کربن کجا یافت می شود؟ ترکیبات معدنی کربن کارابین چیست

یکی از زمینه های مهم کاربرد عملی آخرین اکتشافات در زمینه فیزیک، شیمی و حتی نجوم، ایجاد و مطالعه مواد جدید با خواص غیر معمول و گاه منحصر به فرد است. در مورد مسیرهایی که این کارها در آن انجام می شود و آنچه دانشمندان قبلاً موفق به دستیابی به آن شده اند ، در مجموعه مقالاتی که با همکاری دانشگاه فدرال اورال ایجاد شده است خواهیم گفت. اولین متن ما به مواد غیر معمولی اختصاص دارد که می توان از رایج ترین ماده - کربن به دست آورد.

اگر از یک شیمیدان بپرسید که کدام عنصر مهم ترین است، می توانید پاسخ های مختلفی دریافت کنید. کسی در مورد هیدروژن - رایج ترین عنصر در جهان، کسی در مورد اکسیژن - رایج ترین عنصر در پوسته زمین خواهد گفت. اما اغلب پاسخ "کربن" را می شنوید - این اوست که زیربنای همه مواد آلی، از DNA و پروتئین ها گرفته تا الکل ها و هیدروکربن ها است.

مقاله ما به ظواهر متنوع این عنصر اختصاص دارد: به نظر می رسد که ده ها ماده مختلف را می توان تنها از اتم های آن - از گرافیت تا الماس، از کاربین گرفته تا فولرن ها و نانولوله ها - ساخت. اگرچه همه آنها دقیقاً از اتم‌های کربن یکسانی تشکیل شده‌اند، خواص آنها کاملاً متفاوت است - و آرایش اتم‌ها در ماده نقش اصلی را در این امر ایفا می‌کند.

گرافیت

اغلب در طبیعت، کربن خالص را می توان به شکل گرافیت یافت - یک ماده سیاه نرم که به راحتی لایه برداری می شود و به نظر می رسد در لمس لغزنده است. بسیاری ممکن است به یاد داشته باشند که سرب های مداد از گرافیت ساخته شده اند - اما این همیشه درست نیست. اغلب سرب از ترکیبی از تراشه های گرافیت و چسب ساخته می شود، اما مدادهای کاملاً گرافیتی نیز وجود دارد. جالب اینجاست که بیش از یک بیستم تولید گرافیت طبیعی در جهان صرف مداد می شود.

گرافیت چه ویژگی خاصی دارد؟ اول از همه، الکتریسیته را به خوبی هدایت می کند - اگرچه کربن خود مانند فلزات دیگر نیست. اگر یک صفحه گرافیتی را بگیریم، معلوم می شود که رسانایی در امتداد صفحه آن حدود صد برابر بیشتر از جهت عرضی است. این به طور مستقیم با نحوه سازماندهی اتم های کربن در مواد مرتبط است.

اگر به ساختار گرافیت نگاه کنیم، خواهیم دید که از لایه های جداگانه ای به ضخامت یک اتم تشکیل شده است. هر یک از لایه ها شبکه ای از شش ضلعی است که شبیه لانه زنبوری است. اتم های کربن درون لایه با پیوندهای شیمیایی کووالانسی به هم متصل می شوند. علاوه بر این، برخی از الکترون‌هایی که پیوند شیمیایی را فراهم می‌کنند، روی کل صفحه "لکه‌دار" می‌شوند. سهولت حرکت آنها رسانایی بالای گرافیت را در امتداد صفحه تکه های کربن تعیین می کند.

لایه‌های جداگانه به دلیل نیروهای واندروالس به هم متصل هستند - آنها بسیار ضعیف‌تر از پیوند شیمیایی معمول هستند، اما برای اطمینان از اینکه کریستال گرافیت خودبه‌خود لایه لایه نمی‌شود کافی است. چنین اختلافی منجر به این واقعیت می شود که حرکت عمود بر صفحات برای الکترون ها بسیار دشوارتر است - مقاومت الکتریکی 100 برابر افزایش می یابد.

گرافیت به دلیل رسانایی الکتریکی و همچنین قابلیت جاسازی اتم های عناصر دیگر در بین لایه ها، به عنوان آند برای باتری های لیتیوم یون و دیگر منابع جریان استفاده می شود. الکترودهای گرافیتی برای تولید آلومینیوم فلزی ضروری هستند - و حتی ترولی‌بوس‌ها از کنتاکت‌های لغزنده گرافیت کلکتورهای جریان استفاده می‌کنند.

علاوه بر این، گرافیت یک دیامغناطیس با یکی از بالاترین حساسیت ها در واحد جرم است. این بدان معنی است که اگر یک تکه گرافیت را در یک میدان مغناطیسی قرار دهید، آنگاه به هر طریق ممکن سعی خواهد کرد تا این میدان را از خود خارج کند - تا جایی که گرافیت بتواند روی یک آهنربای به اندازه کافی قوی حرکت کند.

و آخرین خاصیت مهم گرافیت نسوز باورنکردنی آن است. نسوزترین ماده امروزی یکی از کاربیدهای هافنیوم با نقطه ذوب حدود 4000 درجه سانتیگراد است. با این حال، اگر سعی کنید گرافیت را ذوب کنید، در فشارهای حدود صد اتمسفر، سختی آن را تا 4800 درجه سانتیگراد حفظ می کند (در فشار اتمسفر، گرافیت تصعید می شود - تبخیر می شود و فاز مایع را دور می زند). در نتیجه، مواد مبتنی بر گرافیت، به عنوان مثال، در بدنه نازل موشک استفاده می شود.

الماس

بسیاری از مواد تحت فشار شروع به تغییر ساختار اتمی خود می کنند - یک انتقال فاز رخ می دهد. گرافیت از این نظر هیچ تفاوتی با مواد دیگر ندارد. در فشارهای صد هزار اتمسفر و دمای 1-2 هزار درجه سانتیگراد، لایه های کربن شروع به نزدیک شدن به یکدیگر می کنند، پیوندهای شیمیایی بین آنها ظاهر می شود و هنگامی که صفحات صاف موجدار می شوند. الماس تشکیل می شود که یکی از زیباترین اشکال کربن است.

خواص الماس با خواص گرافیت کاملاً متفاوت است - این یک ماده شفاف سخت است. خراشیدن آن بسیار دشوار است (صاحب 10 در مقیاس سختی Mohs، این حداکثر سختی است). در عین حال، هدایت الکتریکی الماس و گرافیت با ضریب کوئینتیلیون متفاوت است (این عددی با 18 صفر است).

الماس در سنگ

ویکی‌مدیا کامانز

این تعیین کننده استفاده از الماس است: بیشتر الماس های استخراج شده و مصنوعی در فلزکاری و سایر صنایع استفاده می شود. به عنوان مثال، چرخ های سنگ زنی و ابزار برش با پودر الماس یا پوشش گسترده است. از پوشش های الماس حتی در جراحی - برای چاقوی جراحی استفاده می شود. استفاده از این سنگ ها در صنعت طلا و جواهر برای همه شناخته شده است.

سختی شگفت انگیز نیز در تحقیقات علمی استفاده می شود - با کمک الماس های با کیفیت بالا است که آزمایشگاه ها مواد را در فشارهای میلیون ها اتمسفر مطالعه می کنند. شما می توانید بیشتر در مورد این در مطالب ما "".

گرافن

به جای فشرده سازی و گرم کردن گرافیت، ما به دنبال آندری گیم و کنستانتین نووسلوف، یک تکه نوار چسب را به کریستال گرافیت می چسبانیم. سپس آن را جدا کنید - یک لایه نازک گرافیت روی نوار چسب باقی می ماند. بیایید این عمل را یک بار دیگر تکرار کنیم - نوار را روی یک لایه نازک بمالید و دوباره آن را جدا کنید. لایه حتی نازک تر می شود. با چند بار تکرار این روش، گرافن به دست می‌آید - ماده‌ای که فیزیکدانان بریتانیایی فوق‌الذکر برای آن جایزه نوبل را در سال 2010 دریافت کردند.

گرافن یک لایه مسطح از اتم‌های کربن است که کاملاً مشابه لایه‌های اتمی گرافیت است. محبوبیت آن به دلیل رفتار غیرعادی الکترون های موجود در آن است. طوری حرکت می کنند که انگار اصلا جرم ندارند. البته در واقعیت، جرم الکترون ها مانند هر ماده ای باقی می ماند. اتم های کربن قاب گرافن در همه چیز مقصر هستند، ذرات باردار را جذب می کنند و یک میدان تناوبی خاص را تشکیل می دهند.

دستگاه مبتنی بر گرافن در پس‌زمینه عکس، کنتاکت‌های طلایی، بالای آن‌ها گرافن، در بالا یک لایه نازک از پلی‌متیل متاکریلات است.

مهندسی در کمبریج / flickr.com

پیامد این رفتار تحرک بالای الکترون ها بود - آنها در گرافن بسیار سریعتر از سیلیکون حرکت می کنند. به همین دلیل، بسیاری از دانشمندان امیدوارند که گرافن به پایه الکترونیک آینده تبدیل شود.

جالب اینجاست که گرافن همتایان کربنی دارد - و. اولین مورد شامل بخش های پنج ضلعی کمی اعوجاج شده است و بر خلاف گرافن، رسانای ضعیف الکتریسیته است. فاگرافن از بخش های پنج، شش و هفت ضلعی تشکیل شده است. اگر خواص گرافن در همه جهات یکسان باشد، فاگرافن دارای ناهمسانگردی مشخصی از خواص خواهد بود. هر دوی این مواد به صورت تئوری پیش بینی شده بودند، اما هنوز در واقعیت وجود ندارند.

قطعه ای از یک بلور سیلیکونی (در پیش زمینه) روی آرایه عمودی از نانولوله های کربنی

نانولوله های کربنی

تصور کنید که یک تکه کوچک از ورقه گرافن را در یک لوله قرار داده اید و انتهای آن را به هم چسبانده اید. نتیجه یک ساختار توخالی بود که از همان شش ضلعی اتم های کربن مانند گرافن و گرافیت - یک نانولوله کربنی - تشکیل شده بود. این ماده از بسیاری جهات با گرافن مرتبط است - استحکام مکانیکی بالایی دارد (زمانی که پیشنهاد ساخت آسانسور به فضا از نانولوله‌های کربنی داده شد)، تحرک الکترون بالایی دارد.

با این حال، یک ویژگی غیر معمول وجود دارد. ورق گرافن را می توان به موازات یک لبه خیالی (سمت یکی از شش ضلعی ها) یا با زاویه پیچ خورد. به نظر می رسد که نحوه چرخاندن نانولوله کربنی بر خواص الکترونیکی آن تأثیر زیادی می گذارد، یعنی: بیشتر شبیه یک نیمه هادی با شکاف نواری یا فلز است.

نانولوله کربنی چند لایه

ویکی‌مدیا کامانز

زمانی که نانولوله های کربنی برای اولین بار مشاهده شدند به طور قطع مشخص نیست. در دهه‌های 1950-1980، گروه‌های مختلفی از محققان درگیر در کاتالیز واکنش‌های مربوط به هیدروکربن‌ها (به عنوان مثال، پیرولیز متان) به ساختارهای کشیده در دوده‌ای که کاتالیزور را پوشانده بودند، توجه کردند. اکنون، برای سنتز نانولوله‌های کربنی تنها از نوع خاصی (از یک کایرالیته خاص)، شیمیدان‌ها استفاده از دانه‌های مخصوص را پیشنهاد می‌کنند. اینها مولکولهای کوچکی به شکل حلقه هستند که به نوبه خود از حلقه های بنزن شش ضلعی تشکیل شده اند. به عنوان مثال می توانید در مورد کار روی سنتز آنها بخوانید.

مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی می‌توانند کاربردهای زیادی در میکروالکترونیک پیدا کنند. اولین ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله قبلا ساخته شده اند که از نظر خواص، دستگاه های سنتی سیلیکونی هستند. علاوه بر این، نانولوله ها اساس ترانزیستور را تشکیل دادند.

کارابین

صحبت از ساختارهای کشیده اتم های کربن، نمی توان از کاربین ها نام برد. اینها زنجیرهای خطی هستند که به گفته نظریه پردازان ممکن است قوی ترین ماده ممکن باشد (ما در مورد استحکام خاص صحبت می کنیم). به عنوان مثال، مدول یانگ برای کارابین 10 گیگان نیوتن بر کیلوگرم تخمین زده شده است. برای فولاد، این رقم 400 برابر کمتر است، برای گرافن - حداقل دو برابر کمتر است.

نخ نازک کشیده شده به ذره آهن زیر - کارابین

ویکی‌مدیا کامانز

بسته به نحوه چیدمان پیوندهای بین اتم های کربن، کاربین ها دو نوع هستند. اگر همه پیوندهای زنجیره یکسان باشند، در این صورت ما در مورد کومولن صحبت می کنیم، اما اگر پیوندها متناوب باشند (تک-سه گانه-تک سه گانه و غیره)، در این صورت در مورد پلی ین ها صحبت می کنیم. فیزیکدانان نشان داده‌اند که نخ کارابین را می‌توان با تغییر شکل بین این دو نوع جابه‌جا کرد - وقتی کشیده می‌شود، کومولن به پلی‌این تبدیل می‌شود. جالب توجه است که این به طور اساسی خواص الکتریکی کاربین را تغییر می دهد. اگر پلی ین رسانای الکتریسیته باشد، کومولن یک دی الکتریک است.

مشکل اصلی در مطالعه کاربین ها این است که سنتز آنها بسیار دشوار است. اینها مواد شیمیایی فعال هستند، علاوه بر این، آنها به راحتی اکسید می شوند. امروزه زنجیره ها تنها شش هزار اتم طول دارند. برای رسیدن به این هدف، شیمیدانان مجبور شدند کاربین را در داخل یک نانولوله کربنی رشد دهند. علاوه بر این، سنتز کاربین به شکستن رکورد اندازه دروازه در یک ترانزیستور کمک می کند - می توان آن را به یک اتم کاهش داد.

فولرن ها

اگرچه شش ضلعی یکی از پایدارترین پیکربندی‌هایی است که اتم‌های کربن می‌توانند تشکیل دهند، اما یک کلاس کامل از اجسام فشرده وجود دارد که در آن پنج ضلعی کربن منظم وجود دارد. به این اجسام فولرن می گویند.

در سال 1985، هارولد کروتو، رابرت کرل و ریچارد اسمالی بخار کربن و قطعاتی را که اتم‌های کربن هنگام سرد شدن به هم می‌چسبند، بررسی کردند. معلوم شد که دو دسته از اجسام در فاز گاز وجود دارد. اولین مورد، خوشه هایی متشکل از 2-25 اتم است: زنجیره ها، حلقه ها و دیگر ساختارهای ساده. دسته دوم خوشه هایی متشکل از 40 تا 150 اتم هستند که قبلاً مشاهده نشده بودند. در طول پنج سال بعد، شیمیدانان توانستند ثابت کنند که این طبقه دوم یک چارچوب توخالی از اتم‌های کربن است که پایدارترین آن از 60 اتم تشکیل شده بود و شکلی شبیه به یک توپ فوتبال داشت. C 60 یا buckminsterfullerene از بیست بخش شش ضلعی و 12 بخش پنج ضلعی تشکیل شده بود که به شکل یک کره به هم چسبیده بودند.

