Va?no polje prakti?ne primjene najnovijih otkri?a u podru?ju fizike, hemije, pa ?ak i astronomije je stvaranje i prou?avanje novih materijala sa neobi?nim, ponekad jedinstvenim svojstvima. O pravcima u kojima se ovi radovi izvode i ?ta su nau?nici ve? uspjeli posti?i, ispri?at ?emo u nizu ?lanaka nastalih u partnerstvu sa Uralskim federalnim univerzitetom. Na? prvi tekst posve?en je neobi?nim materijalima koji se mogu dobiti iz naj?e??e supstance - ugljika.

Ako pitate hemi?ara koji je element najva?niji, mo?ete dobiti mnogo razli?itih odgovora. Neko ?e re?i za vodonik - naj?e??i element u svemiru, neko za kiseonik - naj?e??i element u zemljinoj kori. Ali naj?e??e ?ete ?uti odgovor "ugljik" - on je taj koji je u osnovi svih organskih tvari, od DNK i proteina do alkohola i ugljikovodika.

Na? ?lanak je posve?en raznolikom izgledu ovog elementa: pokazalo se da se desetine razli?itih materijala mogu izgraditi samo od njegovih atoma - od grafita do dijamanta, od karbina do fulerena i nanocijevi. Iako se svi sastoje od potpuno istih atoma ugljika, njihova svojstva su radikalno razli?ita - a raspored atoma u materijalu igra glavnu ulogu u tome.

Grafit

Naj?e??e se u prirodi ?isti ugljik mo?e na?i u obliku grafita - mekog crnog materijala koji se lako lju?ti i ?ini se da je klizav na dodir. Mnogi se mo?da se?aju da su olovke napravljene od grafita - ali to nije uvek ta?no. ?esto je olovo napravljeno od kompozita grafitnih ?ipova i ljepila, ali postoje i potpuno grafitne olovke. Zanimljivo je da se vi?e od jedne dvadesetine svjetske proizvodnje prirodnog grafita tro?i na olovke.

?ta je posebno kod grafita? Prije svega, dobro provodi elektri?nu energiju - iako sam ugljik nije kao drugi metali. Ako uzmemo grafitnu plo?u, ispada da je vodljivost du? njene ravni oko sto puta ve?a nego u popre?nom smjeru. Ovo je direktno povezano s na?inom na koji su atomi ugljika u materijalu organizirani.

Ako pogledamo strukturu grafita, vidjet ?emo da se sastoji od odvojenih slojeva debljine jedan atom. Svaki od slojeva je mre?a ?esterokuta, nalik na sa?e. Atomi ugljenika unutar sloja povezani su kovalentnim hemijskim vezama. ?tavi?e, neki od elektrona koji obezbe?uju hemijsku vezu su "razmazani" po celoj ravni. Lako?a njihovog kretanja odre?uje visoku vodljivost grafita du? ravnine uglji?nih pahuljica.

Odvojeni slojevi su me?usobno povezani zbog van der Waalsovih sila – oni su mnogo slabiji od uobi?ajene hemijske veze, ali dovoljni da osiguraju da se kristal grafita ne rasloji spontano. Takvo neslaganje dovodi do ?injenice da je elektronima mnogo te?e kretati se okomito na ravnine - elektri?ni otpor se pove?ava 100 puta.

Zbog svoje elektri?ne provodljivosti, kao i sposobnosti ugra?ivanja atoma drugih elemenata izme?u slojeva, grafit se koristi kao anode za litijum-jonske baterije i druge izvore struje. Grafitne elektrode su neophodne za proizvodnju metalnog aluminijuma - pa ?ak i trolejbusi koriste grafitne klizne kontakte strujnih kolektora.

Osim toga, grafit je dijamagnet s jednom od najve?ih osjetljivosti po jedinici mase. To zna?i da ako stavite komad grafita u magnetsko polje, onda ?e on na sve mogu?e na?ine poku?ati da izgura ovo polje iz sebe - do te mjere da grafit mo?e levitirati nad dovoljno jakim magnetom.

I posljednje va?no svojstvo grafita je njegova nevjerovatna vatrostalnost. Najvatrostalnija supstanca danas je jedan od hafnijum karbida sa ta?kom topljenja od oko 4000 stepeni Celzijusa. Me?utim, ako poku?ate rastopiti grafit, tada ?e pri pritiscima od oko stotinu atmosfera zadr?ati tvrdo?u do 4800 stupnjeva Celzijusa (pri atmosferskom pritisku grafit sublimira - isparava, zaobilaze?i teku?u fazu). Kao rezultat toga, materijali na bazi grafita se koriste, na primjer, u tijelima mlaznica raketa.

dijamant

Mnogi materijali pod pritiskom po?inju mijenjati svoju atomsku strukturu - dolazi do faznog prijelaza. Grafit se u tom smislu ne razlikuje od ostalih materijala. Pri pritisku od sto hiljada atmosfera i temperaturi od 1-2 hiljade stepeni Celzijusa, slojevi ugljenika po?inju da se pribli?avaju jedan drugom, izme?u njih se pojavljuju hemijske veze, a kada glatke ravni postanu naborane. Nastaje dijamant, jedan od najljep?ih oblika ugljika.

