Uhlík je atom uhlíku. Hmotnost uhlíku

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 05:20

Jedním z nejúžasnějších prvků, které mohou tvořit obrovské množství sloučenin organické a anorganické povahy, je uhlík. Tento prvek je svými vlastnostmi tak neobvyklý, že i Mendělejev mu předpověděl velkou budoucnost, když hovořil o prvcích, které ještě nebyly zveřejněny.

Později se to prakticky potvrdilo. Bylo známo, že je to hlavní biogenní prvek naší planety, který je součástí absolutně všech živých bytostí. Navíc schopný existovat ve formách, které jsou radikálně odlišné ve všech ohledech, ale zároveň se skládají pouze z atomů uhlíku.

Obecně má tato struktura mnoho funkcí a my se jimi pokusíme vypořádat v průběhu článku.

Uhlík: vzorec a pozice v systému prvků

V periodickém systému je prvek uhlík umístěn ve IV (podle nového modelu v 14) skupině, hlavní podskupině. Jeho pořadové číslo je 6 a atomová hmotnost 12 011. Označení prvku znakem C označuje jeho latinský název – carboneum. Existuje několik různých forem, ve kterých uhlík existuje. Jeho vzorec je proto odlišný a závisí na konkrétní modifikaci.

Pro psaní reakčních rovnic je však zápis specifický,samozřejmě mít. Obecně, když mluvíme o látce v její čisté formě, molekulární vzorec uhlíku C je převzat bez indexování.

Historie objevování prvků

Tento prvek sám o sobě je znám již od starověku. Vždyť jedním z nejdůležitějších nerostů v přírodě je uhlí. Proto pro staré Řeky, Římany a další národnosti nebyl tajemstvím.

Kromě této odrůdy byly použity také diamanty a grafit. S posledně jmenovaným existovalo po dlouhou dobu mnoho matoucích situací, protože často bez analýzy složení byly pro grafit považovány takové sloučeniny, jako:

• stříbrný olovo;
• karbid železa;
• sulfid molybdenu.

Všechny byly natřeny černou barvou, a proto byly považovány za grafitové. Později se toto nedorozumění vyjasnilo a tato forma uhlíku se stala sama sebou.

Od roku 1725 mají diamanty velký komerční význam a v roce 1970 byla zvládnuta technologie jejich umělého získávání. Od roku 1779 se díky práci Karla Scheeleho zkoumají chemické vlastnosti, které uhlík vykazuje. To byl začátek řady důležitých objevů na poli tohoto prvku a stal se základem pro zjištění všech jeho nejunikátnějších vlastností.

Izotopy uhlíku a distribuce v přírodě

Přestože je dotyčný prvek jedním z nejvýznamnějších biogenních, jeho celkový obsah v hmotě zemské kůry je 0,15 %. To je způsobeno skutečností, že je vystaven neustálé cirkulaci, přirozenému koloběhu v přírodě.

Obecně je jich několikminerální sloučeniny obsahující uhlík. Jsou to taková přirozená plemena jako:

• dolomity a vápence;
• antracit;
• ropná břidlice;
• zemní plyn;
• uhlí;
• olej;
• lignite;
• rašelina;
• bitumen.

Kromě toho bychom neměli zapomínat na živé bytosti, které jsou jen úložištěm sloučenin uhlíku. Koneckonců, tvořily bílkoviny, tuky, sacharidy, nukleové kyseliny, což znamená nejdůležitější strukturní molekuly. Obecně platí, že v přepočtu suché tělesné hmotnosti ze 70 kg připadá 15 na čistý prvek. A tak je to s každým člověkem, nemluvě o zvířatech, rostlinách a jiných tvorech.