کشف فولرن ها علاقه زیادی را در بین شیمیدانان برانگیخت. متعاقباً ، یک کلاس غیر معمول از اندوفولرن ها - فولرن ها ساخته شد که در حفره آن مقداری اتم خارجی یا یک مولکول کوچک وجود داشت. به عنوان مثال، همین یک سال پیش، یک مولکول اسید هیدروفلوئوریک برای اولین بار وارد فولرن شد که امکان تعیین دقیق خواص الکترونیکی آن را فراهم کرد.

فولریت ها - بلورهای فولرن

ویکی‌مدیا کامانز

در سال 1991، معلوم شد که فولریدها - بلورهای فولرن، که در آنها بخشی از حفره های بین چند وجهی مجاور توسط فلزات اشغال شده است - ابررسانای مولکولی با دمای انتقال بالا برای این کلاس، یعنی 18 کلوین (برای K 3 C 60) هستند. بعدها، فولریدها با دمای انتقال حتی بالاتر - 33 کلوین، Cs 2 RbC 60 - یافت شدند. معلوم شد که چنین خواصی مستقیماً با ساختار الکترونیکی ماده مرتبط است.

کیو کربن

در میان اشکال کربن اخیراً کشف شده، می توان به اصطلاح Q-carbon اشاره کرد. او اولین دانشمند مواد آمریکایی از دانشگاه کارولینای شمالی در سال 2015 بود. دانشمندان کربن آمورف را با یک لیزر قدرتمند تابش کردند و به صورت موضعی مواد را تا 4000 درجه سانتیگراد گرم کردند. در نتیجه، حدود یک چهارم تمام اتم‌های کربن موجود در این ماده هیبریداسیون sp 2 را انجام دادند، یعنی همان حالت الکترونیکی که در گرافیت وجود دارد. اتم های کربن Q باقیمانده ویژگی هیبریداسیون الماس را حفظ کردند.

کیو کربن

برخلاف الماس، گرافیت و سایر اشکال کربن، Q-carbon یک فرومغناطیس مانند مگنتیت یا آهن است. در همان زمان، دمای کوری آن حدود 220 درجه سانتیگراد بود - فقط با چنین گرمایی ماده خاصیت مغناطیسی خود را از دست داد. و هنگامی که کربن کیو با بور دوپ شد، فیزیکدانان ابررسانای کربن دیگری با دمای انتقال حدود 58 کلوین به دست آوردند.

***

فهرست شده همه اشکال شناخته شده کربن نیست. علاوه بر این، در حال حاضر نظریه پردازان و آزمایشگران در حال ایجاد و مطالعه مواد کربنی جدید هستند. به ویژه، چنین کاری در دانشگاه فدرال اورال انجام می شود. ما به آناتولی فدوروویچ زاتسپین، دانشیار و محقق ارشد موسسه فیزیک و فناوری دانشگاه فدرال اورال مراجعه کردیم تا چگونگی پیش‌بینی خواص مواد هنوز سنتز نشده و ایجاد اشکال جدید کربن را بیابیم.

آناتولی زاتسپین در حال کار بر روی یکی از شش پروژه پیشرفت علمی دانشگاه فدرال اورال "توسعه اصول اساسی مواد کاربردی جدید بر اساس اصلاحات کم‌بعد کربن" است. این کار با شرکای دانشگاهی و صنعتی در روسیه و جهان انجام می شود.

این پروژه توسط موسسه فیزیک و فناوری UrFU، یک واحد دانشگاهی استراتژیک (SAU) دانشگاه اجرا می شود. موقعیت دانشگاه در رتبه بندی روسی و بین المللی، در درجه اول در زمینه های موضوعی، به موفقیت محققان بستگی دارد.

N+1: خواص نانومواد کربنی به شدت وابسته به ساختار هستند و بسیار متفاوت هستند. آیا می توان به نحوی خواص یک ماده را از روی ساختار آن پیش بینی کرد؟

آناتولی زاتسپین:امکان پیش بینی وجود دارد و ما در حال انجام آن هستیم. روش های شبیه سازی کامپیوتری وجود دارد که محاسبات اصول اول را انجام می دهد ( از ابتدا) - ما یک ساختار مشخص می گذاریم، مدل می کنیم و تمام ویژگی های اساسی اتم هایی که این ساختار را تشکیل می دهند را می گیریم. در نتیجه آن خواصی به دست می آید که ماده یا ماده جدیدی که مدل سازی می کنیم می تواند داشته باشد. به ویژه، با توجه به کربن، ما توانستیم تغییرات جدیدی را که برای طبیعت ناشناخته نیست، مدل کنیم. آنها را می توان به صورت مصنوعی ایجاد کرد.

به طور خاص، آزمایشگاه ما در دانشگاه فدرال اورال در حال حاضر در حال توسعه، سنتز و تحقیق در مورد خواص نوع جدیدی از کربن است. می توان آن را به صورت زیر نامید: کربن زنجیره خطی دو بعدی. چنین نام طولانی به این دلیل است که این ماده یک ساختار به اصطلاح دو بعدی است. اینها فیلم‌هایی هستند که از زنجیره‌های کربنی مجزا تشکیل شده‌اند و در داخل هر زنجیره اتم‌های کربن به همان "شکل شیمیایی" هستند - هیبریداسیون sp 1. این ویژگی‌های کاملاً غیرعادی به مواد می‌دهد؛ در زنجیره‌های کربنی sp 1، استحکام از قدرت الماس و سایر تغییرات کربن بیشتر است.

وقتی از این زنجیره‌ها فیلم تشکیل می‌دهیم، ماده جدیدی به دست می‌آید که ویژگی‌های ذاتی زنجیره‌های کربنی را دارد، به علاوه ترکیب این زنجیره‌های مرتب شده یک ساختار دوبعدی یا ابرشبکه را روی یک بستر خاص تشکیل می‌دهد. چنین ماده ای نه تنها به دلیل خواص مکانیکی آن چشم انداز زیادی دارد. مهمتر از همه، زنجیره های کربنی در یک پیکربندی خاص می توانند به یک حلقه بسته شوند و خواص بسیار جالبی مانند ابررسانایی ظاهر می شود و خواص مغناطیسی چنین موادی می تواند بهتر از فرومغناطیس های موجود باشد.

چالش ایجاد واقعی آنها باقی می ماند. شبیه سازی ما راه را نشان می دهد.

خواص واقعی و پیش بینی شده مواد چقدر متفاوت است؟

خطا همیشه وجود دارد، اما واقعیت این است که محاسبات و مدل‌سازی اصول اولیه از ویژگی‌های بنیادی اتم‌های منفرد - خواص کوانتومی - استفاده می‌کنند. و وقتی ساختارهایی از این اتم‌های کوانتومی در چنین سطح میکرو و نانو شکل می‌گیرند، خطاها با محدودیت‌های موجود نظریه و مدل‌های موجود مرتبط می‌شوند. به عنوان مثال، مشخص است که معادله شرودینگر را می توان دقیقاً برای اتم هیدروژن حل کرد، در حالی که برای اتم های سنگین تر، اگر در مورد جامدات یا سیستم های پیچیده تر صحبت می کنیم، باید از تقریب های خاصی استفاده کرد.

از سوی دیگر، خطاهایی ممکن است به دلیل محاسبات کامپیوتری رخ دهد. با همه اینها، خطاهای فاحش حذف می شوند، و دقت برای پیش بینی یک یا آن خاصیت یا اثری که در یک ماده خاص ذاتی خواهد بود، کاملاً کافی است.

چند ماده را می توان به این روش ها پیش بینی کرد؟

وقتی صحبت از مواد کربنی به میان می آید، تغییرات زیادی وجود دارد، و من مطمئن هستم که هنوز چیزهای زیادی کشف و کشف نشده است. UrFU همه چیز را برای تحقیق در مورد مواد کربنی جدید دارد و کار زیادی در پیش است.

ما همچنین با اشیاء دیگر، به عنوان مثال، مواد سیلیکونی برای میکروالکترونیک سروکار داریم. سیلیکون و کربن، به هر حال، آنالوگ هستند، آنها در یک گروه در جدول تناوبی قرار دارند.

ولادیمیر کورولف

کربن (C)یک غیر فلز معمولی است. در سیستم تناوبی در دوره دوم از گروه IV، زیر گروه اصلی است. شماره ترتیبی 6، Ar = 12.011 amu، بار هسته ای +6.

مشخصات فیزیکی:کربن بسیاری از تغییرات آلوتروپیک را تشکیل می دهد: الماسیکی از سخت ترین مواد گرافیت، زغال سنگ، دوده.

یک اتم کربن دارای 6 الکترون است: 1s 2 2s 2 2p 2 . دو الکترون آخر در اوربیتال های p جداگانه قرار دارند و جفت نشده اند. در اصل، این جفت می تواند یک اوربیتال را اشغال کند، اما در این حالت دافعه بین الکترون به شدت افزایش می یابد. به همین دلیل یکی از آنها 2p x و دیگری 2p y می گیرد , یا اوربیتال های 2p z.

تفاوت بین انرژی های زیرسطح های s و p لایه بیرونی کم است، بنابراین، اتم به راحتی به حالت برانگیخته می رود، که در آن یکی از دو الکترون از مدار 2s به حالت آزاد می رسد. 2rیک حالت ظرفیت با پیکربندی 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 ایجاد می شود . این حالت اتم کربن است که مشخصه شبکه الماس است - آرایش فضایی چهار وجهی اوربیتال های هیبریدی، طول و انرژی مشابه پیوندها.

این پدیده به نام شناخته شده است sp 3 -هیبریداسیون،و توابع حاصل sp 3 -hybrid هستند . تشکیل چهار پیوند sp 3 وضعیت پایدارتری نسبت به سه اتم کربن را فراهم می کند rr-و یک s-s-باند. علاوه بر هیبریداسیون sp 3، هیبریداسیون sp 2 و sp نیز در اتم کربن مشاهده می شود. . در حالت اول، همپوشانی متقابل وجود دارد s-و دو اوربیتال p. سه اوربیتال معادل sp 2 - هیبریدی تشکیل می شود که در یک صفحه با زاویه 120 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند. مدار سوم p بدون تغییر است و عمود بر صفحه است sp2.

در هیبریداسیون sp، اوربیتال های s و p همپوشانی دارند. زاویه 180 درجه بین دو اوربیتال هیبریدی معادل تشکیل شده ایجاد می شود، در حالی که دو اوربیتال p هر یک از اتم ها بدون تغییر باقی می مانند.

آلوتروپی کربن الماس و گرافیت

در یک کریستال گرافیت، اتم های کربن در صفحات موازی قرار دارند و رئوس شش ضلعی های منظم را در آنها اشغال می کنند. هر یک از اتم های کربن به سه پیوند هیبریدی sp 2 مجاور متصل است. بین صفحات موازی، اتصال به دلیل نیروهای واندروالس انجام می شود. اوربیتال های آزاد p هر یک از اتم ها عمود بر صفحات پیوندهای کووالانسی هدایت می شوند. همپوشانی آنها پیوند π اضافی بین اتم های کربن را توضیح می دهد. بنابراین از حالت ظرفیتی که در آن اتم های کربن در یک ماده قرار دارند، خواص این ماده بستگی دارد.

خواص شیمیایی کربن

مشخصه ترین حالت های اکسیداسیون: +4، +2.

در دماهای پایین، کربن بی اثر است، اما هنگامی که گرم می شود، فعالیت آن افزایش می یابد.

کربن به عنوان یک عامل کاهنده:

- با اکسیژن
C 0 + O 2 - t ° \u003d دی اکسید کربن CO 2
با کمبود اکسیژن - احتراق ناقص:
2C 0 + O 2 - t° = 2C +2 O مونوکسید کربن

- با فلوئور
C + 2F 2 = CF 4

- با بخار
C 0 + H 2 O - 1200 ° \u003d C + 2 O + H 2 گاز آب

- با اکسیدهای فلزی به این ترتیب فلز از سنگ معدن ذوب می شود.
C 0 + 2CuO - t ° \u003d 2Cu + C +4 O 2

- با اسیدها - عوامل اکسید کننده:
C 0 + 2H 2 SO 4 (conc.) \u003d C + 4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (مجموع) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- دی سولفید کربن را با گوگرد تشکیل می دهد:
C + 2S 2 \u003d CS 2.

کربن به عنوان یک عامل اکسید کننده:

- با برخی از فلزات کاربید تشکیل می دهد

4Al + 3C 0 \u003d Al 4 C 3

Ca + 2C 0 \u003d CaC 2 -4

- با هیدروژن - متان (و همچنین مقدار زیادی از ترکیبات آلی)

C 0 + 2H 2 \u003d CH 4

- با سیلیکون، کربوراندوم را تشکیل می دهد (در دمای 2000 درجه سانتیگراد در یک کوره الکتریکی):

یافتن کربن در طبیعت

کربن آزاد به صورت الماس و گرافیت وجود دارد. کربن به شکل ترکیبات در مواد معدنی یافت می شود: گچ، مرمر، سنگ آهک - CaCO 3، دولومیت - MgCO 3 * CaCO 3. بی کربنات ها - منیزیم (HCO 3) 2 و Ca (HCO 3) 2، CO 2 بخشی از هوا است. کربن جزء اصلی ترکیبات آلی طبیعی است - گاز، نفت، زغال سنگ، ذغال سنگ نارس، بخشی از مواد آلی، پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات ها، اسیدهای آمینه است که بخشی از موجودات زنده هستند.

ترکیبات کربن غیر آلی

نه یون های C 4 + و نه C 4- در هیچ فرآیند شیمیایی معمولی تشکیل نمی شوند: پیوندهای کووالانسی با قطبیت های مختلف در ترکیبات کربن وجود دارد.

مونوکسید کربن (II)بنابراین

مونوکسید کربن؛ بی رنگ، بی بو، کم محلول در آب، محلول در حلال های آلی، سمی، bp ​​= -192°C. تی مربع = -205 درجه سانتیگراد.

اعلام وصول
1) در صنعت (در مولدهای گاز):
C + O 2 = CO 2

2) در آزمایشگاه - تجزیه حرارتی اسید فرمیک یا اگزالیک در حضور H 2 SO 4 (conc.):
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 \u003d CO + CO 2 + H 2 O

خواص شیمیایی

در شرایط عادی، CO بی اثر است. هنگام گرم شدن - عامل کاهنده؛ اکسید غیر نمک ساز

1) با اکسیژن

2C +2 O + O 2 \u003d 2C +4 O 2

2) با اکسیدهای فلزی

C +2 O + CuO \u003d Cu + C +4 O 2

3) با کلر (در نور)

CO + Cl 2 - hn \u003d COCl 2 (فسژن)

4) با مذاب های قلیایی (تحت فشار) واکنش نشان می دهد.

