คาร์บอนคือ อะตอมของคาร์บอน มวลของคาร์บอน

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

หนึ่งในองค์ประกอบที่น่าทึ่งที่สุดที่สามารถสร้างสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์ได้หลากหลายคือคาร์บอน องค์ประกอบนี้ผิดปกติในคุณสมบัติของมันที่แม้แต่ Mendeleev ทำนายอนาคตที่ดีสำหรับมัน โดยพูดถึงคุณสมบัติที่ยังไม่ได้เปิดเผย

ภายหลังได้รับการยืนยันในทางปฏิบัติแล้ว เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าเป็นองค์ประกอบทางชีวภาพหลักของโลกซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด อีกทั้งสามารถมีอยู่ในรูปแบบที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงทุกประการ แต่ในขณะเดียวกันก็ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเท่านั้น

โดยทั่วไป โครงสร้างนี้มีคุณสมบัติมากมาย และเราจะพยายามจัดการกับสิ่งเหล่านี้ในบทความ

คาร์บอน: สูตรและตำแหน่งในระบบขององค์ประกอบ

ในระบบธาตุคาร์บอนจะอยู่ในกลุ่ม IV (ตามรูปแบบใหม่ใน 14) ซึ่งเป็นกลุ่มย่อยหลัก หมายเลขซีเรียลของมันคือ 6 และน้ำหนักอะตอมของมันคือ 12.011 การกำหนดองค์ประกอบที่มีเครื่องหมาย C ระบุชื่อในภาษาละติน - carboneum คาร์บอนมีอยู่หลายรูปแบบ สูตรจึงแตกต่างและขึ้นอยู่กับการดัดแปลงเฉพาะ

อย่างไรก็ตาม สำหรับการเขียนสมการปฏิกิริยา สัญกรณ์มีความเฉพาะเจาะจงแน่นอนมี โดยทั่วไป เมื่อพูดถึงสารในรูปแบบบริสุทธิ์ จะใช้สูตรโมเลกุลของคาร์บอน C โดยไม่มีการทำดัชนี

ประวัติการค้นพบองค์ประกอบ

ธาตุนี้รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ ท้ายที่สุดแล้ว แร่ธาตุที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในธรรมชาติก็คือถ่านหิน ดังนั้นสำหรับชาวกรีกโบราณ ชาวโรมัน และชนชาติอื่นๆ เขาจึงไม่เป็นความลับ

นอกจากความหลากหลายนี้แล้ว ยังใช้เพชรและกราไฟท์อีกด้วย มีหลายสถานการณ์ที่สับสนกับสิ่งหลังเป็นเวลานาน เนื่องจากบ่อยครั้งที่ไม่มีการวิเคราะห์องค์ประกอบ สารประกอบดังกล่าวถูกนำมาใช้สำหรับกราไฟต์ เช่น:

• ตะกั่วเงิน;
• เหล็กคาร์ไบด์;
• โมลิบดีนัมซัลไฟด์

ทาสีดำทั้งหมดจึงถือว่าเป็นกราไฟท์ ต่อมาความเข้าใจผิดนี้ก็คลี่คลายและคาร์บอนรูปแบบนี้ก็กลายเป็นตัวของมันเอง

ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1725 เพชรมีความสำคัญทางการค้าอย่างมาก และในปี 1970 เทคโนโลยีในการได้มาซึ่งเพชรเทียมได้กลายมาเป็นผู้เชี่ยวชาญ ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1779 ต้องขอบคุณผลงานของ Karl Scheele ที่ได้ศึกษาคุณสมบัติทางเคมีที่จัดแสดงคาร์บอน นี่เป็นจุดเริ่มต้นของชุดของการค้นพบที่สำคัญในด้านขององค์ประกอบนี้ และกลายเป็นพื้นฐานสำหรับการค้นหาคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ที่สุดทั้งหมด

