KARBON: EGENSKAPER, STRUKTUR, INNHENTING, BRUK - KJEMI - 2026

Den carbon er et ikke - metallisk grunnstoff hvis kjemiske symbol er C. oppkalt etter kull, vegetabilske eller mineralske, hvor atomene definere forskjellige strukturer. Mange forfattere kvalifiserer det som kongen av elementene, siden det danner et bredt spekter av organiske og uorganiske forbindelser, og også forekommer i et betydelig antall allotroper.

Og hvis dette ikke er nok til å referere til det som et spesielt element, finnes det i alle levende vesener; alle dens biomolekyler skylder deres eksistens til stabiliteten og styrken til CC-bindinger og deres høye tendens til sammenføyning. Karbon er elementet i livet, og med sine atomer er kroppene deres bygget.

Trevirket er hovedsakelig sammensatt av karbohydrater, en av de mange karbonforbindelsene. Kilde: Pexels.

De organiske forbindelsene som biomaterialer er bygd med, består praktisk talt av karbonskjelett og heteroatomer. Disse kan sees med det blotte øye i trærne; og også når lynet slår dem og steker dem. Det gjenværende inerte, svarte faste stoffet har også karbon; men det er trekull.

Dermed er det "døde" manifestasjoner av dette elementet: trekull, et produkt av forbrenning i oksygenfattige miljøer; og mineralkull, et produkt av geologiske prosesser. Begge faste stoffer ser like ut, de er svarte, og de brenner for å generere varme og energi; selv om de har forskjellige utbytter.

Fra dette tidspunktet er karbon det 15. rikeste elementet i jordskorpen. Ikke rart når det produseres millioner av tonn kull årlig. Disse mineralene avviker i sine egenskaper avhengig av graden av urenheter, og plasserer antrasitt som mineralkull av høyeste kvalitet.

Jordskorpen er ikke bare rik på mineralsk kull, men også på karbonater, spesielt kalkstein og dolomitter. Og angående universet, er det det fjerde rikeste elementet; Jeg mener, det er mer karbon der ute på andre planeter.

Karbonhistorie

Retrospect

Karbon kan være like gammel som jordskorpen selv. Siden eldgamle tider har gamle sivilisasjoner møtt dette elementet i dets mange naturlige presentasjoner: sot, trekull, trekull, trekull, diamanter, grafitt, kulltjære, antracitt, etc.

Selv om de delte de mørke tonene (med unntak av diamant), skilte resten av deres fysiske egenskaper, så vel som deres sammensetning, bemerkelsesverdig seg. Da var det umulig å påstå at de i det vesentlige besto av karbonatomer.

Det var slik at gjennom historien ble kull klassifisert i henhold til kvaliteten på tidspunktet for brenning og tilførsel av varme. Og med gassene dannet av forbrenningen ble vannmasser oppvarmet, som igjen produserte damper som flyttet turbiner som genererte elektriske strømmer.

Karbon på en uforutsett måte var til stede i trekull produsert av å brenne trær i lukkede eller hermetiske rom i grafitten som blyantene ble laget med; i diamanter brukt som perler; han var ansvarlig for hardheten i stålet.

Historien går hånd i hånd med tre, krutt, belysningsgasser i byen, tog og skip, øl, smøremidler og andre viktige gjenstander for å fremme menneskeheten.

Anerkjennelse

På hvilket tidspunkt var forskere i stand til å assosiere karbonallotropene og mineralene med det samme elementet? Kull ble sett på som et mineral, og det ble ikke tenkt på som et kjemisk element verdt det periodiske systemet. Det første trinnet burde vært å vise at alle disse faste stoffene ble transformert til den samme gassen: karbondioksid, CO ₂ .

Antoine Lavoisier i 1772, ved å bruke en treramme med store linser, fokuserte solstrålene på prøver av trekull og en diamant. Han fant at ingen av dem dannet vanndamp, men CO ₂ . Han gjorde det samme med sot og fikk de samme resultatene.

Carl Wilhelm Scheele i 1779, fant det kjemiske forholdet mellom trekull og grafitt; det vil si at begge faste stoffer var sammensatt av de samme atomene.

Smithson Tennant og William Hyde Wollaston i 1797 bekreftet metodisk (gjennom reaksjoner) at diamanten faktisk var sammensatt av karbon da de produserte CO ₂ i forbrenningen.

Med disse resultatene ble det raskt kastet lys på grafitt og diamant, faste stoffer dannet av karbon, og derfor med høy renhet; i motsetning til uren faste stoffer fra kull og andre karbonholdige mineraler.

Egenskaper

De fysiske eller kjemiske egenskapene som finnes i faste stoffer, mineraler eller karbonholdige materialer er underlagt mange variabler. Blant dem er: sammensetningen eller graden av urenheter, hybridiseringene av karbonatomene, mangfoldet i strukturene og morfologien eller størrelsen på porene.

Når de beskriver karbonens egenskaper, er de fleste tekster eller bibliografiske kilder basert på grafitt og diamant.