CO + NaOH = HCOONa (فرمات سدیم)

5) با فلزات واسطه کربونیل تشکیل می دهد

Ni + 4CO - t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO - t° = Fe(CO) 5

مونوکسید کربن (IV) CO2

دی اکسید کربن، بی رنگ، بی بو، حلالیت در آب - 0.9 ولت CO 2 در 1 ولت H 2 O (در شرایط عادی) حل می شود. سنگین تر از هوا؛ t°pl.= -78.5°C (CO 2 جامد "یخ خشک" نامیده می شود). از احتراق پشتیبانی نمی کند.

اعلام وصول

1. تجزیه حرارتی نمک های اسید کربنیک (کربنات ها). پخت سنگ آهک:

CaCO 3 - t ° \u003d CaO + CO 2

1. اثر اسیدهای قوی بر کربنات ها و بی کربنات ها:

CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl \u003d NaCl + H 2 O + CO 2

شیمیاییخواصCO2
اکسید اسید: با اکسیدهای بازی و باز واکنش می دهد و نمک های اسید کربنیک را تشکیل می دهد

Na 2 O + CO 2 \u003d Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 \u003d NaHCO 3

ممکن است در دماهای بالا خاصیت اکسید کننده از خود نشان دهد

C + 4 O 2 + 2 Mg - t ° \u003d 2 Mg + 2 O + C 0

واکنش کیفی

کدورت آب آهک:

Ca (OH) 2 + CO 2 \u003d CaCO 3 ¯ (رسوب سفید) + H 2 O

هنگامی که CO 2 برای مدت طولانی از آب آهک عبور می کند ناپدید می شود، زیرا. کربنات کلسیم نامحلول به بی کربنات محلول تبدیل می شود:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d Ca (HCO 3) 2

اسید کربنیک و آننمک

H2CO3 -اسید ضعیف، فقط در محلول آبی وجود دارد:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

پایه دوگانه:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - نمک های اسیدی - بی کربنات ها، بی کربنات ها
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- نمکهای متوسط ​​- کربناتها

تمام خواص اسیدها مشخص است.

کربنات ها و بی کربنات ها را می توان به یکدیگر تبدیل کرد:

2NaHCO 3 - t ° \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 \u003d 2NaHCO 3

کربنات های فلزی (به استثنای فلزات قلیایی) هنگامی که حرارت داده می شوند، دکربوکسیله می شوند و اکسید می شوند:

CuCO 3 - t ° \u003d CuO + CO 2

واکنش کیفی- "جوش" تحت اثر یک اسید قوی:

Na 2 CO 3 + 2HCl \u003d 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

کاربیدها

کاربید کلسیم:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2.

هنگامی که کاربیدهای روی، کادمیوم، لانتانیم و سریم با آب واکنش می دهند، استیلن آزاد می شود:

2 LaC 2 + 6 H 2 O \u003d 2La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C و Al 4 C 3 توسط آب تجزیه می شوند و متان را تشکیل می دهند:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O \u003d 4 Al (OH) 3 \u003d 3 CH 4.

کاربیدهای تیتانیوم TiC، تنگستن W 2 C (آلیاژهای سخت)، سیلیکون SiC (کاربوراندوم - به عنوان ساینده و مواد برای بخاری) در فناوری استفاده می شود.

سیانیدها

از گرم کردن سودا در جوی حاوی آمونیاک و مونوکسید کربن به دست می آید:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO \u003d 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

هیدروسیانیک اسید HCN یک محصول مهم صنعت شیمیایی است که به طور گسترده در سنتز آلی استفاده می شود. تولید جهانی آن به 200 هزار تن در سال می رسد. ساختار الکترونیکی آنیون سیانید شبیه مونوکسید کربن (II) است، چنین ذرات ایزوالکترونیک نامیده می شوند:

سی = O:[:C = ن:]-

سیانیدها (محلول آبی 0.1-0.2٪) در معدن طلا استفاده می شود:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0.5 O 2 \u003d 2 K + 2 KOH.

هنگامی که محلول های سیانید با گوگرد می جوشند یا زمانی که جامدات ذوب می شوند، تیوسیانات ها:
KCN + S = KSCN.

هنگامی که سیانیدهای فلزات کم فعال گرم می شوند، سیانید به دست می آید: جیوه (CN) 2 \u003d جیوه + (CN) 2. محلول های سیانید اکسید می شوند سیانات ها:

2KCN + O2 = 2KOCN.

اسید سیانیک به دو شکل وجود دارد:

H-N=C=O; H-O-C = ن:

در سال 1828، فردریش ویلر (1800-1882) اوره را از سیانات آمونیوم به دست آورد: NH 4 OCN \u003d CO (NH 2) 2 با تبخیر یک محلول آبی.

این رویداد معمولاً به عنوان پیروزی شیمی مصنوعی بر "نظریه حیات گرایی" تلقی می شود.

یک ایزومر اسید سیانیک وجود دارد - فولمینیک اسید

H-O-N=C.
نمک های آن (فولمینات جیوه Hg(ONC) 2) در جرقه زن ضربه ای استفاده می شود.

سنتز اوره(کاربامید):

CO 2 + 2 NH 3 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O. در 130 0 C و 100 atm.

اوره آمید اسید کربنیک است، همچنین "آنالوگ نیتروژن" آن - گوانیدین وجود دارد.

کربنات ها

مهمترین ترکیبات معدنی کربن نمکهای اسید کربنیک (کربناتها) هستند. H 2 CO 3 یک اسید ضعیف است (K 1 \u003d 1.3 10 -4؛ K 2 \u003d 5 10 -11). پشتیبانی بافر کربنات تعادل دی اکسید کربندر جو اقیانوس جهانی ظرفیت بافر عظیمی دارد زیرا یک سیستم باز است. واکنش بافر اصلی تعادل در حین تفکیک اسید کربنیک است:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 -.

با کاهش اسیدیته، جذب اضافی دی اکسید کربن از جو با تشکیل اسید اتفاق می افتد:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

با افزایش اسیدیته، سنگ های کربناته (پوسته، گچ و رسوبات سنگ آهک در اقیانوس) حل می شوند. این اتلاف یون های هیدروکربنات را جبران می کند:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 -

CaCO 3 (تلویزیون) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

کربنات های جامد به هیدروکربن های محلول تبدیل می شوند. این فرآیند انحلال شیمیایی دی اکسید کربن اضافی است که با "اثر گلخانه ای" - گرم شدن کره زمین به دلیل جذب تشعشعات حرارتی زمین توسط دی اکسید کربن مقابله می کند. تقریباً یک سوم تولید نوشابه (سدیم کربنات Na 2 CO 3) در جهان در ساخت شیشه استفاده می شود.

شیمی آلی، شیمی اتم کربن است. تعداد ترکیبات آلی دهها برابر بیشتر از غیر آلی است که فقط قابل توضیح است. ویژگی های اتم کربن :

الف) او در است وسط مقیاس الکترونگاتیوی و دوره دوم، بنابراین برای او سودی ندارد که الکترون های خود را بدهد و دیگران را بپذیرد و بار مثبت یا منفی به دست آورد.

ب) ساختار ویژه پوسته الکترونی - هیچ جفت الکترونی و اوربیتال آزاد وجود ندارد (فقط یک اتم دیگر با ساختار مشابه وجود دارد - هیدروژن، احتمالاً به همین دلیل است که کربن و هیدروژن ترکیبات زیادی را تشکیل می دهند - هیدروکربن).

ساختار الکترونیکی اتم کربن

C - 1s 2 2s 2 2p 2 یا 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

از نظر گرافیکی:

یک اتم کربن برانگیخته دارای فرمول الکترونیکی زیر است:

*C - 1s 2 2s 1 2p 3 or 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

به شکل سلول:

شکل اوربیتال های s و p

اوربیتال اتمی - ناحیه ای از فضا که احتمال یافتن الکترون با اعداد کوانتومی مربوطه بیشتر است.

این یک "نقشه کانتور" الکترونیکی سه بعدی است که در آن تابع موج احتمال نسبی یافتن یک الکترون در یک نقطه معین از مدار را تعیین می کند.

اندازه نسبی اوربیتال های اتمی با افزایش انرژی آنها افزایش می یابد. عدد کوانتومی اصلی- n) و شکل و جهت آنها در فضا با اعداد کوانتومی l و m تعیین می شود. الکترون ها در اوربیتال ها با یک عدد کوانتومی اسپین مشخص می شوند. هر اوربیتال نمی تواند بیش از 2 الکترون با اسپین مخالف داشته باشد.

هنگامی که پیوندهایی با اتم های دیگر ایجاد می شود، اتم کربن پوسته الکترونی خود را به گونه ای تبدیل می کند که قوی ترین پیوندها تشکیل می شود و در نتیجه تا آنجا که ممکن است انرژی آزاد می شود و سیستم بیشترین ثبات را به دست می آورد.

برای تغییر لایه الکترونی یک اتم، انرژی مورد نیاز است که سپس با تشکیل پیوندهای قوی تر جبران می شود.

تبدیل پوسته الکترونی (هیبریداسیون) بسته به تعداد اتم هایی که اتم کربن با آنها پیوند تشکیل می دهد، عمدتاً می تواند 3 نوع باشد.

انواع هیبریداسیون:

sp 3 - یک اتم با 4 اتم همسایه پیوند تشکیل می دهد (هیبریداسیون چهار وجهی):

فرمول الکترونیکی sp 3 - اتم کربن هیبریدی:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 به شکل سلول

زاویه پیوند بین اوربیتال های هیبریدی ~109 درجه است.

فرمول استریوشیمیایی اتم کربن:

sp 2 - هیبریداسیون (وضعیت ظرفیت)- یک اتم با 3 اتم همسایه پیوند تشکیل می دهد (هیبریداسیون مثلثی):

فرمول الکترونیکی sp 2 - اتم کربن هیبریدی:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 به صورت سلولی

زاویه پیوند بین اوربیتال های هیبریدی ~120 درجه است.

فرمول استریوشیمیایی sp 2 - اتم کربن هیبریدی:

sp- هیبریداسیون (وضعیت ظرفیت) - اتم با 2 اتم همسایه پیوند تشکیل می دهد (هیبریداسیون خطی):

فرمول الکترونیکی sp یک اتم کربن هیبریدی است:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 به صورت سلولی

زاویه پیوند بین اوربیتال های هیبریدی ~180 درجه است.

فرمول استریوشیمیایی:

اوربیتال s در همه انواع هیبریداسیون دخیل است، زیرا حداقل انرژی را دارد.

بازآرایی ابر الکترونی امکان تشکیل قوی ترین پیوندها و حداقل برهمکنش اتم ها در مولکول حاصل را فراهم می کند. که در آن اوربیتال های ترکیبی ممکن است یکسان نباشند، اما زوایای پیوند ممکن است متفاوت باشند، به عنوان مثال CH 2 Cl 2 و CCl 4

2. پیوندهای کووالانسی در ترکیبات کربنی

پیوندهای کووالانسی، خواص، روش ها و علل آموزش - برنامه درسی مدرسه.

فقط به شما یادآوری کنم:

1. آموزش ارتباطات بین اتم ها را می توان نتیجه همپوشانی اوربیتال های اتمی آنها در نظر گرفت و هر چه موثرتر باشد (هر چه انتگرال همپوشانی بزرگتر باشد)، پیوند قوی تر است.

با توجه به داده های محاسبه شده، راندمان همپوشانی مداری اتمی S rel به صورت زیر افزایش می یابد:

بنابراین استفاده از اوربیتال های هیبریدی مانند اوربیتال های کربن sp 3 در تشکیل پیوند با چهار اتم هیدروژن منجر به پیوندهای قوی تر می شود.

2. پیوندهای کووالانسی در ترکیبات کربنی به دو صورت تشکیل می شوند:

ولی)اگر دو اوربیتال اتمی در امتداد محورهای اصلی خود همپوشانی داشته باشند، پیوند حاصل نامیده می شود - پیوند σ.

هندسه.بنابراین، هنگامی که پیوندهایی با اتم های هیدروژن در متان تشکیل می شود، چهار اوربیتال هیبریدی sp 3 از یک اتم کربن با اوربیتال های s از چهار اتم هیدروژن همپوشانی دارند و چهار پیوند σ قوی یکسان را تشکیل می دهند که در زاویه 109 درجه و 28 اینچ به هر یک قرار دارند. دیگر (زاویه چهار وجهی استاندارد) یک ساختار چهار وجهی کاملا متقارن نیز به وجود می آید، به عنوان مثال، در طول تشکیل CCl 4، اما اگر اتم هایی که با کربن پیوند ایجاد می کنند یکسان نباشند، برای مثال در مورد CH 2 C1 2، ساختار فضایی تا حدودی با ساختار کاملاً متقارن متفاوت است، اگرچه اساساً چهار وجهی باقی می ماند.

σ-طول پیوندبین اتم های کربن به هیبریداسیون اتم ها بستگی دارد و در انتقال از sp 3 - هیبریداسیون به sp کاهش می یابد. این به این دلیل است که اوربیتال s نسبت به اوربیتال p به هسته نزدیکتر است، بنابراین، هر چه سهم آن در اوربیتال هیبریدی بیشتر باشد، کوتاهتر است و بنابراین پیوند حاصل کوتاهتر است.

ب) اگر دو اتمی پ اوربیتال هایی که به موازات یکدیگر قرار دارند، همپوشانی جانبی را در بالا و پایین صفحه ای که اتم ها در آن قرار دارند، انجام می دهند، سپس پیوند حاصل نامیده می شود. - π (pi) - ارتباط

همپوشانی جانبیاوربیتال های اتمی کارایی کمتری نسبت به همپوشانی در امتداد محور اصلی دارند، بنابراین π - اوراق قرضه از استحکام کمتری برخوردارند σ -اتصالات این امر به ویژه در این واقعیت آشکار می شود که انرژی یک پیوند دوگانه کربن-کربن کمتر از دو برابر از انرژی یک پیوند منفرد بیشتر است. بنابراین، انرژی پیوند C-C در اتان 347 کیلوژول بر مول است، در حالی که انرژی پیوند C=C در اتن تنها 598 کیلوژول بر مول است و نه 700 کیلوژول بر مول.

درجه همپوشانی جانبی دو اوربیتال 2p اتمی ، و از این رو قدرت π اگر دو اتم کربن و چهار اتم با آنها مرتبط باشند، پیوند حداکثر است اتم ها دقیقاً در یک صفحه قرار دارند، یعنی اگر آنها هم صفحه ، زیرا فقط در این مورد اوربیتال های 2p اتمی دقیقاً موازی یکدیگر هستند و بنابراین قادر به حداکثر همپوشانی هستند. هر گونه انحراف از همسطح به دلیل چرخش به اطراف σ - پیوند دو اتم کربن منجر به کاهش درجه همپوشانی و در نتیجه کاهش قدرت می شود. π -bond که در نتیجه به حفظ صافی مولکول کمک می کند.