Osobine dijamanta se radikalno razlikuju od svojstava grafita - to je tvrdi prozirni materijal. Izuzetno je te?ko ogrebati (vlasnik 10 na Mohsovoj skali tvrdo?e, ovo je maksimalna tvrdo?a). Istovremeno, elektri?na provodljivost dijamanta i grafita se razlikuje za faktor kvintiliona (ovo je broj sa 18 nula).

Dijamant u stijeni

Wikimedia Commons

Ovo odre?uje upotrebu dijamanata: ve?ina iskopanih i umjetnih dijamanata koristi se u metaloprera?iva?koj i drugim industrijama. Na primjer, rasprostranjeni su brusni to?kovi i rezni alati s dijamantskim prahom ili premazom. Dijamantski premazi se koriste ?ak i u hirurgiji - za skalpele. Upotreba ovog kamenja u industriji nakita svima je dobro poznata.

Nevjerovatna tvrdo?a se koristi i u nau?nim istra?ivanjima - upravo uz pomo? visokokvalitetnih dijamanata laboratoriji prou?avaju materijale pod pritiscima od miliona atmosfera. Vi?e o tome mo?ete pro?itati u na?em materijalu "".

Grafen

Umjesto sabijanja i zagrijavanja grafita, mi ?emo, slijede?i Andreja Geima i Konstantina Novoselova, zalijepiti komad ljepljive trake na kristal grafita. Zatim ga odlijepite - tanak sloj grafita ?e ostati na ljepljivoj traci. Ponovimo ovu operaciju jo? jednom - nanesite traku na tanak sloj i ponovo je skinite. Sloj ?e postati jo? tanji. Ponavljaju?i postupak jo? nekoliko puta, dobijamo grafen - materijal za koji su pomenuti britanski fizi?ari dobili Nobelovu nagradu 2010. godine.

Grafen je ravan monosloj atoma ugljika, potpuno identi?an atomskim slojevima grafita. Njegova popularnost je zbog neobi?nog pona?anja elektrona u njemu. Kre?u se kao da nemaju nikakvu masu. U stvarnosti, naravno, masa elektrona ostaje ista kao u bilo kojoj tvari. Za sve su krivi atomi ugljika grafenskog okvira koji privla?e nabijene ?estice i formiraju posebno periodi?no polje.

Ure?aj na bazi grafena. U pozadini fotografije su zlatni kontakti, iznad njih je grafen, iznad je tanak sloj polimetil metakrilata

In?enjering na Cambridgeu / flickr.com

Posljedica ovakvog pona?anja bila je velika pokretljivost elektrona - oni se kre?u u grafenu mnogo br?e nego u silicijumu. Iz tog razloga, mnogi nau?nici se nadaju da ?e grafen postati osnova elektronike budu?nosti.

Zanimljivo je da grafen ima karbonske kolege - i. Prvi od njih se sastoji od blago izobli?enih petougaonih sekcija i, za razliku od grafena, je lo? provodnik struje. Fagrafen se sastoji od peto-, ?esto- i sedmougaonih sekcija. Ako su svojstva grafena ista u svim smjerovima, tada ?e fagrafen imati izra?enu anizotropiju svojstava. Oba ova materijala su predvi?ena teoretski, ali jo? ne postoje u stvarnosti.

Fragment silikonskog monokristala (u prvom planu) na vertikalnom nizu ugljikovih nanocijevi

uglji?ne nanocijevi

Zamislite da ste umotali mali komad grafena u cijev i zalijepili krajeve zajedno. Rezultat je bila ?uplja struktura, koja se sastojala od istih ?esterokuta atoma ugljika kao grafen i grafit - ugljikova nanocijev. Ovaj materijal je na mnogo na?ina povezan s grafenom - ima visoku mehani?ku ?vrsto?u (nekada je predlo?eno da se u svemir izgradi lift od uglji?nih nanocijevi), veliku pokretljivost elektrona.

Me?utim, postoji jedna neobi?na karakteristika. Grafenski list se mo?e uvrnuti paralelno sa zami?ljenom ivicom (stranom jednog od ?esterokuta) ili pod uglom. Ispostavilo se da ?e na?in na koji uvijamo karbonsku nanocijev uvelike uticati na njena elektronska svojstva, naime: vi?e ?e li?iti na poluvodi? sa zazorom ili metal.

Vi?eslojna karbonska nanocijev

Wikimedia Commons

Nije poznato kada su uglji?ne nanocijevi prvi put uo?ene. Tokom 1950-1980-ih, razli?ite grupe istra?iva?a uklju?enih u katalizu reakcija koje uklju?uju ugljovodonike (na primjer, pirolizu metana) obra?ale su pa?nju na izdu?ene strukture u ?a?i koja je prekrivala katalizator. Sada, kako bi se sintetizirale uglji?ne nanocijevi samo odre?ene vrste (specifi?ne kiralnosti), kemi?ari predla?u kori?tenje posebnih sjemenki. To su male molekule u obliku prstenova, koji se sastoje od heksagonalnih benzenskih prstenova. Mo?ete ?itati o radu na njihovoj sintezi, na primjer,.