Pokud vezmeme v úvahu složení vzduchu a vody, tedy hydrosféru jako celek a atmosféru, pak existuje směs uhlík-kyslík, vyjádřená vzorcem CO_{2. Dioxid neboli oxid uhličitý je jedním z hlavních plynů, které tvoří vzduch. Právě v této formě je hmotnostní zlomek uhlíku 0,046 %. Ještě více oxidu uhličitého je rozpuštěno ve vodách oceánů.}

Atomová hmotnost uhlíku jako prvku je 12 011. Je známo, že tato hodnota se vypočítá jako aritmetický průměr mezi atomovými hmotnostmi všech izotopových druhů, které existují v přírodě, s přihlédnutím k jejich prevalenci (v procentech). To platí i pro danou látku. Existují tři hlavní izotopy, ve kterých se uhlík nachází. Toto je:

• ¹²С - jeho hmotnostní zlomek je v naprosté většině 98,93 %;
• ¹³C -1,07 %;
• ¹⁴C - radioaktivní, poločas rozpadu 5700 let, stabilní beta zářič.

V praxi určování geochronologického stáří vzorků je široce používán radioaktivní izotop ¹⁴С, což je indikátor kvůli jeho dlouhé době rozpadu.

Alotropní modifikace prvku

Uhlík je prvek, který existuje jako jednoduchá látka v několika formách. To znamená, že je schopen tvořit největší počet dnes známých alotropních modifikací.

1. Krystalické variace – existují ve formě silných struktur s pravidelnými mřížkami atomového typu. Tato skupina zahrnuje odrůdy jako:

• diamanty;
• fullerenes;
• graphites;
• karabiny;
• lonsdaleites;
• uhlíková vlákna a trubky.

Všechny se liší strukturou krystalové mřížky, v jejíchž uzlech je atom uhlíku. Z toho plynou zcela jedinečné, nepodobné vlastnosti, fyzikální i chemické.

2. Amorfní formy – jsou tvořeny atomem uhlíku, který je součástí některých přírodních sloučenin. To znamená, že se nejedná o čisté odrůdy, ale s nečistotami jiných prvků v malém množství. Tato skupina zahrnuje:

• aktivní uhlí;
• kámen a dřevo;
• saze;
• uhlíková nanopěna;
• antracit;
• sklovitý uhlík;
• technický druh látky.

Spojují je také funkcestruktury krystalové mřížky, vysvětlení a projevení vlastností.

3. Sloučeniny uhlíku ve formě shluků. Taková struktura, ve které jsou atomy zevnitř uzavřeny ve speciální konformační dutině, vyplněné vodou nebo jádry jiných prvků. Příklady:

• uhlíkové nanokužele;
• astralens;
• dicarbon.

Fyzikální vlastnosti amorfního uhlíku

Vzhledem k široké škále alotropních modifikací je obtížné identifikovat jakékoli společné fyzikální vlastnosti uhlíku. Jednodušší je mluvit o konkrétní formě. Například amorfní uhlík má následující vlastnosti.

1. Srdcem všech forem jsou jemně krystalické druhy grafitu.
2. Vysoká tepelná kapacita.
3. Dobré vodivé vlastnosti.
4. Hustota uhlíku je asi 2 g/cm³.
5. Při zahřátí nad 1600 ⁰C dochází k přechodu na grafitové formy.

Odrůdy sazí, dřevěného uhlí a kamene jsou široce používány pro průmyslové účely. Nejsou projevem modifikace uhlíku v jeho čisté formě, ale obsahují jej ve velmi velkém množství.

Krystalický uhlík

Existuje několik možností, ve kterých je uhlík látkou, která tvoří pravidelné krystaly různých typů, kde jsou atomy zapojeny do série. Výsledkem jsou následující úpravy.