چرخشدر اطراف پیوند دوگانه کربن و کربن غیرممکن است.

توزیع π -الکترون های بالا و پایین صفحه مولکول به معنای وجود است مناطق دارای بار منفی، آماده تعامل با هر معرف کمبود الکترون است.

اتم های اکسیژن، نیتروژن و غیره نیز حالت های ظرفیت متفاوتی دارند (هیبریداسیون)، در حالی که جفت الکترون آنها می تواند هم در هیبرید و هم در اوربیتال p باشد.

کربن (از لاتین: carbo "coal") یک عنصر شیمیایی با نماد C و عدد اتمی 6 است. چهار الکترون برای تشکیل پیوندهای شیمیایی کووالانسی در دسترس هستند. این ماده غیرفلزی و چهار ظرفیتی است. سه ایزوتوپ کربن به طور طبیعی وجود دارد، 12C و 13C پایدار هستند، و 14C یک ایزوتوپ رادیواکتیو در حال فروپاشی با نیمه عمر حدود 5730 سال است. کربن یکی از معدود عناصر شناخته شده از دوران باستان است. کربن پانزدهمین عنصر فراوان در پوسته زمین و چهارمین عنصر فراوان در جهان پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن است. فراوانی کربن، تنوع منحصر به فرد ترکیبات آلی آن، و توانایی غیرعادی آن برای تشکیل پلیمرها در دمایی که معمولاً روی زمین یافت می شود، به این عنصر اجازه می دهد تا به عنوان یک عنصر مشترک برای تمام اشکال حیات شناخته شده عمل کند. این عنصر دومین عنصر فراوان در بدن انسان از نظر جرم (حدود 18.5٪) پس از اکسیژن است. اتم‌های کربن می‌توانند به روش‌های مختلفی به هم متصل شوند، در حالی که آلوتروپ کربن نامیده می‌شوند. شناخته شده ترین آلوتروپ ها گرافیت، الماس و کربن آمورف هستند. خواص فیزیکی کربن بسته به شکل آلوتروپیک بسیار متفاوت است. به عنوان مثال، گرافیت مات و سیاه است، در حالی که الماس بسیار شفاف است. گرافیت به اندازه ای نرم است که رگه ای روی کاغذ ایجاد کند (از این رو نام آن از فعل یونانی «γράφειν» به معنای «نوشتن» است)، در حالی که الماس سخت ترین ماده شناخته شده در طبیعت است. گرافیت رسانای الکتریکی خوبی است، در حالی که الماس رسانایی الکتریکی پایینی دارد. در شرایط عادی، الماس، نانولوله های کربنی و گرافن بالاترین رسانایی حرارتی را در بین مواد شناخته شده دارند. همه آلوتروپ های کربن در شرایط عادی جامد هستند و گرافیت پایدارترین شکل از نظر ترمودینامیکی است. آنها از نظر شیمیایی پایدار هستند و برای واکنش حتی با اکسیژن به دمای بالا نیاز دارند. رایج ترین حالت اکسیداسیون کربن در ترکیبات معدنی 4+ و 2+ در کمپلکس های کربوکسیل مونوکسید کربن و فلز واسطه است. بزرگترین منابع کربن معدنی سنگ‌های آهک، دولومیت‌ها و دی اکسید کربن هستند، اما مقادیر قابل توجهی از ذخایر آلی زغال سنگ، ذغال سنگ نارس، نفت و کلترات متان به دست می‌آیند. کربن تعداد بسیار زیادی از ترکیبات را تشکیل می دهد، بیش از هر عنصر دیگری، با نزدیک به ده میلیون ترکیب تا به امروز توصیف شده است، و با این حال این تعداد تنها کسری از تعداد تئوری ممکن در شرایط استاندارد است. به همین دلیل، کربن اغلب به عنوان "پادشاه عناصر" شناخته می شود.

مشخصات

آلوتروپ های کربن شامل گرافیت، یکی از نرم ترین مواد شناخته شده، و الماس، سخت ترین ماده طبیعی است. کربن به آسانی به سایر اتم های کوچک، از جمله سایر اتم های کربن، پیوند می خورد و قادر است پیوندهای کووالانسی پایدار متعددی با اتم های چند ظرفیتی مناسب ایجاد کند. کربن تقریباً ده میلیون ترکیب مختلف را تشکیل می دهد که اکثریت قریب به اتفاق تمام ترکیبات شیمیایی است. کربن همچنین دارای بالاترین نقطه تصعید در بین هر عنصر است. در فشار اتمسفر، نقطه ذوب ندارد زیرا نقطه سه گانه آن 0.2 ± 10.8 مگاپاسکال و 4600 ± 300 K (~ 4330 درجه سانتیگراد یا 7820 درجه فارنهایت) است، بنابراین در حدود 3900 کلوین تصعید می شود. گرافیت بسیار واکنش پذیرتر از الماس در زیر است. شرایط استاندارد علیرغم اینکه از نظر ترمودینامیکی پایدارتر است، زیرا سیستم pi غیرمحلی آن در برابر حمله بسیار آسیب پذیرتر است. به عنوان مثال، گرافیت را می توان با اسید نیتریک غلیظ داغ تحت شرایط استاندارد به اسید ملیتیک C6(CO2H)6 اکسید کرد، که واحدهای شش ضلعی گرافیت را هنگامی که ساختار بزرگتر تخریب می شود، حفظ می کند. کربن در یک قوس کربنی تصعید می‌شود که حدود 5800 کلوین (5530 درجه سانتی‌گراد، 9980 درجه فارنهایت) است. بنابراین، صرف نظر از شکل آلوتروپیک آن، کربن در دماهای بالاتر نسبت به بالاترین نقطه ذوب مانند تنگستن یا رنیوم جامد باقی می ماند. اگرچه کربن از نظر ترمودینامیکی مستعد اکسیداسیون است، اما نسبت به عناصری مانند آهن و مس که عوامل کاهنده ضعیف تری در دمای اتاق هستند، در برابر اکسیداسیون مقاوم تر است. کربن ششمین عنصر با پیکربندی الکترونی حالت پایه 1s22s22p2 است که چهار الکترون بیرونی آن الکترون های ظرفیتی هستند. چهار انرژی یونیزاسیون اول آن 1086.5، 2352.6، 4620.5 و 6222.7 کیلوژول بر مول است که بسیار بالاتر از عناصر گروه 14 سنگین تر است. الکترونگاتیوی کربن 2.5 است که به طور قابل توجهی بیشتر از عناصر سنگین تر گروه 114 (1.8-19) است. اما به اکثر غیر فلزات همسایه و همچنین به برخی از فلزات واسطه ردیف دوم و سوم نزدیک است. شعاع‌های کووالانسی کربن معمولاً 77.2 pm (C-C)، 66.7 pm (C=C) و 60.3 pm (C≡C) در نظر گرفته می‌شوند، اگرچه این شعاع‌ها می‌توانند بسته به عدد هماهنگی و آنچه که با کربن مرتبط است متفاوت باشند. به طور کلی، شعاع کووالانسی با کاهش تعداد هماهنگی و افزایش ترتیب پیوند کاهش می یابد. ترکیبات کربن اساس همه اشکال حیات شناخته شده روی زمین را تشکیل می دهند و چرخه کربن-نیتروژن بخشی از انرژی آزاد شده توسط خورشید و سایر ستارگان را فراهم می کند. اگرچه کربن تنوع فوق‌العاده‌ای از ترکیبات را تشکیل می‌دهد، اکثر اشکال کربن در شرایط عادی نسبتاً غیر فعال هستند. در دماها و فشارهای استاندارد، کربن در برابر همه اکسید کننده ها به جز قوی ترین اکسید کننده ها مقاومت می کند. با اسید سولفوریک، اسید هیدروکلریک، کلر یا مواد قلیایی واکنش نمی دهد. در دماهای بالا، کربن با اکسیژن واکنش می دهد و اکسیدهای کربن را تشکیل می دهد و اکسیژن را از اکسیدهای فلزی خارج می کند و فلز عنصری را ترک می کند. این واکنش گرمازا در صنعت فولاد برای ذوب آهن و کنترل محتوای کربن فولاد استفاده می شود:

Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

با گوگرد برای تشکیل دی سولفید کربن و با بخار در واکنش زغال سنگ-گاز:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

کربن با برخی فلزات در دماهای بالا ترکیب می شود و کاربیدهای فلزی را تشکیل می دهد، مانند سمنتیت کاربید آهن در فولاد و کاربید تنگستن، که به طور گسترده به عنوان ساینده و برای ساختن نوک های سخت برای ابزارهای برش استفاده می شود. سیستم آلوتروپ های کربن تعدادی از موارد افراطی را پوشش می دهد:

برخی از انواع گرافیت برای عایق حرارتی (مانند موانع آتش و سپر حرارتی) استفاده می شود، اما برخی از اشکال دیگر رسانای حرارتی خوبی هستند. الماس شناخته شده ترین رسانای حرارتی طبیعی است. گرافیت مات است. الماس بسیار شفاف است. گرافیت در سیستم شش ضلعی متبلور می شود. الماس در سیستم مکعبی متبلور می شود. کربن آمورف کاملاً همسانگرد است. نانولوله های کربنی یکی از شناخته شده ترین مواد ناهمسانگرد هستند.

آلوتروپ های کربن

کربن اتمی گونه ای بسیار کوتاه مدت است و بنابراین کربن در ساختارهای چند اتمی مختلف با پیکربندی های مولکولی مختلف به نام آلوتروپ تثبیت می شود. سه آلوتروپ نسبتاً شناخته شده کربن عبارتند از کربن آمورف، گرافیت و الماس. فولرن‌ها که قبلاً عجیب و غریب در نظر گرفته می‌شد، اکنون معمولاً سنتز می‌شوند و در تحقیقات مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها شامل توپ های باکی، نانولوله های کربنی، نانو نقطه های کربنی و نانوالیاف هستند. چندین آلوتروپ عجیب دیگر نیز کشف شده اند، مانند لونسالیت، کربن شیشه ای، نانوفوم کربنی و کربن استیلن خطی (کاربین). از سال 2009، گرافن قوی ترین ماده ای است که تاکنون آزمایش شده است. فرآیند جداسازی آن از گرافیت، قبل از اینکه برای فرآیندهای صنعتی اقتصادی شود، نیاز به توسعه فناوری بیشتری دارد. در صورت موفقیت، می توان از گرافن برای ساخت آسانسورهای فضایی استفاده کرد. همچنین می توان از آن برای ذخیره ایمن هیدروژن برای استفاده در وسایل نقلیه مبتنی بر هیدروژن در وسایل نقلیه استفاده کرد. فرم آمورف مجموعه‌ای از اتم‌های کربن در حالت غیر بلوری، نامنظم، شیشه‌ای است و در ساختار کلان کریستالی وجود ندارد. به صورت پودر وجود دارد و جزء اصلی موادی مانند زغال چوب، دوده لامپ (دوده) و کربن فعال است. در فشارهای معمولی، کربن به شکل گرافیت است که در آن هر اتم با سه اتم دیگر در صفحه ای متشکل از حلقه های شش ضلعی ذوب شده مانند هیدروکربن های آروماتیک به صورت مثلثی پیوند می خورند. شبکه حاصل دو بعدی است و صفحات مسطح حاصل از طریق نیروهای ضعیف واندروالسی تا شده و آزادانه به هم متصل می شوند. این به گرافیت نرمی و خاصیت شکافتن آن را می دهد (ورق ها به راحتی روی یکدیگر می لغزند). گرافیت به دلیل تغییر مکان یکی از الکترون های بیرونی هر اتم برای تشکیل یک ابر π، الکتریسیته را هدایت می کند، اما فقط در صفحه هر صفحه با پیوند کووالانسی. این منجر به هدایت الکتریکی کمتری برای کربن نسبت به اکثر فلزات می شود. جابجایی همچنین پایداری انرژی گرافیت بر الماس را در دمای اتاق توضیح می دهد. در فشارهای بسیار بالا، کربن آلوتروپ فشرده تری به نام الماس را تشکیل می دهد که چگالی آن تقریباً دو برابر گرافیت است. در اینجا، هر اتم به صورت چهار وجهی به چهار اتم دیگر متصل است و یک شبکه سه بعدی از حلقه های شش عضوی چروکیده از اتم ها را تشکیل می دهد. الماس ساختار مکعبی مشابهی با سیلیکون و ژرمانیوم دارد و به دلیل استحکام پیوندهای کربن و کربن آن، سخت ترین ماده طبیعی است که با مقاومت در برابر خراش اندازه گیری می شود. برخلاف تصور رایج که "الماس ها همیشه هستند"، در شرایط عادی از نظر ترمودینامیکی ناپایدار هستند و به گرافیت تبدیل می شوند. به دلیل سد فعال سازی انرژی بالا، انتقال به شکل گرافیت در دمای معمولی آنقدر کند است که قابل توجه نیست. در شرایط خاص، کربن به صورت یک lonsaleite متبلور می شود، یک شبکه کریستالی شش ضلعی با همه اتم ها به صورت پیوند کووالانسی و خواصی شبیه به الماس. فولرن ها یک ساختار کریستالی مصنوعی با ساختار گرافیت مانند هستند، اما به جای شش ضلعی، فولرن ها از پنج ضلعی (یا حتی هفت ضلعی) اتم های کربن تشکیل شده اند. اتم های مفقود (یا اضافی) ورق ها را به شکل کره، بیضی یا استوانه تغییر می دهند. خواص فولرن ها (تقسیم شده به توپ های باکی، باکی تیوب ها و نانوبادها) هنوز به طور کامل تجزیه و تحلیل نشده اند و نشان دهنده حوزه ای از تحقیقات نانومواد است. نام های "فولرین" و "باکی بال" با نام ریچارد باکمینستر فولر مرتبط است که گنبدهای ژئودزیکی شبیه به ساختار فولرن ها را رایج کرد. باکی‌بال‌ها مولکول‌های نسبتاً بزرگی هستند که تماماً از پیوندهای کربنی به صورت سه‌ضلعی تشکیل شده‌اند و کروی‌هایی را تشکیل می‌دهند (مشهورترین و ساده‌ترین آنها باکی‌بالرین C60 با شکل توپ فوتبال است). نانولوله‌های کربنی از نظر ساختاری شبیه به باکی‌بال‌ها هستند، با این تفاوت که هر اتم به صورت مثلثی در یک صفحه منحنی که یک استوانه توخالی را تشکیل می‌دهد، پیوند خورده است. نانوبادها برای اولین بار در سال 2007 معرفی شدند و مواد هیبریدی هستند (باکی‌بال‌ها به صورت کووالانسی به دیواره بیرونی یک نانولوله متصل هستند) که خواص هر دو را در یک ساختار واحد ترکیب می‌کنند. از دیگر آلوتروپ های کشف شده، نانوفوم کربنی یک آلوتروپ فرومغناطیسی است که در سال 1997 کشف شد. این شامل مجموعه ای خوشه ای از اتم های کربن با چگالی کم است که در یک شبکه سه بعدی شل به هم متصل شده اند که در آن اتم ها به صورت مثلثی در حلقه های شش و هفت عضوی به هم متصل شده اند. این جامد با چگالی حدود 2 کیلوگرم بر متر مکعب از سبک ترین جامدات است. به طور مشابه، کربن شیشه‌ای حاوی نسبت بالایی از تخلخل بسته است، اما بر خلاف گرافیت معمولی، لایه‌های گرافیت مانند صفحات یک کتاب روی هم قرار نمی‌گیرند، بلکه به‌طور تصادفی‌تر چیده شده‌اند. کربن استیلن خطی دارای ساختار شیمیایی - (C:::C) n- است. کربن در این اصلاح خطی با هیبریداسیون مداری sp است و پلیمری با پیوندهای منفرد و سه گانه متناوب است. این کارابین به دلیل اینکه مدول یانگ آن چهل برابر بیشتر از سخت‌ترین ماده، الماس است، برای فناوری نانو مورد توجه است. در سال 2015، تیمی از دانشگاه کارولینای شمالی توسعه آلوتروپ دیگری را اعلام کردند که آن را Q-carbon نامیدند که توسط یک پالس لیزری کم‌مدت و پرانرژی روی غبار کربن آمورف ایجاد شد. گزارش شده است که کربن کیو دارای فرومغناطیس، فلورسانس است و سختی بالاتری نسبت به الماس دارد.