Poput grafena, uglji?ne nanocijevi mogu na?i veliku primjenu u mikroelektronici. Ve? su stvoreni prvi tranzistori na bazi nanocijevi, koje su po svojim svojstvima tradicionalni silikonski ure?aji. Osim toga, nanocijevi su ?inile osnovu tranzistora sa.

Karabin

Govore?i o izdu?enim strukturama atoma ugljika, ne mo?e se ne spomenuti karabine. Rije? je o linearnim lancima, koji se, prema teoreti?arima, mogu pokazati kao naj?vr??i mogu?i materijal (govorimo o specifi?noj ?vrsto?i). Na primjer, Youngov modul za karabin se procjenjuje na 10 giganjutona po kilogramu. Za ?elik je ova brojka 400 puta manja, za grafen - najmanje dva puta manja.

Tanka nit koja se prote?e do ?eljezne ?estice ispod - karabina

Wikimedia Commons

Karbini su dvije vrste, ovisno o tome kako su raspore?ene veze izme?u atoma ugljika. Ako su sve veze u lancu iste, onda govorimo o kumulenu, ali ako se veze izmjenjuju (jednostruko-trostruko-jednostruko-trostruko, i tako dalje), onda govorimo o poliini. Fizi?ari su pokazali da se nit karabina mo?e "prebaciti" izme?u ova dva tipa deformacijom - kada se rastegne, kumulen se pretvara u poliin. Zanimljivo je da ovo radikalno mijenja elektri?na svojstva karbina. Ako poliin provodi elektricitet, tada je kumulen dielektrik.

Glavna pote?ko?a u prou?avanju karbina je to ?to ih je vrlo te?ko sintetizirati. To su kemijski aktivne tvari, ?tovi?e, lako se oksidiraju. Danas su lanci dugi samo ?est hiljada atoma. Da bi to postigli, kemi?ari su morali uzgajati karbin unutar karbonske nanocijevi. Osim toga, sinteza karabina pomo?i ?e oboriti rekord veli?ine vrata u tranzistoru - mo?e se svesti na jedan atom.

Fullereni

Iako je heksagon jedna od najstabilnijih konfiguracija koje atomi ugljika mogu formirati, postoji ?itava klasa kompaktnih objekata u kojima se javlja pravilan ugljikov pentagon. Ovi objekti se nazivaju fulereni.

Godine 1985. Harold Kroto, Robert Curl i Richard Smalley istra?ivali su uglji?nu paru i u koje fragmente se atomi ugljika lijepe kada se ohlade. Pokazalo se da postoje dvije klase objekata u gasnoj fazi. Prvi su klasteri koji se sastoje od 2-25 atoma: lanci, prstenovi i druge jednostavne strukture. Drugi su klasteri koji se sastoje od 40-150 atoma, koji ranije nisu uo?eni. Tokom sljede?ih pet godina, kemi?ari su uspjeli dokazati da je ova druga klasa ?uplji okvir atoma ugljika, od kojih se najstabilniji sastojao od 60 atoma i bio je u obliku fudbalske lopte. C 60, ili buckminsterfulleren, sastojao se od dvadeset heksagonalnih sekcija i 12 petougaonih sekcija spojenih zajedno u sferu.

Otkri?e fulerena izazvalo je veliko interesovanje hemi?ara. Nakon toga je sintetizirana neobi?na klasa endofulerena - fulereni, u ?ijoj se ?upljini nalazio neki strani atom ili mala molekula. Na primjer, prije samo godinu dana u fuleren je prvi put uveden molekul fluorovodoni?ne kiseline, ?to je omogu?ilo vrlo precizno odre?ivanje njegovih elektronskih svojstava.

Fulerit - kristali fulerena

Wikimedia Commons

Godine 1991. pokazalo se da su fuleridi - kristali fulerena, u kojima je dio ?upljina izme?u susjednih poliedara zauzet metalima - molekularni supravodi?i s rekordno visokom prijelaznom temperaturom za ovu klasu, odnosno 18 kelvina (za K 3 C 60). Kasnije su prona?eni fuleridi sa jo? vi?om prelaznom temperaturom - 33 kelvina, Cs 2 RbC 60 . Pokazalo se da su takva svojstva direktno povezana s elektronskom strukturom materije.

Q-ugljik

Me?u nedavno otkrivenim oblicima ugljika mo?e se uo?iti takozvani Q-ugljik. Bio je prvi ameri?ki nau?nik o materijalima sa Univerziteta Sjeverne Karoline 2015. Nau?nici su zra?ili amorfni ugljenik sna?nim laserom, lokalno zagrevaju?i materijal na 4000 stepeni Celzijusa. Kao rezultat toga, oko ?etvrtine svih atoma ugljika u supstanci zauzelo je sp 2 hibridizaciju, odnosno isto elektronsko stanje kao u grafitu. Preostali atomi Q-ugljika zadr?ali su hibridizacijske karakteristike dijamanta.

Q-ugljik

Za razliku od dijamanta, grafita i drugih oblika ugljika, Q-ugljik je feromagnet kao ?to je magnetit ili ?eljezo. Istovremeno, njegova Curie temperatura bila je oko 220 stepeni Celzijusa - samo s takvim zagrijavanjem materijal je izgubio svoja magnetna svojstva. A kada je Q-ugljenik dopiran borom, fizi?ari su dobili jo? jedan uglji?ni supravodi?, s prijelaznom temperaturom od oko 58 kelvina.

