уявлень про хімічну природу горіння. На рубежі XVII—XVIII ст. виникла теоріяфлогістону, висунута Йоганном Бехером і Георгом Шталем. Ця теорія визнавала наявність в кожному горючому тілі особливої елементарної речовини — невагомогофлюїду — флогістону, що випаровується в процесі горіння. Оскільки при згорянні великої кількості вугілля залишається лише трохи попелу, флогістики вважали, що вугілля — це майже чистий флогістон. Саме цим пояснювали, зокрема, «флогістувальну» дію вугілля, — його здатність відновлювати метали з «вапен» і руд. Пізніші флогістики, Реомюр, Бергман та інші, вже почали розуміти, що вугілля є елементарною речовиною. Проте, вперше «чисте вугілля» було визнане елементарнимАнтуаном Лавуазьє, який досліджував процес спалювання в повітрі та в кисні вугілля та інших речовин. У книзі Гітона де Морво, Лавуазьє, Бертолле та Фуркруа «Метод хімічної номенклатури» (1787) з'явилася назва «карбон» (carbone) замість французького «чисте вугілля» (charbone pur). Під цією ж назвою вуглець фігурує в «Таблиці простих тіл» і в «Елементарному підручнику хімії» Лавуазьє.

1791 року англійський хімік Теннант першим отримав вільний вуглець, він пропускав випари фосфору над прожареною крейдою, в результаті чого утворювалися фосфат кальцію і вуглець. Те, що алмаз при сильному нагріванні згоряє без залишку, було відомо давно. Ще 1751 року імператор Священної Римської імперії Франц I погодився дати алмаз і рубін для дослідів зі спалювання, після чого ці досліди навіть увійшли в моду. Виявилося, що згорає лише алмаз, а рубін (окисалюмінію з домішкою хрому) витримує без пошкодження тривале нагрівання у фокусі запалювальної лінзи. Лавуазьє поставив новий досвід зі спалювання алмазу за допомогою великої запалювальної машини і прийшов до висновку, що алмаз є, насправді, кристалічним вуглецем. Другий алотроп вуглецю, графіт, в епоху розквітуалхімії не відрізняли від молібденіту, сульфіду свинцю галеніту і називали плюмбаго (plumbago) або чорним свинцем, однак аналіз Карла Вільгельма Шлеєле 1778-1779 років довів, що це різні мінерали. Будучи флогістиком, Шлеєле визнав графіт сірчистим тілом особливого роду, особливим мінеральним вугіллям, що містить пов'язану «повітряну кислоту» (СО₂) і велику кількість флогістону.

Двадцять років по тому Гітон де Морво шляхом обережного нагрівання перетворив алмаз в графіт, а потім у вугільну кислоту.

Загальна характеристика

В більшості сполук карбон 4 – валентний, йому відповідають ступені окиснення –4, +4, +2.

В атомі карбон на відміну від усіх інших елементів число валентних електронів рівне числу валентних орбіталей. Це одна з головних причин великої стійкості зв’язку С – С і виняткової схильності вуглецю до утворення гомоланцюгів. Гомоланцюгові молекули, які містять зв’язок С – С, бувають найрізноманітніших типів: лінійні, розгалуженні, зшиті, циклічні. Ці численні сполуки вуглецю вивчаються в органічній хімії.

Карбон – головна складова частина тваринного і рослинного світу.

В природі карбон знаходиться у вигляді органічних сполук - нафти, горючих газів. В земній корі карбон знаходиться в складі карбонатних мінералів (CaCO₃ i MgCO₃), кам’яного вугілля, графіту і алмазу.

За звичайних умов вуглець хімічно інертний, при високих температурах сполучається з багатьма елементами, виявляючи сильні відновні властивості. Найважливіша властивість вуглецю — здатність його атомів утворювати міцні хімічні зв'язки як між собою, так і з іншими елементами. Здатність вуглецю утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з іншими атомами дозволяє будувати вуглецеві скелети різних типів (лінійні, розгалужені, циклічні); саме цими властивостями і пояснюється виняткова роль вуглецю в будові органічних сполук і, зокрема, всіх живих організмів.

Ізотопи

Природний вуглець складається з двох стабільних ізотопів — ¹²С (98, 93%) і ¹³С (1, 07%) і одного радіоактивного ізотопу ¹⁴С (β -випромінювач, Т½ = 5730 років), зосередженого в атмосфері та верхній частині земної кори. Він постійно утворюється в нижніх шарах стратосфери в результаті впливу нейтронів космічного випромінювання на ядра азоту за реакцією: ¹⁴N (n, p) ¹⁴C, а також, з середини 1950-х років, як техногенний продукт роботи АЕС і в результаті випробуванняводневих бомб.