شیوع

کربن چهارمین عنصر شیمیایی فراوان در جهان پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن است. کربن در خورشید، ستاره ها، دنباله دارها و جو اکثر سیارات به وفور یافت می شود. برخی از شهاب سنگ ها حاوی الماس های میکروسکوپی هستند که زمانی که منظومه شمسی هنوز یک قرص پیش سیاره ای بود تشکیل شده اند. الماس های میکروسکوپی نیز می توانند تحت فشار شدید و دمای بالا در مکان های برخورد شهاب سنگ تشکیل شوند. در سال 2014، ناسا یک پایگاه داده به روز شده برای ردیابی هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای (PAHs) در جهان را اعلام کرد. بیش از 20 درصد کربن موجود در جهان را می توان با PAH ها، ترکیبات پیچیده کربن و هیدروژن بدون اکسیژن مرتبط دانست. این ترکیبات در فرضیه جهانی PAH ظاهر می شوند، جایی که احتمالاً در زیست زایی و تشکیل حیات نقش دارند. به نظر می رسد که PAH ها «یک دو میلیارد سال» پس از بیگ بنگ تشکیل شده اند، در جهان گسترده هستند و با ستاره ها و سیارات فراخورشیدی جدید مرتبط هستند. پوسته سخت زمین در مجموع حاوی 730 پی پی ام کربن است که 2000 پی پی ام در هسته و 120 پی پی ام در گوشته و پوسته ترکیب شده است. از آنجایی که جرم زمین 5.9 x 72 x 1024 کیلوگرم است، این به معنای 4360 میلیون گیگا تن کربن است. این مقدار بسیار بیشتر از مقدار کربن موجود در اقیانوس ها یا جو (زیر) است. کربن در ترکیب با اکسیژن موجود در دی اکسید کربن در جو زمین یافت می شود (تقریباً 810 گیگا تن کربن) و در تمام آب ها (تقریباً 36000 گیگا تن کربن) حل می شود. حدود 1900 گیگاتن کربن در زیست کره وجود دارد. هیدروکربن ها (مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی) نیز حاوی کربن هستند. "ذخایر" زغال سنگ (به جای "منابع") حدود 900 گیگاتن با احتمالا 18000 Gt منابع است. ذخایر نفت حدود 150 گیگاتن است. منابع اثبات شده گاز طبیعی حدود 1751012 متر مکعب (حاوی حدود 105 گیگا تن کربن) است، با این حال مطالعات 9001012 متر مکعب دیگر ذخایر "غیر متعارف" مانند گاز شیل را تخمین می زند که حدود 540 گیگا تن کربن است. کربن همچنین در هیدرات های متان در نواحی قطبی و زیر دریاها یافت شده است. بر اساس برآوردهای مختلف، مقدار این کربن 500، 2500 Gt یا 3000 Gt است. در گذشته مقدار هیدروکربن ها بیشتر بود. بر اساس یک منبع، بین سال‌های 1751 تا 2008، حدود 347 گیگا تن کربن به‌عنوان دی‌اکسید کربن در اتمسفر ناشی از سوزاندن سوخت‌های فسیلی وارد جو شد. منبع دیگری مقدار اضافه شده به اتمسفر را بین 1750 تا 879 Gt اضافه می کند و مقدار کل در جو، دریا و خشکی (مانند باتلاق های ذغال سنگ نارس) تقریباً 2000 Gt است. کربن جزء (12 درصد جرمی) توده های بسیار بزرگ سنگ های کربناته (سنگ آهک، دولومیت، مرمر و غیره) است. زغال سنگ حاوی مقدار بسیار بالایی کربن است (آنتراسیت حاوی 92-98 درصد کربن است) و بزرگترین منبع تجاری کربن معدنی است که 4000 گیگاتن یا 80 درصد سوخت های فسیلی را شامل می شود. از نظر آلوتروپ های کربن منفرد، گرافیت در مقادیر زیادی در ایالات متحده (عمدتا نیویورک و تگزاس)، روسیه، مکزیک، گرینلند و هند یافت می شود. الماس طبیعی در سنگ کیمبرلیت موجود در "گردن" یا "لوله" آتشفشانی باستانی یافت می شود. بیشتر ذخایر الماس در آفریقا به ویژه در آفریقای جنوبی، نامیبیا، بوتسوانا، جمهوری کنگو و سیرالئون یافت می شود. ذخایر الماس در آرکانزاس، کانادا، قطب شمال روسیه، برزیل و استرالیای شمالی و غربی نیز یافت شده است. اکنون الماس ها نیز از کف اقیانوس در دماغه امید خوب بازیابی می شوند. الماس به طور طبیعی وجود دارد، اما حدود 30 درصد از تمام الماس های صنعتی مورد استفاده در ایالات متحده اکنون تولید می شود. کربن 14 در تروپوسفر فوقانی و استراتوسفر در ارتفاعات 9-15 کیلومتری در واکنشی که توسط پرتوهای کیهانی رسوب می کند، تشکیل می شود. نوترون های حرارتی تولید می شوند که با هسته های نیتروژن-14 برخورد می کنند و کربن-14 و پروتون را تشکیل می دهند. بنابراین، 1.2 × 1010 درصد از دی اکسید کربن اتمسفر حاوی کربن 14 است. سیارک های غنی از کربن در قسمت های بیرونی کمربند سیارکی در منظومه شمسی ما نسبتاً غالب هستند. این سیارک ها هنوز به طور مستقیم توسط دانشمندان کاوش نشده اند. سیارک ها را می توان در استخراج فرضی زغال سنگ مبتنی بر فضا استفاده کرد، که ممکن است در آینده امکان پذیر باشد اما در حال حاضر از نظر فناوری امکان پذیر نیست.

ایزوتوپ های کربن

ایزوتوپ های کربن هسته های اتمی هستند که شامل شش پروتون به اضافه تعدادی نوترون (از 2 تا 16) هستند. کربن دارای دو ایزوتوپ طبیعی پایدار است. ایزوتوپ کربن-12 (12C) 98.93 درصد کربن روی زمین را تشکیل می دهد و کربن-13 (13C) 1.07 درصد باقی مانده را تشکیل می دهد. غلظت 12C در مواد بیولوژیکی حتی بیشتر افزایش می یابد زیرا واکنش های بیوشیمیایی نسبت به 13C متمایز می شود. در سال 1961، اتحادیه بین المللی شیمی محض و کاربردی (IUPAC) کربن-12 ایزوتوپی را به عنوان مبنای وزن اتمی پذیرفت. شناسایی کربن در آزمایشات با رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) با ایزوتوپ 13C انجام می شود. کربن 14 (14C) یک رادیو ایزوتوپ طبیعی است که در اتمسفر فوقانی (استراتوسفر پایینی و تروپوسفر فوقانی) توسط برهمکنش نیتروژن با پرتوهای کیهانی ایجاد شده است. به مقدار کمی در زمین تا 1 قسمت در تریلیون (0.0000000001%)، عمدتاً در جو و رسوبات سطحی، به ویژه ذغال سنگ نارس و سایر مواد آلی یافت می شود. این ایزوتوپ در طول 0.158 MeV گسیل β تجزیه می شود. به دلیل نیمه عمر نسبتاً کوتاه 5730 سال، 14 درجه سانتیگراد عملاً در سنگهای باستانی وجود ندارد. در جو و موجودات زنده، مقدار 14C تقریبا ثابت است، اما در موجودات پس از مرگ کاهش می یابد. این اصل در تاریخ گذاری رادیوکربنی که در سال 1949 اختراع شد، استفاده می شود که به طور گسترده ای برای پیری مواد کربنی تا 40000 سال استفاده می شود. 15 ایزوتوپ شناخته شده کربن وجود دارد که کوتاه ترین عمر آنها 8 درجه سانتیگراد است که با گسیل پروتون و واپاشی آلفا تجزیه می شود و نیمه عمر آن 10-21 × 1.98739 است. Exotic 19C یک هاله هسته ای را نشان می دهد، به این معنی که شعاع آن به طور قابل توجهی بزرگتر از چیزی است که اگر هسته یک کره با چگالی ثابت بود، انتظار می رفت.

آموزش در ستاره ها

تشکیل یک هسته اتمی کربن مستلزم برخورد تقریباً همزمان سه گانه ذرات آلفا (هسته هلیوم) در داخل هسته یک ستاره غول پیکر یا ابرغول است که به فرآیند آلفای سه گانه معروف است، زیرا محصولات واکنش های همجوشی هسته ای بیشتر هلیم است. با هیدروژن یا هسته هلیوم دیگر به ترتیب لیتیوم-5 و بریلیم -8 تولید می شود که هر دو بسیار ناپایدار هستند و تقریباً بلافاصله به هسته های کوچکتر تبدیل می شوند. این در دمای بیش از 100 مگاکالوین و غلظت هلیوم رخ می دهد که در شرایط انبساط سریع و سرد شدن جهان اولیه غیرقابل قبول است و بنابراین مقادیر قابل توجهی کربن در طول انفجار بزرگ ایجاد نشد. بر اساس نظریه مدرن کیهان شناسی فیزیکی، کربن در داخل ستاره ها در یک شاخه افقی از برخورد و تبدیل سه هسته هلیوم تشکیل می شود. وقتی این ستاره ها در یک ابرنواختر می میرند، کربن به صورت غبار در فضا پراکنده می شود. این گرد و غبار ماده تشکیل دهنده برای تشکیل منظومه های ستاره ای نسل دوم یا سوم با سیارات تجمع یافته می شود. منظومه شمسی یکی از این منظومه‌های ستاره‌ای است که کربن فراوانی دارد و به حیاتی که ما می‌شناسیم اجازه می‌دهد وجود داشته باشد. چرخه CNO یک مکانیسم همجوشی اضافی است که ستارگان را در جایی که کربن به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند به حرکت در می آورد. انتقال چرخشی اشکال مختلف ایزوتوپی مونوکسید کربن (به عنوان مثال، 12CO، 13CO، و 18CO) در محدوده طول موج زیر میلی متری شناسایی شده و در مطالعه ستارگان تازه تشکیل شده در ابرهای مولکولی استفاده می شود.

چرخه کربن

در شرایط زمینی، تبدیل یک عنصر به عنصر دیگر پدیده ای بسیار نادر است. بنابراین، مقدار کربن روی زمین به طور موثر ثابت است. بنابراین، در فرآیندهایی که از کربن استفاده می شود، باید آن را از جایی به دست آورد و در جای دیگری دفع کرد. مسیرهای کربن در محیط، چرخه کربن را تشکیل می دهند. به عنوان مثال، گیاهان فتوسنتزی دی اکسید کربن را از جو (یا آب دریا) استخراج می کنند و آن را به زیست توده تبدیل می کنند، مانند چرخه کالوین، فرآیند تثبیت کربن. بخشی از این زیست توده توسط حیوانات خورده می شود، در حالی که مقداری از کربن توسط حیوانات به صورت دی اکسید کربن بازدم می شود. چرخه کربن بسیار پیچیده تر از این چرخه کوتاه است. به عنوان مثال، مقداری دی اکسید کربن در اقیانوس ها حل می شود. اگر باکتری ها آن را جذب نکنند، مواد مرده گیاهی یا حیوانی می توانند به نفت یا زغال سنگ تبدیل شوند که در هنگام سوزاندن کربن آزاد می شود.

ترکیبات کربن

کربن می تواند زنجیره های بسیار طولانی از پیوندهای کربن-کربن به هم پیوسته را تشکیل دهد، این ویژگی به نام تشکیل زنجیره است. پیوندهای کربن و کربن پایدار هستند. کربن از طریق کاتاناسیون (تشکیل زنجیره ها) تعداد بی شماری از ترکیبات را تشکیل می دهد. ارزیابی ترکیبات منحصر به فرد نشان می دهد که تعداد بیشتری از آنها حاوی کربن هستند. گفته مشابهی را می توان در مورد هیدروژن نیز بیان کرد زیرا اکثر ترکیبات آلی حاوی هیدروژن نیز هستند. ساده ترین شکل یک مولکول آلی، هیدروکربن است، خانواده بزرگی از مولکول های آلی که از اتم های هیدروژن متصل به زنجیره ای از اتم های کربن تشکیل شده اند. طول زنجیره، زنجیره های جانبی و گروه های عاملی بر خواص مولکول های آلی تأثیر می گذارد. کربن در هر شکلی از حیات آلی شناخته شده یافت می شود و اساس شیمی آلی است. هنگامی که کربن با هیدروژن ترکیب می شود، هیدروکربن های مختلفی را تشکیل می دهد که برای صنعت به عنوان مبرد، روان کننده، حلال، به عنوان مواد اولیه شیمیایی برای تولید پلاستیک و فرآورده های نفتی و به عنوان سوخت های فسیلی مهم هستند. هنگامی که کربن با اکسیژن و هیدروژن ترکیب می شود، می تواند گروه های زیادی از ترکیبات بیولوژیکی مهم از جمله قندها، لیگنان ها، کیتین ها، الکل ها، چربی ها و استرهای معطر، کاروتنوئیدها و ترپن ها را تشکیل دهد. کربن با نیتروژن آلکالوئیدها را تشکیل می دهد و با افزودن گوگرد نیز آنتی بیوتیک ها، اسیدهای آمینه و محصولات لاستیکی را تشکیل می دهد. با افزودن فسفر به این عناصر دیگر، DNA و RNA، حامل کد شیمیایی حیات، و آدنوزین تری فسفات (ATP)، مهم ترین مولکول انتقال انرژی در تمام سلول های زنده را تشکیل می دهد.