Hvorfor? Fordi de er de mest kjente allotropene for dette elementet og representerer faste stoffer eller materialer med høy renhet; det vil si at de praktisk talt er laget av annet enn karbonatomer (selv om de har forskjellige strukturer, som det vil bli forklart i neste avsnitt).

Egenskapene til trekull og mineralkull er forskjellige i henhold til opprinnelse eller sammensetning. For eksempel kryper lignitt (lite karbon) som drivstoff sammenlignet med antrasitt (høyt karbon). Og hva med de andre allotropene: nanorør, fullerener, grafener, graffins, etc.

Kjemisk har de imidlertid et poeng til felles: de oksiderer med et overskudd av oksygen i CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Nå er hastigheten eller temperaturen de trenger for å oksidere spesifikke for hver av disse allotropene.

Grafitt vs diamant

Her vil det også komme en kort kommentar angående de veldig forskjellige egenskapene for disse to allotropene:

Tabell der noen egenskaper for de to krystallinske karbonototropene blir sammenlignet. Kilde: Gabriel Bolívar.

Struktur og elektronisk konfigurasjon

hybridizations

Forholdet mellom hybrid orbitaler og mulige strukturer for karbon. Kilde: Gabriel Bolívar.

Elektronkonfigurasjonen for karbonatomet er 1s ² 2s ² 2p ² , også skrevet som 2s ² 2p ² (toppbilde). Denne representasjonen tilsvarer dens grunntilstand: karbonatomet isolert og suspendert i et slikt vakuum at det ikke kan samhandle med andre.

Det kan sees at en av dens 2p-orbitaler mangler elektroner, som aksepterer et elektron fra den lavere energien 2s-bane gjennom elektronisk promotering; og således overtar atomet evnen til å danne opp til fire kovalente bindinger via sine fire sp ^tre hybride orbitaler .

Legg merke til at alle de fire sp ^3- orbitalene er degenerert av energi (justert på samme nivå). Ren p orbitaler er mer energiske, og det er grunnen til at de er over de andre hybrid orbitalene (til høyre for bildet).

Hvis det er tre hybride orbitaler, er det fordi en uhybridisert p orbitale gjenstår; derfor er de tre sp ² orbitaler . Og når det er to av disse hybrid orbitaler, er to p orbitaler tilgjengelige for å danne dobbelt- eller trippelbindinger, det vil si hybridisering av sp karbon.

Slike elektroniske aspekter er avgjørende for å forstå hvorfor karbon kan finnes i uendelige mengder av allotropes.

Oksidasjonsnummer

Før du fortsetter med strukturene, er det verdt å nevne at karbon , gitt elektronkonfigurasjonen til valens 2s ² 2p ² , kan ha følgende oksidasjonsnummer: +4, +2, 0, -2 og -4.

Hvorfor? Disse tallene tilsvarer antakelsen om at det er en ionisk binding slik at du danner ionene med de respektive ladningene; det vil si C4 ⁺ , C2 ⁺ , C ⁰ (nøytral), C ^2- og C ^4- .

For at karbon skal ha et positivt oksidasjonsnummer, må det miste elektroner; Og for å gjøre det, må det nødvendigvis være bundet til veldig elektronegative atomer (som oksygen).

I mellomtiden, for at karbon skal ha et negativt oksidasjonsnummer, må det få elektroner ved å binde seg til metallatomer eller mindre elektronegativt enn det (for eksempel hydrogen).

Det første oksidasjonsnummeret, +4, betyr at karbonet har mistet alle sine valenselektroner. 2s og 2p orbitals forblir tomme. Hvis 2p-orbitalen mister sine to elektroner, vil karbonet ha et oksidasjonsnummer på +2; hvis du får to elektroner, vil du ha -2; og hvis du får ytterligere to elektroner ved å fullføre valensoktetten, -4.

eksempler

For CO ₂ er for eksempel oksidasjonsantallet av karbon +4 (fordi oksygen er mer elektronisk); mens CH ₄ er -4 (fordi hydrogen er mindre elektronisk).

For CH ₃ OH, oksydasjon antallet karbon er -2 (1 for H og -2 til O); mens HCOOH er +2 (sjekk at summen gir 0).

Andre oksidasjonstilstander, som -3 og +3, er også sannsynlige, spesielt når det gjelder organiske molekyler; for eksempel i methylgruppene, -CH ₃ .

Molekylære geometrier

Det øvre bildet viste ikke bare hybridisering av orbitalene for karbonatomet, men også de resulterende molekylære geometrier da flere atomer (svarte kuler) ble knyttet til en sentral. Dette sentrale atomet for å ha et spesifikt geometrisk miljø i verdensrommet, må ha den respektive kjemiske hybridiseringen som tillater det.

For eksempel har sentralkarbonet for tetrahedronen sp ^3- hybridisering ; fordi slikt er det mest stabile arrangementet for de fire sp ³ hybrid-orbitalene . Når det gjelder sp ² karbonatomer , kan de danne dobbeltbindinger og ha et trigonalt planmiljø; og slik definerer disse trekantene en perfekt sekskant. Og for en sp-hybridisering, tar karbonene en lineær geometri.