***

Nisu navedeni svi poznati oblici ugljika. ?tavi?e, upravo sada teoreti?ari i eksperimentatori stvaraju i prou?avaju nove karbonske materijale. Konkretno, takav posao se obavlja na Uralskom federalnom univerzitetu. Obratili smo se Anatoliju Fedorovi?u Zacepinu, vanrednom profesoru i glavnom istra?iva?u na Institutu za fiziku i tehnologiju Uralskog federalnog univerziteta, kako bismo otkrili kako predvidjeti svojstva jo? nesintetiziranih materijala i stvoriti nove oblike ugljika.

Anatolij Zacepin radi na jednom od ?est prodornih nau?nih projekata Uralskog federalnog univerziteta „Razvoj osnovnih principa novih funkcionalnih materijala zasnovanih na niskodimenzionalnim modifikacijama ugljenika“. Rad se izvodi sa akademskim i industrijskim partnerima u Rusiji i svijetu.

Projekat implementira Institut za fiziku i tehnologiju UrFU, strate?ka akademska jedinica (SAU) univerziteta. Polo?aj univerziteta na ruskim i me?unarodnim rang listama, prvenstveno u predmetnim oblastima, zavisi od uspjeha istra?iva?a.

N+1: Svojstva ugljeni?nih nanomaterijala su veoma zavisna od strukture i veoma variraju. Da li je mogu?e unaprijed nekako predvidjeti svojstva materijala iz njegove strukture?

Anatolij Zacepin: Mogu?e je predvidjeti i mi to radimo. Postoje metode kompjuterske simulacije koje izvode prora?une prvog principa ( ab initio) - postavljamo odre?enu strukturu, model i uzimamo sve fundamentalne karakteristike atoma koji ?ine ovu strukturu. Kao rezultat, dobijaju se ona svojstva koja materijal ili nova tvar koju modeliramo mo?e imati. Konkretno, u pogledu ugljika, uspjeli smo modelirati nove modifikacije koje nisu poznate prirodi. Mogu se stvoriti umjetno.

Konkretno, na?a laboratorija na Uralskom federalnom univerzitetu trenutno razvija, sinteti?e i istra?uje svojstva nove vrste ugljika. Mo?e se nazvati na sljede?i na?in: dvodimenzionalno ure?eni linearni lanac ugljenika. Tako dugo ime je zbog ?injenice da je ovaj materijal takozvana 2D struktura. To su filmovi sastavljeni od odvojenih ugljikovih lanaca, a unutar svakog lanca atomi ugljika su u istom “hemijskom obliku” - sp 1 hibridizacija. Ovo daje potpuno neobi?na svojstva materijala; u sp 1 -uglji?nim lancima, ?vrsto?a prema?uje snagu dijamanta i drugih uglji?nih modifikacija.

Kada od ovih lanaca formiramo filmove, dobija se novi materijal koji ima svojstva svojstvena uglji?nim lancima, plus kombinacija ovih ure?enih lanaca formira dvodimenzionalnu strukturu ili superre?etku na posebnoj podlozi. Takav materijal ima velike izglede ne samo zbog svojih mehani?kih svojstava. Ono ?to je najva?nije, uglji?ni lanci u odre?enoj konfiguraciji mogu se zatvoriti u prsten i nastaju vrlo zanimljiva svojstva, poput supravodljivosti, a magnetska svojstva takvih materijala mogu biti bolja od postoje?ih feromagneta.

Ostaje izazov stvarno ih stvoriti. Na?a simulacija pokazuje put kojim treba i?i.

Koliko se stvarna i predvi?ena svojstva materijala razlikuju?

Gre?ka uvijek postoji, ali ?injenica je da prvi principi prora?una i modeliranja koriste fundamentalne karakteristike pojedina?nih atoma - kvantna svojstva. A kada se strukture formiraju od ovih kvantnih atoma na takvom mikro- i nanorazini, onda su gre?ke povezane s postoje?im ograni?enjem teorije i onih modela koji postoje. Na primjer, poznato je da se Schr?dingerova jedna?ina mo?e ta?no rije?iti samo za atom vodonika, dok se za te?e atome moraju koristiti odre?ene aproksimacije ako je rije? o ?vrstim tvarima ili slo?enijim sistemima.

S druge strane, gre?ke mogu nastati zbog kompjuterskih prora?una. Uz sve to, velike gre?ke su isklju?ene, a ta?nost je sasvim dovoljna da se predvidi jedno ili drugo svojstvo ili efekat koji ?e biti svojstven datom materijalu.

Koliko se materijala mo?e predvidjeti na takve na?ine?

?to se ti?e karbonskih materijala, postoji mnogo varijacija, a siguran sam da jo? mnogo toga nije istra?eno i otkriveno. UrFU ima sve za istra?ivanje novih karbonskih materijala, a pred nama je puno posla.

Bavimo se i drugim objektima, na primjer, silicijumskim materijalima za mikroelektroniku. Silicijum i ugljenik su, ina?e, analozi, u istoj su grupi u periodnom sistemu.