ترکیبات معدنی

به طور معمول، ترکیبات حاوی کربن که با مواد معدنی مرتبط هستند یا حاوی هیدروژن یا فلوئور نیستند، جدا از ترکیبات آلی کلاسیک درمان می شوند. این تعریف سختگیرانه نیست. از جمله آنها اکسیدهای ساده کربن هستند. شناخته شده ترین اکسید دی اکسید کربن (CO2) است. این ماده زمانی جزء اصلی اتمسفر دیرینه بود، امروزه جزء جزئی جو زمین است. هنگامی که این ماده در آب حل می شود، اسید کربنیک (H2CO3) را تشکیل می دهد، اما مانند بسیاری از ترکیبات با چندین اکسیژن تک پیوند روی یک کربن، ناپایدار است. با این حال، یون های کربنات تثبیت شده تشدید شده از طریق این واسطه تشکیل می شوند. برخی از مواد معدنی مهم کربنات ها، به ویژه کلسیت ها هستند. دی سولفید کربن (CS2) مشابه است. یکی دیگر از اکسیدهای رایج مونوکسید کربن (CO) است. این گاز در طی احتراق ناقص ایجاد می شود و یک گاز بی رنگ و بی بو است. هر مولکول حاوی یک پیوند سه گانه و نسبتاً قطبی است، که باعث می شود دائماً به مولکول های هموگلوبین متصل شود و اکسیژن را جایگزین کند که میل ترکیبی کمتری دارد. سیانید (CN-) ساختار مشابهی دارد اما مانند یون هالید (شبه هالوژن) رفتار می کند. به عنوان مثال، می تواند یک مولکول سیانوژن نیترید (CN) 2 شبیه به هالیدهای دیاتومه را تشکیل دهد. سایر اکسیدهای غیر معمول عبارتند از ساب اکسید کربن (C3O2)، مونوکسید کربن ناپایدار (C2O)، تری اکسید کربن (CO3)، سیکلوپنتان پپتون (C5O5)، سیکلوهگزان هگزون (C6O6) و انیدرید ملیتیک (C12O9). با فلزات واکنش پذیر مانند تنگستن، کربن یا کاربید (C4-) یا استیلید (C2-2) را تشکیل می دهد تا آلیاژهایی با نقطه ذوب بالا تشکیل دهد. این آنیون ها همچنین با متان و استیلن مرتبط هستند که هر دو اسیدهای بسیار ضعیفی هستند. در الکترونگاتیوی 2.5، کربن ترجیح می دهد پیوندهای کووالانسی تشکیل دهد. چندین کاربید شبکه های کووالانسی هستند، مانند کاربوراندوم (SiC) که شبیه الماس است. با این حال، حتی قطبی ترین و نمک مانند ترین کاربیدها نیز ترکیبات کاملا یونی نیستند.

ترکیبات آلی فلزی

ترکیبات آلی فلزی، طبق تعریف، حداقل دارای یک پیوند کربن و فلز هستند. طیف وسیعی از این ترکیبات وجود دارد. کلاس های اصلی شامل ترکیبات ساده آلکیل-فلز (به عنوان مثال تترااتیل الید)، ترکیبات η2-آلکن (به عنوان مثال نمک Zeise) و ترکیبات η3-آلیک (به عنوان مثال آلیل پالادیوم کلرید دایمر). متالوسن های حاوی لیگاندهای سیکلوپنتادینیل (مانند فروسن). و مجتمع های کربنی فلزات واسطه. کربونیل های فلزی زیادی وجود دارد (به عنوان مثال، تترا کربنیل نیکل). برخی از کارگران معتقدند که لیگاند مونوکسید کربن یک ترکیب کاملا معدنی و نه آلی فلزی است. در حالی که تصور می‌شود کربن منحصراً چهار پیوند را تشکیل می‌دهد، ترکیب جالبی گزارش شده است که حاوی یک اتم کربن هشت‌وجهی است. کاتیون این ترکیب 2+ است. این پدیده با شنوایی دوستی لیگاندهای طلا توضیح داده می شود. در سال 2016 تأیید شد که هگزا متیل بنزن حاوی یک اتم کربن با شش پیوند به جای چهار پیوند معمولی است.

تاریخچه و ریشه شناسی

نام انگلیسی کربن (کربن) از واژه لاتین carbo به معنای زغال چوب و ذغال چوب گرفته شده است، از این رو کلمه فرانسوی charbon به معنای زغال چوب است. نام‌های آلمانی، هلندی و دانمارکی کربن به ترتیب Kohlenstoff، koolstof و kulstof هستند که همگی به معنای واقعی کلمه یک ماده زغال سنگ هستند. کربن در دوران ماقبل تاریخ کشف شد و در تمدن های اولیه بشری به شکل دوده و زغال سنگ شناخته شده بود. الماس احتمالاً در 2500 سال قبل از میلاد شناخته شده بود. در چین، و کربن به شکل زغال چوب در زمان رومیان با همان شیمی امروزی، با حرارت دادن چوب در یک هرم پوشیده از خاک رس برای حذف هوا ساخته می شد. در سال 1722، René Antoine Ferhot de Réamour نشان داد که آهن از طریق جذب ماده ای که امروزه به نام کربن شناخته می شود، به فولاد تبدیل می شود. در سال 1772، Antoine Lavoisier نشان داد که الماس شکلی از کربن است. زمانی که او نمونه هایی از زغال سنگ و الماس را سوزاند و متوجه شد که هیچکدام آب تولید نمی کنند و هر دو ماده به ازای هر گرم مقدار مساوی دی اکسید کربن آزاد می کنند. در سال 1779، کارل ویلهلم شیله نشان داد که گرافیت، که تصور می‌شود شکلی از سرب است، در عوض مشابه زغال چوب است اما با مقدار کمی آهن، و هنگامی که با اسید نیتریک اکسید می‌شود، «اسید هوا» (که دی اکسید کربن است) تولید می‌کند. . در سال 1786، دانشمندان فرانسوی کلود لوئیس برتوله، گاسپارد مونگ و سی. ای. واندرموند با اکسید کردن آن در اکسیژن به همان روشی که لاووازیه با الماس انجام داد، تأیید کردند که گرافیت اساساً کربن است. مقداری آهن دوباره باقی ماند که به گفته دانشمندان فرانسوی برای ساختار گرافیت ضروری بود. آنها در نشریه خود نام کربن (به لاتین کربن) را برای عنصری در گرافیت پیشنهاد کردند که در هنگام سوزاندن گرافیت به صورت گاز آزاد می شد. سپس آنتوان لاووازیه کربن را به عنوان عنصری در کتاب درسی خود در سال 1789 ذکر کرد. آلوتروپ جدید کربن، فولرن، که در سال 1985 کشف شد، شامل اشکال نانوساختاری مانند باکی‌بال و نانولوله است. کاشفان آنها - رابرت کرل، هارولد کروتو و ریچارد اسمالی - در سال 1996 جایزه نوبل شیمی را دریافت کردند. علاقه مجدد به اشکال جدید منجر به کشف آلوتروپ های عجیب و غریب اضافی، از جمله کربن شیشه ای، و درک این موضوع می شود که "کربن آمورف" کاملا بی شکل نیست.

تولید

گرافیت

ذخایر گرافیتی طبیعی از نظر تجاری قابل دوام در بسیاری از نقاط جهان وجود دارد، اما مهمترین منابع از نظر اقتصادی در چین، هند، برزیل و کره شمالی است. رسوبات گرافیت منشأ دگرگونی دارند و در ارتباط با کوارتز، میکا و فلدسپات در شیل‌ها، گنیس‌ها و ماسه‌سنگ‌ها و سنگ‌های آهکی دگرگون شده به شکل عدسی یا رگه‌هایی با ضخامت گاهی چند متر یا بیشتر یافت می‌شوند. ذخایر گرافیت در Borrowdale، کامبرلند، انگلستان در ابتدا از اندازه و خلوص کافی برخوردار بود که تا قرن 19 مدادها به سادگی با اره کردن بلوک‌های گرافیت طبیعی به صورت نوارها قبل از چسباندن نوارها به چوب ساخته می‌شدند. امروزه رسوبات گرافیت کوچکتری با خرد کردن سنگ مادر و شناور کردن گرافیت سبکتر روی آب به دست می آید. سه نوع گرافیت طبیعی وجود دارد - آمورف، پولکی یا کریستالی. گرافیت آمورف پایین ترین کیفیت را دارد و رایج ترین است. برخلاف علم، در صنعت "بی شکل" به اندازه بلور بسیار کوچک اشاره دارد تا فقدان کامل ساختار کریستالی. کلمه "آمورف" برای اشاره به محصولاتی با مقدار کم گرافیت استفاده می شود و ارزان ترین گرافیت است. ذخایر بزرگ گرافیت آمورف در چین، اروپا، مکزیک و ایالات متحده آمریکا یافت می شود. گرافیت مسطح کمتر رایج است و کیفیت بالاتری نسبت به آمورف دارد. به نظر می رسد صفحات جداگانه ای است که در سنگ های دگرگونی متبلور می شوند. قیمت گرافیت دانه ای می تواند چهار برابر قیمت آمورف باشد. گرافیت پولکی با کیفیت خوب را می توان به گرافیت قابل انبساط برای بسیاری از کاربردها مانند بازدارنده های شعله تبدیل کرد. ذخایر اولیه گرافیت در اتریش، برزیل، کانادا، چین، آلمان و ماداگاسکار یافت می شود. گرافیت مایع یا توده ای نادرترین، با ارزش ترین و با کیفیت ترین نوع گرافیت طبیعی است. این ماده در رگه‌های امتداد تماس‌های نفوذی در توده‌های سخت یافت می‌شود و تنها به صورت تجاری در سریلانکا استخراج می‌شود. بر اساس گزارش USGS، تولید جهانی گرافیت طبیعی در سال 2010، 1.1 میلیون تن بوده که چین 800000 تن، هند 130000 تن، برزیل 76000 تن، کره شمالی 30000 تن و کانادا با 25000 تن گرافیت طبیعی در ایالات متحده تولید نکرده اند. اما 118000 تن گرافیت مصنوعی در سال 2009 با هزینه تخمینی 998 میلیون دلار استخراج شد.

الماس

عرضه الماس توسط تعداد محدودی از مشاغل کنترل می شود و همچنین در تعداد کمی از مکان ها در سراسر جهان متمرکز است. تنها بخش بسیار کمی از سنگ معدن الماس از الماس واقعی تشکیل شده است. سنگ معدن خرد می شود که در طی آن باید مراقب بود که در این فرآیند از نابودی الماس های بزرگ جلوگیری شود و سپس ذرات بر اساس چگالی دسته بندی می شوند. امروزه الماس ها در بخش غنی از الماس با استفاده از فلورسانس اشعه ایکس استخراج می شوند و پس از آن مراحل مرتب سازی نهایی به صورت دستی انجام می شود. قبل از گسترش استفاده از اشعه ایکس، جداسازی با استفاده از نوارهای روان کننده انجام شد. مشخص است که الماس تنها در نهشته های آبرفتی در جنوب هند یافت شده است. مشخص است که الماس بیشتر از سایر مواد معدنی موجود در سنگ معدن به جرم چسبیده است. هند از زمان کشف الماس در حدود قرن 9 قبل از میلاد تا اواسط قرن 18 پس از میلاد پیشرو در تولید الماس بود، اما پتانسیل تجاری این منابع در پایان قرن هجدهم به پایان رسید و در آن زمان هند توسط غرق شد. برزیل، جایی که اولین الماس در سال 1725 پیدا شد. تولید الماس ذخایر اولیه (کیمبرلیت ها و لامپرویت ها) تنها در دهه 1870 و پس از کشف ذخایر الماس در آفریقای جنوبی آغاز شد. تولید الماس در طول زمان افزایش یافته است و تنها 4.5 میلیارد قیراط از آن تاریخ انباشته شده است. حدود 20 درصد از این میزان تنها در 5 سال گذشته استخراج شده است و طی ده سال گذشته 9 معدن جدید شروع به تولید کرده و 4 مورد دیگر نیز در انتظار کشف به زودی هستند. بیشتر این ذخایر در کانادا، زیمبابوه، آنگولا و یکی در روسیه قرار دارند. در ایالات متحده، الماس در آرکانزاس، کلرادو و مونتانا کشف شده است. در سال 2004، کشف شگفت انگیز یک الماس میکروسکوپی در ایالات متحده منجر به انتشار نمونه برداری انبوه از لوله های کیمبرلیت در منطقه ای دورافتاده از مونتانا در ژانویه 2008 شد. امروزه اکثر ذخایر الماس قابل دوام در روسیه، بوتسوانا، استرالیا و جمهوری دموکراتیک کنگو قرار دارند. بر اساس گزارش سازمان زمین شناسی بریتانیا، در سال 2005، روسیه نزدیک به یک پنجم عرضه الماس جهان را تولید کرد. در استرالیا، غنی‌ترین لوله الماسی در دهه 1990 به اوج تولید 42 تن (41 تن، 46 تن کوتاه) در سال رسید. همچنین ذخایر تجاری وجود دارد که به طور فعال در مناطق شمال غربی کانادا، سیبری (به طور عمده در یاکوتیا، به عنوان مثال، در لوله میر و لوله Udachnaya)، در برزیل، و همچنین در شمال و غرب استرالیا استخراج می شود.