ไอโซโทปคาร์บอนและการกระจายในธรรมชาติ

แม้ว่าธาตุที่เป็นปัญหาจะเป็นหนึ่งในสารชีวภาพที่สำคัญที่สุด แต่เนื้อหาทั้งหมดในมวลของเปลือกโลกนั้นอยู่ที่ 0.15% นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่ามันอยู่ภายใต้การไหลเวียนอย่างต่อเนื่องซึ่งเป็นวัฏจักรตามธรรมชาติในธรรมชาติ

โดยทั่วไปมีหลายอย่างสารประกอบแร่ที่มีคาร์บอน เหล่านี้เป็นสายพันธุ์ธรรมชาติเช่น:

• โดโลไมต์และหินปูน;
• แอนทราไซต์;
• หินน้ำมัน;
• ก๊าซธรรมชาติ;
• ถ่านหิน;
• น้ำมัน;
• ลิกไนต์;
• พีท;
• น้ำมันดิน

นอกจากนี้ เราไม่ควรลืมเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิต ซึ่งเป็นเพียงแหล่งรวมของสารประกอบคาร์บอน ท้ายที่สุดพวกมันก่อตัวเป็นโปรตีน ไขมัน คาร์โบไฮเดรต กรดนิวคลีอิก ซึ่งหมายถึงโมเลกุลโครงสร้างที่สำคัญที่สุด โดยทั่วไปในการแปลงน้ำหนักตัวแห้งจาก 70 กก. 15 ตกอยู่บนองค์ประกอบที่บริสุทธิ์ และมันก็เป็นกับทุกคนด้วย ไม่ต้องพูดถึงสัตว์ พืช และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ

ถ้าเราพิจารณาองค์ประกอบของอากาศและน้ำ นั่นคือ ไฮโดรสเฟียร์โดยรวมและบรรยากาศ ก็จะมีส่วนผสมของคาร์บอน-ออกซิเจน แสดงโดยสูตร CO_{2. ไดออกไซด์หรือคาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซหลักชนิดหนึ่งที่ประกอบเป็นอากาศ อยู่ในรูปแบบนี้ที่เศษส่วนของมวลของคาร์บอนเท่ากับ 0.046% คาร์บอนไดออกไซด์ละลายในน่านน้ำของมหาสมุทรมากยิ่งขึ้น}

มวลอะตอมของคาร์บอนเป็นองค์ประกอบคือ 12.011 เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าค่านี้คำนวณเป็นค่าเฉลี่ยเลขคณิตระหว่างน้ำหนักอะตอมของสปีชีส์ไอโซโทปทั้งหมดที่มีอยู่ในธรรมชาติโดยคำนึงถึงความชุกของมัน (เป็นเปอร์เซ็นต์). นี่เป็นกรณีของสารที่เป็นปัญหาด้วย มีไอโซโทปหลักสามไอโซโทปที่พบคาร์บอน นี่คือ:

• ¹²С - เศษส่วนมวลของมันคือ 98.93%;
• ¹³C -1.07%;
• ¹⁴C - กัมมันตภาพรังสี ครึ่งชีวิต 5700 ปี ตัวปล่อยเบต้าที่เสถียร

ในทางปฏิบัติเพื่อกำหนดอายุ geochronological ของตัวอย่าง ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ¹⁴С ถูกใช้อย่างแพร่หลาย ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้เนื่องจากระยะเวลาการสลายตัวที่ยาวนาน

การดัดแปลง Allotropic ขององค์ประกอบ

คาร์บอนเป็นธาตุที่มีอยู่เป็นสารธรรมดาในหลายรูปแบบ นั่นคือมันสามารถสร้างการดัดแปลง allotropic จำนวนมากที่สุดที่รู้จักในปัจจุบัน

1. การแปรผันของผลึก - มีอยู่ในรูปของโครงสร้างที่แข็งแรงพร้อมโครงตาข่ายประเภทอะตอมปกติ กลุ่มนี้รวมถึงพันธุ์ต่างๆ เช่น

• เพชร;
• fullerenes;
• กราไฟท์;
• ปืนสั้น;
• lonsdaleites;
• คาร์บอนไฟเบอร์และท่อ