1. Diamant. Konstrukce je krychlová, ve které jsou spojeny čtyři čtyřstěny. Výsledkem jsou všechny kovalentní chemické vazby každého atomumaximálně syté a odolné. To vysvětluje fyzikální vlastnosti: hustota uhlíku je 3300 kg/m³. Vysoká tvrdost, nízká tepelná kapacita, nedostatek elektrické vodivosti – to vše je výsledkem struktury krystalové mřížky. Existují technicky získané diamanty. Vznikají při přechodu grafitu na další modifikaci pod vlivem vysoké teploty a určitého tlaku. Obecně platí, že bod tání diamantu je stejně vysoký jako pevnost - asi 3500 ⁰C.
2. Grafit. Atomy jsou uspořádány podobně jako struktura předchozí látky, jsou však nasycené pouze tři vazby a čtvrtá se stává delší a méně pevnou, spojuje „vrstvy“šestiúhelníkových prstenců mřížky. V důsledku toho se ukazuje, že grafit je na dotek měkká, mastná černá látka. Má dobrou elektrickou vodivost a má vysoký bod tání - 3525 ⁰C. Schopný sublimace - sublimace z pevného skupenství do plynného skupenství s obcházením kapalného skupenství (při teplotě 3700 ⁰С). Hustota uhlíku je 2,26 g/cm^3, , což je mnohem nižší než hustota diamantu. To vysvětluje jejich rozdílné vlastnosti. Vzhledem k vrstvené struktuře krystalové mřížky je možné použít grafit pro výrobu tužek. Při přejetí po papíře se vločky odlupují a zanechávají na papíře černou stopu.
3. Fullerenenes. Otevřeny byly až v 80. letech minulého století. Jsou to modifikace, ve kterých jsou uhlíky propojeny ve speciální konvexní uzavřené struktuře, která má ve středuprázdnota. A forma krystalu - mnohostěnu, správná organizace. Počet atomů je sudý. Nejznámější formou fullerenu je С₆₀. Během výzkumu byly nalezeny vzorky podobné látky:

• meteority;
• spodní sedimenty;
• folgurite;
• shungite;
• vnější prostor, kde je obsažen ve formě plynů.

Všechny druhy krystalického uhlíku mají velký praktický význam, protože mají řadu vlastností užitečných ve strojírenství.

Reaktivita

Molekulární uhlík vykazuje nízkou reaktivitu díky své stabilní konfiguraci. Může být přinucen vstoupit do reakcí pouze předáním dodatečné energie atomu a nucením k odpaření elektronů vnější úrovně. V tomto bodě se valence stává 4. Proto má ve sloučeninách oxidační stav + 2, + 4, - 4.

Prakticky všechny reakce s jednoduchými látkami, kovy i nekovy, probíhají pod vlivem vysokých teplot. Dotyčný prvek může být jak oxidační činidlo, tak redukční činidlo. Právě posledně jmenované vlastnosti jsou v něm však zvláště výrazné a to je základem pro jeho použití v hutním a jiném průmyslu.

Obecně platí, že schopnost vstoupit do chemické interakce závisí na třech faktorech:

• disperze uhlíku;
• alotropní modifikace;
• reakční teplota.

V některých případech tedy dochází k interakci s následujícímlátky:

• nekovy (vodík, kyslík);
• kovy (hliník, železo, vápník a další);
• oxidy kovů a jejich soli.

Nereaguje s kyselinami a zásadami, velmi zřídka s halogeny. Nejdůležitější z vlastností uhlíku je schopnost tvořit mezi sebou dlouhé řetězce. Mohou se zavírat v cyklu, tvořit větve. Tak vznikají organické sloučeniny, které se dnes počítají na miliony. Základem těchto sloučenin jsou dva prvky – uhlík, vodík. Mohou být zahrnuty i další atomy: kyslík, dusík, síra, halogeny, fosfor, kovy a další.

Hlavní sloučeniny a jejich vlastnosti

Existuje mnoho různých sloučenin, které obsahují uhlík. Vzorec nejslavnějšího z nich je CO₂ - oxid uhličitý. Kromě tohoto oxidu však existuje ještě CO - oxid nebo oxid uhelnatý a také suboxid C₃O₂.