برنامه های کاربردی

کربن برای تمام سیستم های زنده شناخته شده ضروری است. بدون آن، زندگی آنگونه که ما می دانیم نمی تواند وجود داشته باشد. عمده‌ترین کاربردهای اقتصادی کربن به غیر از غذا و چوب، هیدروکربن‌ها، عمدتاً سوخت‌های فسیلی گاز متان و نفت خام است. نفت خام توسط پالایشگاه ها برای تولید بنزین، نفت سفید و سایر محصولات فرآوری می شود. سلولز یک پلیمر کربن دار طبیعی است که توسط گیاهان به شکل چوب، پنبه، کتان و کنف تولید می شود. سلولز عمدتاً برای حفظ ساختار گیاهان استفاده می شود. پلیمرهای کربنی با ارزش تجاری مبتنی بر حیوانات شامل پشم، ترمه و ابریشم هستند. پلاستیک‌ها از پلیمرهای کربن مصنوعی، اغلب با اتم‌های اکسیژن و نیتروژن در فواصل زمانی معین در ستون فقرات پلیمری ساخته می‌شوند. مواد خام بسیاری از این مواد مصنوعی از نفت خام می آید. استفاده از کربن و ترکیبات آن بسیار متنوع است. کربن می تواند با آهن آلیاژهایی تشکیل دهد که رایج ترین آنها فولاد کربنی است. گرافیت با خاک رس ترکیب می شود و "سرب" مورد استفاده در مدادهای مورد استفاده برای نوشتن و طراحی را تشکیل می دهد. همچنین به عنوان روان کننده و رنگدانه به عنوان ماده قالب گیری در تولید شیشه، در الکترودهای باتری های خشک و آبکاری و شکل دهی الکتریکی، در برس ها برای موتورهای الکتریکی و به عنوان تعدیل کننده نوترون در راکتورهای هسته ای استفاده می شود. زغال سنگ به عنوان ماده ای برای ساخت هنر، به عنوان کباب پز، برای ذوب آهن و در بسیاری موارد دیگر استفاده می شود. از چوب، زغال سنگ و نفت به عنوان سوخت برای تولید انرژی و گرمایش استفاده می شود. از الماس های مرغوب در ساخت جواهرات استفاده می شود، در حالی که از الماس های صنعتی برای سوراخ کاری، برش و پرداخت ابزارهای فلزی و سنگی استفاده می شود. پلاستیک ها از هیدروکربن های فسیلی ساخته می شوند و فیبر کربن که از تجزیه در اثر حرارت الیاف پلی استر مصنوعی ساخته شده است، برای تقویت پلاستیک ها به مواد کامپوزیتی پیشرفته و سبک استفاده می شود. فیبر کربن با پیرولیز کردن رشته های اکسترود شده و کشیده پلی اکریلونیتریل (PAN) و سایر مواد آلی ساخته می شود. ساختار کریستالی و خواص مکانیکی الیاف به نوع ماده اولیه و فرآوری بعدی بستگی دارد. الیاف کربن ساخته شده از PAN ساختاری شبیه رشته های باریک گرافیت دارند، اما عملیات حرارتی می تواند ساختار را به یک صفحه پیوسته تغییر دهد. در نتیجه، الیاف دارای استحکام کششی ویژه بالاتری نسبت به فولاد هستند. کربن سیاه به عنوان رنگدانه سیاه در جوهرهای چاپ، رنگ روغن و آبرنگ هنرمندان، کاغذ کربن، تزئینات خودرو، جوهر و چاپگرهای لیزری استفاده می شود. کربن سیاه همچنین به عنوان پرکننده در محصولات لاستیکی مانند تایرها و در ترکیبات پلاستیکی استفاده می شود. کربن فعال به عنوان جاذب و جاذب در محیط های فیلتر در کاربردهای متنوعی مانند ماسک گاز، تصفیه آب و هود اجاق گاز، و در پزشکی برای جذب سموم، سموم یا گازهای دستگاه گوارش استفاده می شود. کربن در کاهش شیمیایی در دماهای بالا استفاده می شود. کک برای کاهش سنگ آهن موجود در آهن (ذوب) استفاده می شود. انجماد فولاد با حرارت دادن اجزای فولادی تمام شده در پودر کربن حاصل می شود. کاربیدهای سیلیکون، تنگستن، بور و تیتانیوم از سخت ترین مواد هستند و به عنوان ساینده های برش و آسیاب استفاده می شوند. ترکیبات کربن بیشتر مواد مورد استفاده در پوشاک را تشکیل می دهند، مانند منسوجات طبیعی و مصنوعی و چرم و تقریباً تمام سطوح داخلی در محیط هایی غیر از شیشه، سنگ و فلز.

الماس

صنعت الماس به دو دسته تقسیم می شود، یکی الماس مرغوب (گوهر) و دیگری الماس درجه صنعتی. در حالی که معاملات زیادی در هر دو نوع الماس وجود دارد، این دو بازار کاملاً متفاوت عمل می کنند. بر خلاف فلزات گرانبها مانند طلا یا پلاتین، الماس سنگ های قیمتی به عنوان یک کالا معامله نمی شود: در فروش الماس نشانه گذاری قابل توجهی وجود دارد و بازار فروش مجدد الماس چندان فعال نیست. الماس های صنعتی عمدتاً به دلیل سختی و رسانایی حرارتی ارزش دارند، در حالی که کیفیت گوهری شفافیت و رنگ تا حد زیادی بی ربط است. حدود 80 درصد از الماس های استخراج شده (برابر با حدود 100 میلیون قیراط یا 20 تن در سال) غیرقابل استفاده بوده و در صنعت (ضایعات الماس) استفاده می شود. الماس های مصنوعی که در دهه 1950 اختراع شدند، تقریباً بلافاصله کاربردهای صنعتی پیدا کردند. سالانه 3 میلیارد قیراط (600 تن) الماس مصنوعی تولید می شود. بیشترین کاربرد صنعتی الماس برش، حفاری، سنگ زنی و پرداخت است. بسیاری از این برنامه ها به الماس بزرگ نیاز ندارند. در واقع، اکثر الماس های با کیفیت گوهر، به استثنای الماس های کوچک، می توانند در صنعت استفاده شوند. الماس ها را در نوک مته ها یا تیغه های اره قرار می دهند یا برای استفاده در سنگ زنی و پرداخت به پودر تبدیل می شوند. کاربردهای تخصصی شامل استفاده در آزمایشگاه ها به عنوان ذخیره سازی برای آزمایش های فشار بالا، یاتاقان های با کارایی بالا و استفاده محدود در پنجره های تخصصی است. به لطف پیشرفت در تولید الماس مصنوعی، کاربردهای جدید در حال امکان پذیر شدن است. توجه زیادی به استفاده احتمالی الماس به عنوان نیمه هادی مناسب برای ریزتراشه ها و به دلیل رسانایی حرارتی استثنایی آن به عنوان یک هیت سینک در الکترونیک شده است.

کربن در جدول تناوبی عناصر در دوره دوم در گروه IVA قرار دارد. پیکربندی الکترونیکی اتم کربن ls 2 2s 2 2p 2 .هنگامی که برانگیخته می شود، یک حالت الکترونیکی به راحتی حاصل می شود که در آن چهار الکترون جفت نشده در چهار اوربیتال اتمی بیرونی وجود دارد:

این توضیح می دهد که چرا کربن موجود در ترکیبات معمولاً چهار ظرفیتی است. برابری تعداد الکترون‌های ظرفیت اتم کربن به تعداد اوربیتال‌های ظرفیت و همچنین نسبت منحصر به فرد بار هسته‌ای و شعاع اتم، این توانایی را به آن می‌دهد تا بسته به خواص شریک (بخش 9.3.1). در نتیجه، کربن با حالت های اکسیداسیون مختلف از -4 تا +4 و سهولت هیبریداسیون اوربیتال های اتمی آن بر اساس نوع مشخص می شود. sp3,sp2و sp 1در طول تشکیل پیوندهای شیمیایی (بخش 2.1.3):

همه اینها به کربن توانایی ایجاد پیوندهای منفرد، دوگانه و سه گانه را نه تنها در بین خود، بلکه با اتم های سایر عناصر ارگانوژن نیز می دهد. مولکول های تشکیل شده در این حالت می توانند ساختاری خطی، منشعب و حلقوی داشته باشند.

به دلیل تحرک الکترون های مشترک - MO که با مشارکت اتم های کربن تشکیل می شود، آنها به سمت اتم یک عنصر الکترونگاتیو تر (اثر القایی) منتقل می شوند که منجر به قطبیت نه تنها این پیوند، بلکه به کل مولکول می شود. . با این حال، کربن، به دلیل میانگین مقدار الکترونگاتیوی (0E0 = 2.5)، پیوندهای قطبی ضعیفی با اتم های سایر عناصر ارگانوژن ایجاد می کند (جدول 12.1). در حضور سیستم‌های پیوندهای مزدوج در مولکول‌ها (بخش 2.1.3)، الکترون‌های متحرک (MOs) و جفت‌های الکترون مشترک با هم‌ترازی چگالی الکترون و طول‌های پیوند در این سیستم‌ها جابه‌جا می‌شوند.

از نقطه نظر واکنش پذیری ترکیبات، قطبش پذیری پیوندها نقش مهمی ایفا می کند (بخش 2.1.3). هر چه قطبش پذیری یک پیوند بیشتر باشد، واکنش پذیری آن نیز بیشتر است. وابستگی قطبش پذیری پیوندهای حاوی کربن به ماهیت آنها نشان دهنده سری زیر است:

تمام داده های در نظر گرفته شده در مورد خواص پیوندهای حاوی کربن نشان می دهد که کربن موجود در ترکیبات از یک سو پیوندهای کووالانسی به اندازه کافی قوی با یکدیگر و با سایر ارگانوژن ها تشکیل می دهد و از سوی دیگر جفت الکترونی مشترک این پیوندها را تشکیل می دهد. کاملاً ناپایدار هستند در نتیجه، هم افزایش واکنش پذیری این پیوندها و هم تثبیت می تواند رخ دهد. این ویژگی های ترکیبات حاوی کربن است که کربن را به ارگانوژن شماره یک تبدیل می کند.

خواص اسیدی-بازی ترکیبات کربنیمونوکسید کربن (4) یک اکسید اسیدی است و هیدروکسید مربوط به آن، اسید کربنیک H2CO3، یک اسید ضعیف است. مولکول مونوکسید کربن (4) غیرقطبی است و بنابراین در آب ضعیف حل می شود (0.03 mol/l در 298 K). در این حالت ابتدا هیدرات CO2 H2O در محلول تشکیل می شود که در آن CO2 در حفره پیوندی از مولکول های آب قرار دارد و سپس این هیدرات به آرامی و برگشت پذیر به H2CO3 تبدیل می شود. بیشتر مونوکسید کربن (4) محلول در آب به شکل هیدرات است.

در بدن، در گلبول های قرمز، تحت تأثیر آنزیم کربوآنهیدراز، تعادل بین CO2 H2O و هیدرات H2CO3 بسیار سریع برقرار می شود. این امر باعث می شود که از حضور CO2 به شکل هیدرات در گلبول های قرمز چشم پوشی شود، اما نه در پلاسمای خون، جایی که کربنیک انیدراز وجود ندارد. H2CO3 حاصل در شرایط فیزیولوژیکی به یک آنیون بی کربنات و در یک محیط قلیایی تر به آنیون کربناته تجزیه می شود:

اسید کربنیک فقط در محلول وجود دارد. این دو سری نمک تشکیل می دهد - بی کربنات ها (NaHCO3، Ca(HC03) 2) و کربنات ها (Na2CO3، CaCO3). بی کربنات ها در آب بیشتر از کربنات ها حل می شوند. در محلول های آبی، نمک های اسید کربنیک، به ویژه کربنات ها، به راحتی توسط آنیون هیدرولیز می شوند و یک محیط قلیایی ایجاد می کنند:

موادی مانند جوش شیرین NaHC03؛ گچ CaCO3، منیزیم سفید 4MgC03 * Mg (OH) 2 * H2O، هیدرولیز شده با تشکیل یک محیط قلیایی، به عنوان عوامل آنتی اسید (خنثی کننده اسید) برای کاهش اسیدیته بالای شیره معده استفاده می شود:

ترکیبی از اسید کربنیک و یون بی کربنات (Н2СО3، НСО3(-)) یک سیستم بافر بی کربنات (بخش 8.5) را تشکیل می دهد - یک سیستم بافر باشکوه از پلاسمای خون، که ثبات pH خون را در pH = 0.05 ± 7.40 تضمین می کند.

وجود بی کربنات های کلسیم و منیزیم در آب های طبیعی سختی موقت آنها را تعیین می کند. وقتی چنین آبی بجوشد، سختی آن از بین می رود. این به دلیل هیدرولیز آنیون HCO3 (-)، تجزیه حرارتی اسید کربنیک و رسوب کاتیون های کلسیم و منیزیم به شکل ترکیبات نامحلول CaCO 3 و Mg (OH) 2 است:

تشکیل Mg(OH) 2 ناشی از هیدرولیز کامل کاتیون منیزیم است که در این شرایط به دلیل حلالیت کمتر Mg(0H)2 در مقایسه با MgC03 رخ می دهد.

در عمل پزشکی، علاوه بر اسید کربنیک، باید با سایر اسیدهای حاوی کربن نیز سر و کار داشت. این در درجه اول انواع زیادی از اسیدهای آلی مختلف و همچنین اسید هیدروسیانیک HCN است. از نقطه نظر خواص اسیدی، قدرت این اسیدها متفاوت است:

این تفاوت‌ها به دلیل تأثیر متقابل اتم‌ها در مولکول، ماهیت پیوند تفکیک‌کننده، و پایداری آنیون، یعنی توانایی آن برای تغییر مکان بار است.

هیدروسیانیک اسید، یا سیانید هیدروژن، HCN - یک مایع بی رنگ و فرار (T bale = 26 درجه سانتی گراد) با بوی بادام تلخ قابل اختلاط با آب به هر نسبت. در محلول های آبی مانند یک اسید بسیار ضعیف عمل می کند که نمک های آن سیانید نامیده می شود. سیانیدهای فلزات قلیایی و قلیایی خاکی محلول در آب هستند، در حالی که توسط آنیون هیدرولیز می شوند، به همین دلیل است که محلول های آبی آنها بوی اسید هیدروسیانیک (بوی بادام تلخ) می دهد و دارای PH> 12 است.

با قرار گرفتن طولانی مدت در معرض CO2 موجود در هوا، سیانیدها با آزاد شدن اسید هیدروسیانیک تجزیه می شوند:

در نتیجه این واکنش، سیانید پتاسیم (سیانید پتاسیم) و محلول های آن در طول نگهداری طولانی مدت سمیت خود را از دست می دهند. آنیون سیانید یکی از قوی ترین سموم معدنی است، زیرا یک لیگاند فعال است و به راحتی ترکیبات پیچیده پایدار را با آنزیم های حاوی Fe3+ و Сu2(+) به عنوان یون های کمپلکس تشکیل می دهد (Sec. 10.4).

خواص ردوکساز آنجایی که کربن موجود در ترکیبات می تواند هر حالت اکسیداسیونی را از 4- تا 4+ نشان دهد، در طول واکنش، کربن آزاد می تواند هم الکترون اهدا کند و هم به آن اضافه کند، بسته به خواص معرف دوم، به ترتیب به عنوان یک عامل کاهنده یا اکسید کننده عمل می کند:

هنگامی که عوامل اکسید کننده قوی با مواد آلی تعامل دارند، اکسیداسیون ناقص یا کامل اتم های کربن این ترکیبات می تواند رخ دهد.

در شرایط اکسیداسیون بی هوازی، با کمبود یا عدم وجود اکسیژن، اتم‌های کربن یک ترکیب آلی، بسته به محتوای اتم‌های اکسیژن در این ترکیبات و شرایط خارجی، می‌توانند به CO2، CO، C و حتی CH4 تبدیل شوند. بقیه ارگانوژن ها به H2O، NH3 و H2S تبدیل می شوند.