โครงสร้างผลึกคริสตัลแลตทิซต่างกันตรงโหนดซึ่งมีอะตอมของคาร์บอน จึงทำให้มีคุณสมบัติไม่ซ้ำกันโดยสิ้นเชิงทั้งทางกายภาพและทางเคมี

2. รูปแบบอสัณฐาน - เกิดขึ้นจากอะตอมของคาร์บอนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสารประกอบธรรมชาติบางชนิด นั่นคือสิ่งเหล่านี้ไม่ใช่พันธุ์ที่บริสุทธิ์ แต่มีสิ่งเจือปนขององค์ประกอบอื่นในปริมาณเล็กน้อย กลุ่มนี้ประกอบด้วย:

• ถ่านกัมมันต์;
• หินและไม้
• เขม่า;
• คาร์บอนนาโนโฟม;
• แอนทราไซต์;
• กลาสซี่คาร์บอน;
• วัสดุทางเทคนิค

รวมเป็นหนึ่งด้วยคุณสมบัติโครงสร้างของตะแกรงคริสตัล อธิบายและแสดงคุณสมบัติ

3. สารประกอบคาร์บอนในรูปของกระจุก โครงสร้างดังกล่าวซึ่งอะตอมถูกปิดในรูปแบบพิเศษกลวงจากด้านใน เต็มไปด้วยน้ำหรือนิวเคลียสของธาตุอื่นๆ ตัวอย่าง:

• คาร์บอนนาโนโคน;
• แอสทราเลน;
• ไดคาร์บอน

คุณสมบัติทางกายภาพของคาร์บอนอสัณฐาน

เนื่องจากการดัดแปลง allotropic ที่หลากหลาย เป็นการยากที่จะระบุคุณสมบัติทางกายภาพทั่วไปของคาร์บอน ง่ายกว่าที่จะพูดถึงรูปแบบเฉพาะ ตัวอย่างเช่น คาร์บอนอสัณฐานมีลักษณะดังต่อไปนี้

1. หัวใจของทุกรูปแบบคือกราไฟท์ที่มีลักษณะเป็นผลึกละเอียด
2. ความจุความร้อนสูง.
3. คุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดี
4. ความหนาแน่นของคาร์บอนประมาณ 2 กรัม/ซม.³.
5. เมื่อถูกความร้อนเหนือ 1600 ⁰C จะเกิดการเปลี่ยนแปลงในรูปแบบกราไฟท์

เขม่า ถ่าน และหิน มีการใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่ออุตสาหกรรม สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่การรวมตัวกันของการดัดแปลงคาร์บอนในรูปแบบที่บริสุทธิ์ แต่บรรจุไว้ในปริมาณที่มาก

ผลึกคาร์บอน

มีหลายตัวเลือกที่คาร์บอนเป็นสารที่สร้างผลึกปกติหลายประเภท โดยอะตอมจะเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม เป็นผลให้เกิดการปรับเปลี่ยนต่อไปนี้