Vladimir Korolev

Sadr?aj ?lanka

UGLJENIK, C (karboneum), nemetalni hemijski element grupe IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) Periodnog sistema elemenata. U prirodi se javlja u obliku kristala dijamanata (sl. 1), grafita ili fulerena i drugih oblika i dio je organskih (ugalj, nafta, ?ivotinjski i biljni organizmi itd.) i neorganskih tvari (kre?njak, soda bikarbona itd.). .).

Ugljik je ?iroko rasprostranjen, ali njegov sadr?aj u zemljinoj kori iznosi samo 0,19%.

Ugljik se ?iroko koristi u obliku jednostavnih supstanci. Osim dragocjenih dijamanata, koji su predmet nakita, od velikog su zna?aja i industrijski dijamanti - za izradu alata za bru?enje i rezanje.

Drveni ugalj i drugi amorfni oblici ugljenika koriste se za dekolorizaciju, pre?i??avanje, adsorpciju gasova, u oblastima tehnike gde su potrebni adsorbenti sa razvijenom povr?inom. Karbidi, spojevi ugljika sa metalima, kao i sa borom i silicijumom (na primjer, Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) odlikuju se velikom tvrdo?om i koriste se za izradu abrazivnih i reznih alata. Ugljik je prisutan u ?elicima i legurama u elementarnom stanju iu obliku karbida. Zasi?enje povr?ine ?eli?nih odlivaka ugljenikom pri visokoj temperaturi (cementacija) zna?ajno pove?ava povr?insku tvrdo?u i otpornost na habanje. vidi tako?e LEGURE.

U prirodi postoji mnogo razli?itih oblika grafita; neki su dobijeni umjetno; dostupni su amorfni oblici (npr. koks i drveni ugalj). ?a?, ko?tani ugljen, crna lampa, acetilenska crna nastaju kada se ugljovodonici sagorevaju u nedostatku kiseonika. Takozvani bijeli ugljik dobiveni sublimacijom piroliti?kog grafita pod sni?enim tlakom - to su najmanji prozirni kristali listova grafita sa ?iljastim rubovima.

Istorijat.

Grafit, dijamant i amorfni ugljenik poznati su od antike. Odavno je poznato da se grafitom mo?e ozna?iti i drugi materijal, a sam naziv "grafit", koji dolazi od gr?ke rije?i koja zna?i "pisati", predlo?io je A. Werner 1789. godine. Me?utim, povijest grafita je zbunjeni, ?esto su se za njega zamijenile tvari sa sli?nim vanjskim fizi?kim svojstvima, kao ?to je molibdenit (molibden sulfid), koji se nekada smatrao grafitom. Drugi nazivi za grafit uklju?uju "crno olovo", "gvozdeni karbid", "srebrno olovo". Godine 1779. K. Scheele je otkrio da se grafit mo?e oksidirati zrakom i formirati uglji?ni dioksid.

Po prvi put, dijamanti su na?li upotrebu u Indiji, au Brazilu je drago kamenje dobilo komercijalni zna?aj 1725. godine; nalazi?ta u Ju?noj Africi otkrivena su 1867. U 20. vijeku. Glavni proizvo?a?i dijamanata su Ju?na Afrika, Zair, Bocvana, Namibija, Angola, Sijera Leone, Tanzanija i Rusija. Umjetni dijamanti, ?ija je tehnologija stvorena 1970. godine, proizvode se u industrijske svrhe.

Alotropija.

Ako su strukturne jedinice supstance (atomi za monoatomske elemente ili molekule za poliatomske elemente i spojeve) u stanju da se kombinuju jedna s drugom u vi?e od jednog kristalnog oblika, ovaj fenomen se naziva alotropija. Ugljik ima tri alotropne modifikacije - dijamant, grafit i fuleren. U dijamantu, svaki atom ugljika ima 4 tetraedarsko locirana susjeda, formiraju?i kubi?nu strukturu (slika 1, a). Ova struktura odgovara maksimalnoj kovalenciji veze, a sva 4 elektrona svakog atoma ugljika formiraju C–C veze visoke ?vrsto?e, tj. u strukturi nema elektrona provodljivosti. Stoga se dijamant odlikuje nedostatkom vodljivosti, niskom toplinskom provodljivo??u, visokom tvrdo?om; to je najte?a poznata supstanca (slika 2). Prekidanje C–C veze (du?ina veze 1,54 ?, dakle kovalentni radijus 1,54/2 = 0,77 ?) u tetraedarskoj strukturi zahtijeva puno energije, pa se dijamant, uz izuzetnu tvrdo?u, odlikuje visokom ta?kom topljenja (3550°C). °C).

Drugi alotropni oblik ugljika je grafit, koji se po svojstvima veoma razlikuje od dijamanta. Grafit je mekana crna tvar kristala koji se lako lju?te, karakterizira dobra elektri?na provodljivost (elektri?ni otpor 0,0014 Ohm cm). Zbog toga se grafit koristi u lu?nim lampama i pe?ima (slika 3), u kojima je potrebno stvarati visoke temperature. Grafit visoke ?isto?e se koristi u nuklearnim reaktorima kao moderator neutrona. Njegova ta?ka topljenja pri povi?enom pritisku je 3527°C. Pri normalnom pritisku grafit sublimira (prelazi iz ?vrstog stanja u gas) na 3780°C.