На розпаді ¹⁴С заснований метод радіовуглецевого датування, що широко застосовується в археології та палеонтології. Він підходить для датування об'єктів, що мають вік приблизно до 60 тис. років.

Всього зареєстровано 15 різних ізотопів Карбону.

Утворення

Утворення атома Карбону вимагає майже одночасного зіткнення трьох альфа-частинок, тобто ядер атома Гелію. Такий процес, відомий як потрійний альфа-процес, може відбуватися тільки в зорях-гігантах або супергігантах^[1] з великою густиною Гелію і високою температурою. Щоб потрапити на Землю Карбон спочатку повинен був покинути ядро зорі, де він народився, внаслідок вибуху наднової, потрапити в пилову туманність^[2], з якої почали формуватися зоряні системи третього покоління, до яких належить Сонячна система.

Карбон відіграє також важливу роль каталізатора у іншій можливій термоядерній реакції — циклі Бете.

Алотропні видозміни

Вуглець утворює декілька алотропних видозмін. Серед них природні: алмаз, графіт, лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки та штучні: карбін, графен та аморфний вуглець у вигляді сажі і деревного вугілля.

Алмаз

Алмаз — прозора, безбарвна або трохи забарвлена домішками в різноманітні відтінки кристалічна речовина. Для відшліфованих алмазів, діамантів, характерна особлива гра світла, зумовлена сильним заломленням на гранях.

В алмазі кожен атом Карбону утворює ковалентні зв'язки із чотирма іншими атомами. Як наслідок утворюється гранецентрована кубічна структура із двох підґраток, що отримала назву структури алмазу. Така структура характерна також для інших елементів 14 підгрупи періодичної таблиці: Кремнію та Германію.

Алмаз — найтвердіша речовина серед усіх відомих, навіть міцніша за обсидіан. Завдяки своїй надзвичайній твердості він широко застосовується при бурінні твердих гірських порід, обробці твердих металів, виробництві абразивів тощо. Відшліфовані безбарвні кристали алмазу — діаманти — коштовні прикраси.

Найбільші родовища алмазів розташовано в Південній Африці та в Якутії. Щорічний світовий видобуток алмазу становить приблизно 300 кг. В останні роки алмаз почали одержувати штучно при дуже високих тисках і високій температурі.

Графіт

Графіт — темно-сіра непрозора дрібнокристалічна речовина, жирна на дотик. На відміну від алмазу графіт добре проводить електричний струм та тепло і дуже м'який.

Графіт у великих кількостях одержують штучно — нагріванням коксу або антрациту в спеціальних електричних печах при температурі близько 3000 °C і підвищеному тиску без доступу повітря. Штучний графіт відзначається високою чистотою і м'якістю. За своїми якостями він кращий за природний. Графіт широко застосовується для виготовлення електродів, в суміші з глиною для виробництва вогнетривких тиглів. З графіту роблять звичайні олівці. В суміші з мінеральними оливами його використовують як мастило для машин, що працюють при підвищених температурах.

Різка відмінність у фізичних властивостях алмазу і графіту зумовлена різною кристалічною будовою. В кристалах алмазу кожний атом вуглецю оточений чотирма іншими атомами, розміщеними на однаковій віддалі один від одного. В кристалах графіту атоми вуглецю розміщені у кутах правильних шестикутників в одній площині і утворюють окремі шари. Віддаль між окремими шарами більша, ніж між атомами в тому ж шарі. Внаслідок цього зв'язок між окремими шарами значно слабший, ніж між атомами того ж шару. Тому кристали графіту легко розщеплюються на окремі лусочки, які самі по собі досить міцні.

Графен

Графен за своєю будовою — окремий атомний шар зі структурою графіту — атоми вуглецю утворюють стільникову структуру з міжатомною віддаллю 142 пм. Без опори графен має тенденцію згортатися, але може бути стійким на підкладинці.

Карбін

Карбін — штучно отриманий різновид вуглецю, на вигляд дрібнокристалічний порошок чорного кольору. Кристалічна структура карбіну характеризується наявністю довгих ланцюжків із атомів вуглецю, розташованих паралельно. Густина 3, 23-3, 30.