Dermed styres geometrierene i strukturene til alle allotropes ganske enkelt av tetraeder (sp ³ ), sekskanter eller femkanter (sp ² ) og linjer (sp).

Tetrahedra definerer en 3D-struktur, mens sekskanter, femkanter og linjer, 3D- eller 2D-strukturer; De sistnevnte er flyene eller platene som ligner veggene i bikakene:

Vegg med sekskantet design av en honningkake i analogi med fly sammensatt av sp2 karbonatomer. Kilde: Pixabay.

Og hvis vi bretter denne sekskantede veggen (femkantet eller blandet), vil vi få et rør (nanorør) eller en ball (fullerener), eller en annen figur. Samhandlingene mellom disse tallene gir opphav til forskjellige morfologier.

Amorfe eller krystallinske faste stoffer

Ved å legge geometrier, hybridiseringer eller morfologier av mulige karbonstrukturer til side, kan dets faste stoffer globalt klassifiseres i to typer: amorf eller krystallinsk. Og mellom disse to klassifiseringene fordeles allotropene.

Amorf karbon er ganske enkelt en som presenterer en vilkårlig blanding av tetraedre, sekskanter eller linjer, som ikke er i stand til å etablere et strukturelt mønster; slik er tilfellet kull, trekull eller aktivt kull, koks, sot, etc.

Mens det krystallinske karbonet består av strukturelle mønstre som består av noen av de foreslåtte geometrier; for eksempel diamant (tredimensjonalt nettverk av tetraeder) og grafitt (stablede sekskantede ark).

Å skaffe

Karbon kan være rent som grafitt eller diamant. Disse finnes i deres respektive mineralogiske forekomster, spredt over hele kloden og i forskjellige land. Det er grunnen til at noen nasjoner er mer eksportører av et av disse mineralene enn andre. Kort sagt, "du må grave jorden" for å få karbon.

Det samme gjelder mineral kull og dens typer. Men dette er ikke tilfelle med kull, siden et karbonrikt organ først må "omkomme", enten under ild, eller et elektrisk lyn; selvfølgelig, i fravær av oksygen, ville ellers CO ₂ bli frigjort .

En hel skog er en karbonkilde som trekull; ikke bare for trærne, men også for dens fauna.

Generelt må prøver som inneholder karbon, gjennomgå pyrolyse (forbrenning i fravær av oksygen) for å frigjøre noen av urenhetene som gasser; og således forblir et fast stoff som er rikt på karbon (amorft eller krystallinsk) som en rest.

applikasjoner

Igjen, i likhet med egenskapene og strukturen, er bruken eller anvendelsene i samsvar med allotropene eller mineralogiske formene av karbon. Imidlertid er det visse generaliteter som kan nevnes, i tillegg til noen kjente punkter. Slike er:

-Karbon har vært brukt i lang tid som et mineralreduserende middel for å oppnå rene metaller; for eksempel jern, silisium og fosfor.

-Det er livets hjørnestein, og organisk kjemi og biokjemi er studiene av denne refleksjonen.

-Det har også vært et fossilt drivstoff som gjorde at de første maskinene kunne starte girene sine. På samme måte ble det oppnådd karbongass for de gamle lyssystemene. Kull var synonymt med lys, varme og energi.

-Blandet som tilsetningsstoff med jern i forskjellige proporsjoner tillot oppfinnelsen og forbedring av stål.

-Den svarte fargen fant sted i kunst, spesielt grafitt og alle forfattere skrevet med linjene.

Risiko og forholdsregler

Karbon og dets faste stoffer utgjør ingen helserisiko. Hvem har brydd seg om en pose kull? De selges i hopetall i gangene på noen markeder, og så lenge det ikke er brann i nærheten, vil ikke de svarte blokkene deres brenne.

Koks kan derimot utgjøre en risiko hvis svovelinnholdet er høyt. Når det brenner, vil det frigjøre svovelholdige gasser som i tillegg til å være giftige, bidrar til sur nedbør. Og selv om CO ₂ i små mengder ikke kan kvele oss, har det stor innvirkning på miljøet som klimagass.

Fra dette perspektivet er karbon en "langsiktig" fare, siden forbrenningen endrer kloden på planeten vår.

Og i en mer fysisk forstand transporteres faste eller karbonholdige materialer hvis de pulveriseres lett med luftstrømmer; og følgelig blir de introdusert direkte til lungene, noe som kan skade dem uopprettelig.

For resten er det veldig vanlig å konsumere "trekull" når litt mat tilberedes.

referanser

1. Morrison, RT og Boyd, R, N. (1987). Organisk kjemi. 5. utgave. Redaksjonell Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organisk kjemi. (Sjette utgave). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kjemi. Aminer. (10. utgave.). Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Karbon, dets allotropes og strukturer. Gjenopprettet fra: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Kull. Kjemi forklart. Gjenopprettet fra: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11. juli 2018). 10 karbonfakta (atomnummer 6 eller C). Gjenopprettet fra: thoughtco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Hva er karbon? - Fakta og historieleksjon for barn. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
8. Føll. (SF). Historie om karbon. Gjenopprettet fra: tf.uni-kiel.de