Grafitna struktura (sl. 1, b) je sistem spojenih heksagonalnih prstenova sa du?inom veze od 1,42 ? (zna?ajno kra?i nego u dijamantu), ali svaki atom ugljika ima tri (a ne ?etiri, kao u dijamantu) kovalentne veze sa tri susjeda, i ?etvrtu vezu (3,4 ?) je preduga?ak za kovalentnu vezu i slabo ve?e paralelno naslagane slojeve grafita jedan za drugi. To je ?etvrti elektron ugljika koji odre?uje toplinsku i elektri?nu provodljivost grafita - ova du?a i manje jaka veza stvara grafit manje kompaktan, ?to se ogleda u njegovoj manjoj tvrdo?i u odnosu na dijamant (gustina grafita je 2,26 g/cm 3, dijamant - 3,51 g /cm 3). Iz istog razloga, grafit je klizav na dodir i lako odvaja ljuspice supstance, koja se koristi za pravljenje maziva i olovke. Olovni sjaj olova je uglavnom zbog prisustva grafita.

Uglji?na vlakna imaju visoku ?vrsto?u i mogu se koristiti za izradu rajona ili drugih visokouglji?nih pre?a.

Pri visokom pritisku i temperaturi, u prisustvu katalizatora kao ?to je gvo??e, grafit se mo?e pretvoriti u dijamant. Ovaj proces je implementiran za industrijsku proizvodnju umjetnih dijamanata. Kristali dijamanata rastu na povr?ini katalizatora. Grafit-dijamantska ravnote?a postoji na 15.000 atm i 300 K ili na 4.000 atm i 1.500 K. Vje?ta?ki dijamanti se tako?e mogu dobiti iz ugljovodonika.

Amorfni oblici ugljika koji ne stvaraju kristale uklju?uju drveni ugalj dobiven zagrijavanjem drveta bez pristupa zraka, lampu i plinsku ?a? koja nastaje pri niskotemperaturnom sagorijevanju ugljovodonika uz nedostatak zraka i kondenzira se na hladnoj povr?ini, ko?tani ugalj je primjesa kalcijum fosfat u procesu destrukcije ko?tanog tkiva, kao i ugalj (prirodna supstanca sa ne?isto?ama) i koks, suhi ostatak koji se dobija koksom goriva suhom destilacijom ugljenih ili naftnih ostataka (bitumenski ugljevi), tj. grejanje bez vazduha. Koks se koristi za topljenje ?eljeza, u crnoj i obojenoj metalurgiji. Prilikom koksovanja nastaju i gasoviti proizvodi - koksni gas (H 2 , CH 4 , CO i dr.) i hemijski proizvodi koji su sirovina za proizvodnju benzina, boja, ?ubriva, lekova, plastike itd. Shema glavnog ure?aja za proizvodnju koksa - koksne pe?i - prikazana je na sl. 3.

Razli?ite vrste uglja i ?a?i odlikuju se razvijenom povr?inom i stoga se koriste kao adsorbenti za pro?i??avanje plinova i teku?ina, kao i katalizatori. Za dobivanje razli?itih oblika ugljika koriste se posebne metode kemijske tehnologije. Umjetni grafit se dobiva kalciniranjem antracita ili petrolej koksa izme?u uglji?nih elektroda na 2260°C (Achesonov proces) i koristi se u proizvodnji maziva i elektroda, posebno za elektroliti?ku proizvodnju metala.

Struktura atoma ugljika.

Jezgro najstabilnijeg izotopa ugljika mase 12 (98,9% zastupljenosti) ima 6 protona i 6 neutrona (12 nukleona) raspore?enih u tri kvarteta, od kojih svaki sadr?i 2 protona i dva neutrona, sli?no jezgru helijuma. Drugi stabilni izotop ugljika je 13 C (oko 1,1%), a nestabilni izotop 14 C postoji u prirodi u tragovima sa polu?ivotom od 5730 godina, ?to je b-zra?enje. Sva tri izotopa u obliku CO 2 u?estvuju u normalnom ciklusu ugljika ?ive tvari. Nakon smrti ?ivog organizma, potro?nja ugljika prestaje i objekti koji sadr?e C mogu se datirati mjerenjem nivoa radioaktivnosti 14 C. Smanjenje b-zra?enje 14 CO 2 proporcionalno je vremenu koje je proteklo od smrti. Godine 1960. W. Libby je dobio Nobelovu nagradu za istra?ivanje radioaktivnog ugljika.