1. เพชร. โครงสร้างเป็นลูกบาศก์ซึ่งมีสี่สี่เหลี่ยมเชื่อมต่อกัน เป็นผลให้พันธะเคมีโควาเลนต์ทั้งหมดของแต่ละอะตอมอิ่มตัวและทนทานสูงสุด สิ่งนี้อธิบายคุณสมบัติทางกายภาพ: ความหนาแน่นของคาร์บอนคือ 3300 กก./ม.³ ความแข็งสูง ความจุความร้อนต่ำ การขาดการนำไฟฟ้า ทั้งหมดนี้เป็นผลมาจากโครงสร้างของผลึกขัดแตะ มีเพชรที่ได้มาในทางเทคนิค เกิดขึ้นระหว่างการเปลี่ยนกราไฟท์ไปสู่การดัดแปลงครั้งต่อไปภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูงและความดันบางอย่าง โดยทั่วไป จุดหลอมเหลวของเพชรจะสูงเท่ากับความแข็งแรง - ประมาณ 3500 ⁰C.
2. กราไฟท์. อะตอมถูกจัดเรียงคล้ายกับโครงสร้างของสารก่อนหน้าอย่างไรก็ตามมีเพียงสามพันธะเท่านั้นที่อิ่มตัวและพันธะที่สี่จะยาวขึ้นและแข็งแรงน้อยลงเชื่อมต่อ "ชั้น" ของวงแหวนหกเหลี่ยมของตาข่าย ผลที่ได้คือกราไฟต์เป็นสารสีดำที่มีความมันเยิ้มเมื่อสัมผัส มีการนำไฟฟ้าที่ดีและมีจุดหลอมเหลวสูง - 3525 ⁰C. ความสามารถในการระเหิด - การระเหิดจากสถานะของแข็งเป็นสถานะก๊าซ โดยผ่านสถานะของเหลว (ที่อุณหภูมิ 3700 ⁰С) ความหนาแน่นของคาร์บอนอยู่ที่ 2.26 ก./ซม.^3, ซึ่งต่ำกว่าเพชรมาก สิ่งนี้อธิบายคุณสมบัติต่าง ๆ ของพวกเขา เนื่องจากโครงสร้างเป็นชั้นของโครงตาข่ายคริสตัล จึงสามารถใช้กราไฟท์สำหรับการผลิตไส้ดินสอได้ เมื่อปัดผ่านกระดาษ สะเก็ดลอกออกและทิ้งรอยดำไว้บนกระดาษ
3. ฟูลเลอรีน. พวกเขาเปิดเฉพาะในยุค 80 ของศตวรรษที่ผ่านมา เป็นการดัดแปลงที่คาร์บอนเชื่อมต่อกันในโครงสร้างปิดนูนพิเศษซึ่งมีอยู่ตรงกลางความว่างเปล่า และรูปแบบของคริสตัล - รูปทรงหลายเหลี่ยม, องค์กรที่ถูกต้อง. จำนวนอะตอมเป็นเลขคู่ รูปแบบที่มีชื่อเสียงที่สุดของฟูลเลอรีนคือ С₆₀ พบตัวอย่างของสารที่คล้ายกันในระหว่างการวิจัย:

• อุกกาบาต;
• ตะกอนล่าง;
• โฟลกูไรต์;
• shungite;
• นอกที่ซึ่งบรรจุอยู่ในรูปของก๊าซ

ผลึกคาร์บอนทุกชนิดมีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างมาก เนื่องจากมีคุณสมบัติหลายประการที่เป็นประโยชน์ในด้านวิศวกรรม

ปฏิกิริยา

โมเลกุลคาร์บอนแสดงปฏิกิริยาต่ำเนื่องจากมีการกำหนดค่าที่มั่นคง มันสามารถถูกบังคับให้ทำปฏิกิริยาได้โดยการให้พลังงานเพิ่มเติมแก่อะตอมและบังคับให้อิเล็กตรอนในระดับชั้นนอกระเหย ณ จุดนี้ความจุจะกลายเป็น 4 ดังนั้นในสารประกอบจึงมีสถานะออกซิเดชันเป็น + 2, + 4, - 4

ในทางปฏิบัติทุกปฏิกิริยากับสารธรรมดา ทั้งโลหะและอโลหะ ดำเนินการภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูง องค์ประกอบที่เป็นปัญหาสามารถเป็นได้ทั้งตัวออกซิไดซ์และตัวรีดิวซ์ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติอย่างหลังนั้นเด่นชัดเป็นพิเศษ และนี่คือพื้นฐานสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมโลหะวิทยาและอุตสาหกรรมอื่นๆ

โดยทั่วไป ความสามารถในการเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับปัจจัยสามประการ:

• การแพร่กระจายของคาร์บอน
• ดัดแปลง allotropic;
• อุณหภูมิปฏิกิริยา

ดังนั้น ในบางกรณีจะมีการโต้ตอบกับสิ่งต่อไปนี้สาร:

• อโลหะ (ไฮโดรเจน, ออกซิเจน);
• โลหะ (อลูมิเนียม เหล็ก แคลเซียม และอื่นๆ);
• โลหะออกไซด์และเกลือของพวกมัน

ไม่ทำปฏิกิริยากับกรดและด่าง น้อยมากกับฮาโลเจน คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของคาร์บอนคือความสามารถในการสร้างสายโซ่ยาวเข้าด้วยกัน พวกเขาสามารถปิดเป็นวงจรสร้างกิ่งก้าน นี่คือวิธีการก่อตัวของสารประกอบอินทรีย์ซึ่งปัจจุบันมีจำนวนเป็นล้าน พื้นฐานของสารประกอบเหล่านี้คือสององค์ประกอบ - คาร์บอน, ไฮโดรเจน อะตอมอื่นๆ อาจรวมอยู่ด้วย: ออกซิเจน ไนโตรเจน กำมะถัน ฮาโลเจน ฟอสฟอรัส โลหะ และอื่นๆ

สารประกอบหลักและลักษณะเฉพาะ

มีสารประกอบต่างๆ มากมายที่ประกอบด้วยคาร์บอน สูตรที่มีชื่อเสียงที่สุดคือ CO₂ - คาร์บอนไดออกไซด์ อย่างไรก็ตาม นอกจากออกไซด์นี้แล้ว ยังมี CO - มอนอกไซด์หรือคาร์บอนมอนอกไซด์ เช่นเดียวกับซับออกไซด์ C₃O₂

ในบรรดาเกลือที่มีธาตุนี้ แคลเซียมและแมกนีเซียมคาร์บอเนตที่พบบ่อยที่สุด ดังนั้น แคลเซียมคาร์บอเนตจึงมีคำพ้องความหมายหลายคำในชื่อ เนื่องจากมันเกิดขึ้นในธรรมชาติในรูปแบบ:

• ชอล์ก;
• หินอ่อน;
• หินปูน;
• โดโลไมต์

ความสำคัญของอัลคาไลน์เอิร์ทเมทัลคาร์บอเนตแสดงให้เห็นโดยข้อเท็จจริงที่ว่าพวกเขามีส่วนร่วมในการก่อตัวของหินงอกหินย้อยรวมถึงน้ำบาดาล

กรดคาร์บอนิกเป็นสารประกอบอีกชนิดหนึ่งที่สร้างคาร์บอน สูตรของมันคือH₂CO₃. อย่างไรก็ตาม ในรูปแบบปกติ มันไม่เสถียรอย่างยิ่งและสลายตัวทันทีเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในสารละลาย ดังนั้นจึงรู้จักเกลือของมันเท่านั้น ไม่ใช่ตัวมันเองในการแก้ปัญหา

คาร์บอนเฮไลด์ - ได้มาโดยทางอ้อมเป็นหลัก เนื่องจากการสังเคราะห์โดยตรงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงมากเท่านั้นและให้ผลผลิตต่ำ หนึ่งในสิ่งที่พบบ่อยที่สุด - CCL₄ - คาร์บอนเตตระคลอไรด์ สารพิษที่อาจทำให้เกิดพิษได้หากสูดดม ได้มาจากปฏิกิริยาของการแทนที่โฟโตเคมีอย่างรุนแรงของอะตอมไฮโดรเจนในมีเทน

โลหะคาร์ไบด์เป็นสารประกอบคาร์บอนที่มีสถานะออกซิเดชัน 4 ตัว นอกจากนี้ยังสามารถคงอยู่ของการเชื่อมโยงกับโบรอนและซิลิกอนได้ คุณสมบัติหลักของคาร์ไบด์ของโลหะบางชนิด (อลูมิเนียม ทังสเตน ไททาเนียม ไนโอเบียม แทนทาลัม แฮฟเนียม) มีความแข็งแรงสูงและมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม โบรอนคาร์ไบด์ В₄С เป็นหนึ่งในสารที่แข็งที่สุดรองจากเพชร (9.5 ตาม Mohs) สารประกอบเหล่านี้ใช้ในงานวิศวกรรมเช่นเดียวกับในอุตสาหกรรมเคมี โดยเป็นแหล่งผลิตไฮโดรคาร์บอน (แคลเซียมคาร์ไบด์กับน้ำจะทำให้เกิดอะเซทิลีนและแคลเซียมไฮดรอกไซด์)