Mezi solemi, které tento prvek obsahují, jsou nejběžnější uhličitany vápenaté a hořečnaté. Uhličitan vápenatý má tedy v názvu několik synonym, protože se v přírodě vyskytuje ve tvaru:

• chalk;
• mramor;
• vápenec;
• dolomit.

Význam uhličitanů kovů alkalických zemin se projevuje v tom, že se aktivně podílejí na tvorbě stalaktitů a stalagmitů a také podzemních vod.

Kyselina uhličitá je další sloučeninou, která tvoří uhlík. Jeho vzorec jeH₂CO₃. Ve své obvyklé formě je však extrémně nestabilní a v roztoku se okamžitě rozkládá na oxid uhličitý a vodu. Proto jsou jako roztok známy pouze jeho soli, nikoli on sám.

halogenidy uhlíku – jsou získávány převážně nepřímo, protože přímá syntéza probíhá pouze při velmi vysokých teplotách a s nízkým výtěžkem produktu. Jeden z nejběžnějších - CCL₄ - tetrachlormethan. Toxická sloučenina, která může při vdechnutí způsobit otravu. Získává se reakcemi radikální fotochemické substituce atomů vodíku v metanu.

Kovové karbidy jsou sloučeniny uhlíku, ve kterých vykazují oxidační stav 4. Existence asociací s borem a křemíkem je také možná. Hlavní vlastností karbidů některých kovů (hliník, wolfram, titan, niob, tantal, hafnium) je vysoká pevnost a vynikající elektrická vodivost. Karbid boru В₄С je po diamantu jednou z nejtvrdších látek (9,5 podle Mohse). Tyto sloučeniny se používají ve strojírenství a také v chemickém průmyslu jako zdroje pro výrobu uhlovodíků (karbid vápníku s vodou vede k tvorbě acetylenu a hydroxidu vápenatého).

Mnoho kovových slitin je vyrobeno pomocí uhlíku, čímž se výrazně zvyšuje jejich kvalita a technické vlastnosti (ocel je slitina železa a uhlíku).

Zvláštní pozornost si zaslouží četné organické sloučeniny uhlíku, ve kterých je základním prvkem schopným se spojovat se stejnými atomy do dlouhých řetězců různých struktur. Patří mezi ně:

• alkanes;
• alkeny;
• arény;
• proteiny;
• sacharidy;
• nukleové kyseliny;
• alkoholy;
• karboxylové kyseliny a mnoho dalších tříd látek.

Použití uhlíku

Význam uhlíkatých sloučenin a jejich alotropních modifikací v lidském životě je velmi vysoký. Můžete jmenovat několik nejglobálnějších průmyslových odvětví, aby bylo jasné, že je to pravda.

1. Tento prvek tvoří všechny druhy fosilních paliv, ze kterých člověk získává energii.
2. Metalurgický průmysl používá uhlík jako nejsilnější redukční činidlo k získávání kovů ze svých sloučenin. Zde se také hojně používají uhličitany.
3. Stavebnictví a chemický průmysl spotřebují obrovské množství sloučenin uhlíku k syntéze nových látek a získání potřebných produktů.

Také můžete pojmenovat sektory ekonomiky jako:

• jaderný průmysl;
• klenoty;
• technické vybavení (mazadla, žáruvzdorné kelímky, tužky atd.);
• určení geologického stáří hornin - radioaktivní indikátor ¹⁴С;
• carbon je vynikající adsorbent, díky čemuž je vhodný pro výrobu filtrů.

Oběh v přírodě

Hmotnost uhlíku nalezená v přírodě je součástí neustálého cyklu, který každou sekundu obíhá po celém světě. Atmosférický zdroj uhlíku - CO₂ je tedy absorbovánrostlin a je uvolňován všemi živými bytostmi v procesu dýchání. Jakmile je v atmosféře, je znovu absorbován, a tak se koloběh nezastaví. Odumírání organických zbytků zároveň vede k uvolňování uhlíku a jeho hromadění v zemi, odkud je pak opět absorbován živými organismy a uvolňován do atmosféry ve formě plynu.