U osnovnom stanju, 6 elektrona ugljika formiraju elektronsku konfiguraciju od 1 s 2 2s 2 2px 1 2py 1 2pz 0 . ?etiri elektrona drugog nivoa su valentna, ?to odgovara polo?aju ugljika u IVA grupi periodnog sistema ( cm. PERIODI?NA TABELA ELEMENTA). Budu?i da je za odvajanje elektrona od atoma u plinovitoj fazi potrebna velika energija (oko 1070 kJ/mol), ugljik ne stvara ionske veze s drugim elementima, jer bi to zahtijevalo odvajanje elektrona sa formiranjem pozitivnog ion. Sa elektronegativno??u od 2,5, ugljenik ne pokazuje jak afinitet prema elektronu, pa stoga nije aktivan akceptor elektrona. Stoga nije sklon formiranju ?estice s negativnim nabojem. Ali s djelomi?no jonskom prirodom veze, postoje neka jedinjenja ugljika, na primjer, karbidi. U jedinjenjima, ugljenik pokazuje oksidaciono stanje 4. Da bi ?etiri elektrona mogla da u?estvuju u formiranju veza, potrebno je rasparivanje 2 s-elektrona i skok jednog od ovih elektrona za 2 pz-orbitalna; u ovom slu?aju se formiraju 4 tetraedarske veze sa uglom izme?u njih od 109°. U jedinjenjima, valentni elektroni ugljika su samo djelomi?no odvu?eni od njega, tako da ugljik formira jake kovalentne veze izme?u susjednih atoma C–C tipa koriste?i zajedni?ki elektronski par. Energija kidanja takve veze je 335 kJ/mol, dok je za Si–Si vezu samo 210 kJ/mol, pa su dugi –Si–Si– lanci nestabilni. Kovalentna priroda veze je zadr?ana ?ak i u spojevima visoko reaktivnih halogena sa ugljikom, CF 4 i CCl 4 . Atomi ugljenika su sposobni da obezbede vi?e od jednog elektrona iz svakog atoma ugljenika za formiranje veze; tako se formiraju dvostruke C=C i trostruke C?C veze. Drugi elementi tako?er formiraju veze izme?u svojih atoma, ali samo ugljik mo?e formirati duge lance. Stoga je poznato na hiljade spojeva za ugljik, koji se nazivaju ugljovodonici, u kojima je ugljik vezan za vodonik i druge atome ugljika, formiraju?i duge lance ili prstenaste strukture. Cm. HEMIJA ORGANSKA.

U ovim jedinjenjima mogu?a je zamjena vodika drugim atomima, naj?e??e kisikom, du?ikom i halogenima, uz stvaranje mnogih organskih spojeva. Me?u njima va?no mjesto zauzimaju fluorougljikohidrati, ugljovodonici u kojima je vodonik zamijenjen fluorom. Ovakva jedinjenja su izuzetno inertna, a koriste se kao plastika i maziva (fluorougljikohidrati, tj. ugljovodonici u kojima su svi atomi vodika zamenjeni atomima fluora) i kao rashladna sredstva na niskim temperaturama (freoni, odnosno freoni, - fluorohlorougljikovodici).

Osamdesetih godina pro?log vijeka ameri?ki fizi?ari su otkrili vrlo zanimljive spojeve ugljika u kojima su atomi ugljika povezani u 5 ili 6-kuta, formiraju?i molekulu C 60 u obliku ?uplje lopte sa savr?enom simetrijom fudbalske lopte. Budu?i da takav dizajn le?i u osnovi "geodetske kupole" koju je izumio ameri?ki arhitekta i in?enjer Buckminster Fuller, nova klasa spojeva nazvana je "buckminsterfullerenes" ili "fullereni" (i tako?er, kra?e, "fasiballs" ili "buckyballs"). Fullereni - tre?a modifikacija ?istog ugljika (osim dijamanta i grafita), koja se sastoji od 60 ili 70 (pa i vi?e) atoma - dobivena je djelovanjem laserskog zra?enja na najmanje ?estice ugljika. Fulereni slo?enijeg oblika sastoje se od nekoliko stotina atoma ugljika. Pre?nik C 60 molekula je ~ 1 nm. U sredi?tu takve molekule ima dovoljno prostora da primi veliki atom uranijuma.

standardne atomske mase.

Godine 1961. Me?unarodne unije za ?istu i primijenjenu hemiju (IUPAC) iu fizici su usvojile masu izotopa ugljika 12 C kao jedinicu atomske mase, ukinuv?i prethodno postoje?u skalu atomskih masa kisika. Atomska masa ugljenika u ovom sistemu je 12,011, jer je to prosek za tri prirodna izotopa ugljenika, uzimaju?i u obzir njihovu zastupljenost u prirodi. Cm. ATOMSKA MASA.

Hemijska svojstva ugljika i nekih njegovih spojeva.

Neka fizi?ka i hemijska svojstva ugljenika data su u ?lanku HEMIJSKI ELEMENTI. Reaktivnost ugljenika zavisi od njegove modifikacije, temperature i disperzije. Na niskim temperaturama, svi oblici ugljika su prili?no inertni, ali kada se zagriju, oksidiraju se atmosferskim kisikom, stvaraju?i okside:

Fino dispergovani ugljenik u vi?ku kiseonika mo?e da eksplodira kada se zagreje ili od iskre. Osim direktne oksidacije, postoje modernije metode za dobivanje oksida.

suboksidni ugljenik

C 3 O 2 nastaje tokom dehidracije malonske kiseline preko P 4 O 10:

C 3 O 2 ima neprijatan miris, lako se hidrolizira, ponovno formiraju?i malonsku kiselinu.