โลหะผสมหลายชนิดผลิตขึ้นโดยใช้คาร์บอน จึงช่วยเพิ่มคุณภาพและลักษณะทางเทคนิคได้อย่างมีนัยสำคัญ (เหล็กเป็นโลหะผสมของเหล็กและคาร์บอน)

ความสนใจเป็นพิเศษควรได้รับสารประกอบอินทรีย์จำนวนมากของคาร์บอน ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สามารถรวมอะตอมเดียวกันเป็นสายโซ่ยาวของโครงสร้างต่างๆ ได้ ซึ่งรวมถึง:

• อัลเคน;
• แอลคีน;
• อารีน่า;
• โปรตีน;
• คาร์โบไฮเดรต;
• กรดนิวคลีอิก;
• แอลกอฮอล์;
• กรดคาร์บอกซิลิกและสารอื่นๆ อีกหลายชนิด

การใช้คาร์บอน

ความสำคัญของสารประกอบคาร์บอนและการดัดแปลง allotropic ในชีวิตมนุษย์นั้นสูงมาก คุณสามารถบอกชื่ออุตสาหกรรมระดับโลกบางส่วนเพื่อให้ชัดเจนว่านี่คือเรื่องจริง

1. องค์ประกอบนี้ก่อให้เกิดเชื้อเพลิงฟอสซิลทุกประเภทที่บุคคลได้รับพลังงาน
2. อุตสาหกรรมโลหะวิทยาใช้คาร์บอนเป็นตัวรีดิวซ์ที่แรงที่สุดเพื่อให้ได้โลหะจากสารประกอบของพวกมัน คาร์บอเนตยังใช้กันอย่างแพร่หลายที่นี่
3. การก่อสร้างและอุตสาหกรรมเคมีใช้สารประกอบคาร์บอนจำนวนมากเพื่อสังเคราะห์สารใหม่และได้ผลิตภัณฑ์ที่จำเป็น

คุณยังสามารถตั้งชื่อภาคเศรษฐกิจดังกล่าวเป็น:

• อุตสาหกรรมนิวเคลียร์;
• อัญมณี;
• อุปกรณ์ทางเทคนิค (น้ำมันหล่อลื่น ถ้วยใส่ตัวอย่างทนความร้อน ดินสอ ฯลฯ);
• การกำหนดอายุทางธรณีวิทยาของหิน - สารกัมมันตภาพรังสี ¹⁴С;
• คาร์บอนเป็นตัวดูดซับที่ดีเยี่ยม ซึ่งเหมาะสำหรับทำตัวกรอง

หมุนเวียนในธรรมชาติ

มวลของคาร์บอนที่พบในธรรมชาติรวมอยู่ในวัฏจักรคงที่ที่วนรอบทุกวินาทีทั่วโลก ดังนั้น แหล่งบรรยากาศของคาร์บอน - CO₂ ถูกดูดซับพืชและถูกปล่อยออกมาจากสิ่งมีชีวิตทั้งหมดในกระบวนการหายใจ เมื่ออยู่ในชั้นบรรยากาศก็จะถูกดูดกลืนอีกครั้ง วัฏจักรจึงไม่หยุดนิ่ง ในเวลาเดียวกัน การตายของสารอินทรีย์ที่ตกค้างทำให้เกิดการปลดปล่อยคาร์บอนและการสะสมของคาร์บอนในดิน จากที่ซึ่งสิ่งมีชีวิตถูกดูดซับอีกครั้งและปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศในรูปของก๊าซ