در بدن، اکسیداسیون کامل ترکیبات آلی با اکسیژن در حضور آنزیم های اکسیداز (اکسیداسیون هوازی) با این معادله توصیف می شود:

از معادلات بالا در مورد واکنش های اکسیداسیون، می توان دریافت که در ترکیبات آلی، تنها اتم های کربن حالت اکسیداسیون را تغییر می دهند، در حالی که اتم های سایر ارگانوژن ها حالت اکسیداسیون خود را حفظ می کنند.

در واکنش های هیدروژناسیون، به عنوان مثال، افزودن هیدروژن (کاهنده) به یک پیوند چندگانه، اتم های کربنی که آن را تشکیل می دهند، حالت اکسیداسیون خود را کاهش می دهند (به عنوان عوامل اکسید کننده عمل می کنند):

واکنش‌های جایگزینی آلی با ظهور یک پیوند بین کربنی جدید، به عنوان مثال، در واکنش Wurtz، همچنین واکنش‌های ردوکس هستند که در آن اتم‌های کربن به عنوان عوامل اکسید کننده و اتم‌های فلز به عنوان عوامل کاهنده عمل می‌کنند:

این در واکنش های تشکیل ترکیبات آلی فلزی مشاهده می شود:

در همان زمان، در واکنش های آلکیلاسیون با تشکیل یک پیوند بین کربنی جدید، نقش یک عامل اکسید کننده و یک عامل احیا کننده به ترتیب توسط اتم های کربن بستر و معرف ایفا می شود:

در نتیجه واکنش های افزودن یک معرف قطبی به یک بستر از طریق یک پیوند بین کربنی چندگانه، یکی از اتم های کربن درجه اکسیداسیون را کاهش می دهد و خواص یک عامل اکسید کننده را نشان می دهد و دیگری درجه اکسیداسیون را افزایش می دهد و به عنوان عمل می کند. یک عامل کاهنده:

در این موارد، واکنش اکسیداسیون-کاهش درون مولکولی اتم‌های کربن زیرلایه انجام می‌شود، یعنی فرآیند تغییر شکل،تحت عمل معرفی که خاصیت اکسیداسیون و کاهش از خود نشان نمی دهد.

واکنش‌های معمول تغییر شکل درون مولکولی ترکیبات آلی به هزینه اتم‌های کربن آن‌ها، واکنش‌های دکربوکسیلاسیون اسیدهای آمینه یا کتو اسیدها، و همچنین واکنش‌های بازآرایی و ایزومریزاسیون ترکیبات آلی است که در بخش دوم مورد بحث قرار گرفت. 9.3. نمونه های داده شده از واکنش های آلی، و همچنین واکنش های Sec. 9.3 به طور قانع کننده ای نشان می دهد که اتم های کربن در ترکیبات آلی می توانند هم عامل اکسید کننده و هم عامل کاهنده باشند.

یک اتم کربن در یک ترکیب- یک عامل اکسید کننده، اگر در نتیجه واکنش تعداد پیوندهای آن با اتم های عناصر کمتر الکترومنفی (هیدروژن، فلزات) افزایش یابد، زیرا با جذب الکترون های رایج این پیوندها، اتم کربن مورد نظر حالت اکسیداسیون خود را کاهش می دهد. .

یک اتم کربن در یک ترکیب- یک عامل کاهنده، اگر در نتیجه واکنش تعداد پیوندهای آن با اتم های عناصر الکترونگاتیو بیشتر افزایش یابد.(C، O، N، S)، زیرا با دور زدن الکترون های مشترک این پیوندها، اتم کربن مورد نظر حالت اکسیداسیون خود را افزایش می دهد.

بنابراین، بسیاری از واکنش‌ها در شیمی آلی، به دلیل دوگانگی ردوکس اتم‌های کربن، واکنش‌های ردوکس هستند. با این حال، بر خلاف واکنش های مشابه در شیمی معدنی، توزیع مجدد الکترون ها بین یک عامل اکسید کننده و یک عامل احیا کننده در ترکیبات آلی تنها می تواند با جابجایی جفت الکترونی مشترک یک پیوند شیمیایی به اتمی که به عنوان یک عامل اکسید کننده عمل می کند همراه باشد. در این صورت می توان این ارتباط را حفظ کرد اما در موارد قطبی شدن شدید آن می تواند شکسته شود.

خواص ترکیبی ترکیبات کربنیاتم کربن موجود در ترکیبات دارای جفت الکترون مشترک نیست و بنابراین فقط ترکیبات کربنی حاوی پیوندهای متعدد با مشارکت آن می توانند به عنوان لیگاند عمل کنند. الکترون های پیوند قطبی سه گانه مونوکسید کربن (2) و آنیون اسید هیدروسیانیک به ویژه در فرآیندهای تشکیل پیچیده فعال هستند.

در یک مولکول مونوکسید کربن (2)، اتم های کربن و اکسیژن به دلیل همپوشانی متقابل دو اوربیتال اتمی 2p آنها توسط مکانیسم تبادل، یک و یک پیوند تشکیل می دهند. پیوند سوم، یعنی یک پیوند دیگر، توسط مکانیسم دهنده-پذیرنده تشکیل می شود. گیرنده اوربیتال اتمی 2p آزاد اتم کربن است و دهنده اتم اکسیژن است که یک جفت الکترون تنها از اوربیتال 2p فراهم می کند:

افزایش تعدد پیوند، پایداری و بی اثری بالایی را در شرایط عادی به این مولکول از نظر ویژگی‌های اسید-باز (CO - اکسید غیر نمک‌ساز) و ردوکس (عامل کاهنده CO) ارائه می‌کند. T > 1000 K). در عین حال، آن را به یک لیگاند فعال در واکنش‌های تشکیل پیچیده با اتم‌ها و کاتیون‌های d-فلزات، عمدتاً با آهن، تبدیل می‌کند که با آن پنتاکاربونیل آهن، یک مایع سمی فرار را تشکیل می‌دهد:

توانایی تشکیل ترکیبات پیچیده با کاتیون های d-metal دلیل سمیت مونوکسید کربن (H) برای سیستم های زنده است (Sec. 10.4) به دلیل وقوع واکنش های برگشت پذیر با هموگلوبین و اکسی هموگلوبین حاوی کاتیون Fe 2+، با تشکیل کربوکسی هموگلوبین:

این تعادل ها به سمت تشکیل کربوکسی هموگلوبین HHbCO منتقل می شوند که پایداری آن 210 برابر بیشتر از اکسی هموگلوبین HHbO2 است. این منجر به تجمع کربوکسی هموگلوبین در خون و در نتیجه کاهش توانایی آن در حمل اکسیژن می شود.

آنیون اسید هیدروسیانیک CN- همچنین حاوی الکترون هایی است که به راحتی قابل پلاریزه شدن هستند، به همین دلیل به طور موثر با فلزات d، از جمله فلزات حیاتی که بخشی از آنزیم ها هستند، کمپلکس هایی را تشکیل می دهد. بنابراین، سیانیدها ترکیبات بسیار سمی هستند (بخش 10.4).

چرخه کربن در طبیعتچرخه کربن در طبیعت عمدتاً بر اساس واکنش های اکسیداسیون و کاهش کربن است (شکل 12.3).

گیاهان (1) مونوکسید کربن (4) را از جو و هیدروسفر جذب می کنند. بخشی از توده گیاهی (2) توسط انسان و حیوانات مصرف می شود. تنفس حیوانات و پوسیدگی بقایای آنها (3) و همچنین تنفس گیاهان، پوسیدگی گیاهان مرده و سوزاندن چوب (4) CO2 را به جو و هیدروسفر باز می گرداند. فرآیند کانی سازی بقایای گیاهان (5) و حیوانات (6) با تشکیل ذغال سنگ نارس، زغال سنگ فسیلی، نفت، گاز منجر به انتقال کربن به منابع طبیعی می شود. واکنش‌های اسید-باز (7) که بین CO2 و سنگ‌های مختلف با تشکیل کربنات‌ها (متوسط، اسید و بازی) انجام می‌شود در یک جهت عمل می‌کنند:

این بخش معدنی چرخه منجر به از دست دادن CO2 در جو و هیدروسفر می شود. فعالیت انسان در سوزاندن و فرآوری زغال سنگ، نفت، گاز (8)، هیزم (4)، برعکس، محیط را با مونوکسید کربن غنی می کند (4). برای مدت طولانی، اعتقاد بر این بود که فتوسنتز غلظت CO2 را در جو ثابت نگه می دارد. با این حال، در حال حاضر، افزایش محتوای CO2 در جو در اثر فعالیت های انسانی با کاهش طبیعی آن جبران نمی شود. انتشار کل CO2 در جو به طور تصاعدی 4-5٪ در سال در حال افزایش است. بر اساس محاسبات، در سال 2000 محتوای CO2 در جو به جای 0.03 درصد (1990) تقریباً به 0.04٪ خواهد رسید.

پس از در نظر گرفتن خواص و ویژگی های ترکیبات حاوی کربن، باید بار دیگر بر نقش اصلی کربن تاکید کرد.

برنج. 12.3.چرخه کربن در طبیعت

ارگانوژن شماره 1: اولاً، اتم های کربن اسکلت مولکول های ترکیبات آلی را تشکیل می دهند. ثانیاً، اتم‌های کربن نقش کلیدی در فرآیندهای ردوکس دارند، زیرا در میان اتم‌های همه ارگانوژن‌ها، برای کربن است که دوگانگی ردوکس بیشتر مشخص است. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد خواص ترکیبات آلی، به بخش IV "مبانی شیمی بیورگانیک" مراجعه کنید.

مشخصات کلی و نقش بیولوژیکی عناصر p گروه IVA.آنالوگ های الکترونیکی کربن عناصر گروه IVA هستند: سیلیکون Si، ژرمانیوم Ge، قلع Sn و سرب سرب (جدول 1.2 را ببینید). شعاع اتمی این عناصر به طور طبیعی با افزایش عدد اتمی افزایش می یابد، در حالی که انرژی یونیزاسیون و الکترونگاتیوی آنها به طور طبیعی در این مورد کاهش می یابد (بخش 1.3). بنابراین، دو عنصر اول گروه: کربن و سیلیکون غیر فلزات معمولی هستند، و ژرمانیوم، قلع، سرب فلزات هستند، زیرا آنها بیشتر با بازگشت الکترون مشخص می شوند. در سری Ge - Sn - Pb خواص فلزی افزایش یافته است.

از نقطه نظر خواص ردوکس، عناصر C، Si، Ge، Sn و Pb در شرایط عادی نسبت به هوا و آب کاملاً پایدار هستند (فلزات Sn و Pb - به دلیل تشکیل یک فیلم اکسید روی سطح). در عین حال، ترکیبات سرب (4) عوامل اکسید کننده قوی هستند:

خواص کمپلکس کنندگی بیشتر مشخصه سرب است، زیرا کاتیون های Pb 2+ آن در مقایسه با کاتیون های سایر عناصر p گروه IVA، عوامل کمپلکس کننده قوی هستند. کاتیون های سرب با بیولیگاندها کمپلکس های قوی تشکیل می دهند.

عناصر گروه IVA هم از نظر محتوای بدن و هم در نقش بیولوژیکی آنها به شدت متفاوت است. کربن نقش اساسی در زندگی ارگانیسم ایفا می کند، جایی که محتوای آن حدود 20٪ است. محتوای موجود در بدن عناصر باقی مانده از گروه IVA در محدوده 10 -6 -10 -3٪ است. در عین حال، اگر سیلیکون و ژرمانیوم بدون شک نقش مهمی در زندگی موجودات زنده دارند، قلع و به ویژه سرب سمی هستند. بنابراین، با افزایش جرم اتمی عناصر گروه IVA، سمیت ترکیبات آنها افزایش می یابد.

گرد و غبار، متشکل از ذرات زغال سنگ یا دی اکسید سیلیکون SiO2، هنگامی که به طور سیستماتیک در معرض ریه ها قرار می گیرد، باعث بیماری - پنوموکونیوز می شود. در مورد گرد و غبار زغال سنگ، این بیماری آنتراکوزیس است که یک بیماری شغلی معدنچیان است. سیلیکوز زمانی رخ می دهد که گرد و غبار حاوی Si02 استنشاق شود. مکانیسم ایجاد پنوموکونیوز هنوز مشخص نشده است. فرض بر این است که در طول تماس طولانی دانه های سیلیکات با مایعات بیولوژیکی، پلی سیلیسیک اسید Si02 yH2O در حالت ژل مانند تشکیل می شود که رسوب آن در سلول ها منجر به مرگ آنها می شود.

اثر سمی سرب از دیرباز برای بشر شناخته شده است. استفاده از سرب برای ساخت ظروف و لوله های آب منجر به مسمومیت دسته جمعی مردم شد. در حال حاضر، سرب همچنان یکی از آلاینده های اصلی زیست محیطی است، زیرا سالانه بیش از 400000 تن ترکیبات سرب در جو آزاد می شود. سرب عمدتاً در اسکلت به شکل فسفات کم محلول Pb3(PO4)2 تجمع می یابد و در حین دمینرالیزاسیون استخوان اثر سمی منظمی بر بدن دارد. بنابراین سرب به عنوان سم تجمعی طبقه بندی می شود. سمیت ترکیبات سرب در درجه اول با خواص کمپلکس کنندگی و میل ترکیبی بالا برای بیولیگاندها، به ویژه آنهایی که حاوی گروه های سولفیدریل (-SH) هستند مرتبط است:

تشکیل ترکیبات پیچیده یون های سرب با پروتئین ها، فسفولیپیدها و نوکلئوتیدها منجر به دناتوره شدن آنها می شود. یون‌های سرب اغلب متالوآنزیم‌های EM 2+ را مهار می‌کنند و کاتیون‌های فلزی حیاتی را از آنها جدا می‌کنند:

سرب و ترکیبات آن سمومی هستند که عمدتاً روی سیستم عصبی، رگ‌های خونی و خون اثر می‌گذارند. در عین حال، ترکیبات سرب بر سنتز پروتئین، تعادل انرژی سلول ها و دستگاه ژنتیکی آنها تأثیر می گذارد.

در پزشکی، آنها به عنوان ضد عفونی کننده خارجی قابض استفاده می شوند: استات سرب Pb (CH3COO) 2 ZH2O (لوسیون های سرب) و سرب (2) اکسید PbO (گچ سرب). یون های سرب این ترکیبات با پروتئین ها (آلبومین ها) سیتوپلاسم سلول ها و بافت های میکروبی واکنش داده و آلبومین های ژل مانند را تشکیل می دهند. تشکیل ژل‌ها میکروب‌ها را از بین می‌برد و علاوه بر این، نفوذ آن‌ها به سلول‌های بافتی را دشوار می‌کند، که پاسخ التهابی موضعی را کاهش می‌دهد.