Ugljen monoksid(II) CO nastaje tokom oksidacije bilo koje modifikacije ugljenika u odsustvu kiseonika. Reakcija je egzotermna, osloba?a se 111,6 kJ/mol. Koks na bijeloj vatri reaguje sa vodom: C + H 2 O = CO + H 2; nastala gasna me?avina naziva se "vodeni gas" i predstavlja gasovito gorivo. CO tako?e nastaje nepotpunim sagorevanjem naftnih derivata, nalazi se u zna?ajnim koli?inama u automobilskim izduvnim gasovima, a dobija se termi?kom disocijacijom mravlje kiseline:

Oksidacijsko stanje ugljika u CO je +2, a budu?i da je ugljik stabilniji u oksidacionom stanju +4, CO se lako oksidira kisikom u CO 2: CO + O 2 -> CO 2, ova reakcija je vrlo egzotermna (283 kJ / mol). CO se u industriji koristi u mje?avini sa H 2 i drugim zapaljivim plinovima kao gorivo ili plinoviti redukcijski agens. Kada se zagrije na 500°C, CO stvara C i CO2 u zna?ajnoj mjeri, ali na 1000°C uspostavlja se ravnote?a pri niskim koncentracijama CO2. CO reaguje sa hlorom, formiraju?i fozgen - COCl 2, reakcije sa drugim halogenima se odvijaju sli?no, u reakciji sa sumporom nastaje karbonil sulfid COS, sa metalima (M) CO formira karbonile razli?itog sastava M (CO) x, koji su kompleksna jedinjenja. Karbonil gvo??a nastaje interakcijom hemoglobina u krvi sa CO, spre?avaju?i reakciju hemoglobina sa kiseonikom, budu?i da je karbonil gvo??a ja?e jedinjenje. Kao rezultat toga, blokira se funkcija hemoglobina kao prijenosnika kisika stanicama, koje potom umiru (i prije svega zahva?ene su mo?dane stanice). (Odavde drugi naziv za CO - "ugljen monoksid"). Ve? 1% (vol.) CO u zraku je opasno za ?ovjeka ako se nalazi u takvoj atmosferi du?e od 10 minuta. Neka fizi?ka svojstva CO su data u tabeli.

Uglji?ni dioksid ili uglji?ni monoksid (IV) CO 2 nastaje tokom sagorevanja elementarnog ugljenika u vi?ku kiseonika uz osloba?anje toplote (395 kJ/mol). CO 2 (trivijalni naziv je “uglji?ni dioksid”) tako?er nastaje prilikom potpune oksidacije CO, naftnih derivata, benzina, ulja i drugih organskih spojeva. Kada se karbonati otapaju u vodi, CO 2 se tako?er osloba?a kao rezultat hidrolize:

Ova reakcija se ?esto koristi u laboratorijskoj praksi za dobijanje CO 2 . Ovaj plin se tako?er mo?e dobiti kalcinacijom metalnih bikarbonata:

u interakciji u gasnoj fazi pregrijane pare sa CO:

pri sagorijevanju ugljikovodika i njihovih derivata kisika, na primjer:

Sli?no, prehrambeni proizvodi se oksidiraju u ?ivom organizmu uz osloba?anje toplinske i drugih vrsta energije. U ovom slu?aju, oksidacija se odvija u blagim uslovima kroz me?ufaze, ali su krajnji proizvodi isti - CO 2 i H 2 O, kao na primer pri razgradnji ?e?era pod dejstvom enzima, posebno tokom fermentacije. glukoze:

Proizvodnja uglji?nog dioksida i metalnih oksida u velikim tonama odvija se u industriji termi?kom razgradnjom karbonata:

CaO se koristi u velikim koli?inama u tehnologiji proizvodnje cementa. Termi?ka stabilnost karbonata i potro?nja topline za njihovu razgradnju prema ovoj shemi pove?avaju se u seriji CaCO 3 ( vidi tako?e PREVENCIJA PO?ARA I ZA?TITA OD PO?ARA).

Elektronska struktura uglji?nih oksida.

Elektronska struktura bilo kojeg uglji?nog monoksida mo?e se opisati s tri jednakovjerovatne sheme s razli?itim rasporedom elektronskih parova - tri rezonantna oblika:

Svi oksidi ugljika imaju linearnu strukturu.

Ugljena kiselina.

Kada CO 2 stupi u interakciju s vodom, nastaje uglji?na kiselina H 2 CO 3. U zasi?enom rastvoru CO 2 (0,034 mol/l), samo deo molekula formira H 2 CO 3, a ve?ina CO 2 je u hidratizovanom stanju CO 2 CHH 2 O.

Karbonati.

Karbonati nastaju interakcijom metalnih oksida sa CO 2, na primjer, Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

Sa izuzetkom karbonata alkalnih metala, ostali su prakti?no netopivi u vodi, a kalcijum karbonat je delimi?no rastvorljiv u uglji?noj kiselini ili rastvoru CO 2 u vodi pod pritiskom:

Ovi procesi se odvijaju u podzemnim vodama koje teku kroz sloj kre?njaka. U uslovima niskog pritiska i isparavanja, CaCO 3 se talo?i iz podzemnih voda koje sadr?e Ca(HCO 3) 2 . Tako rastu stalaktiti i stalagmiti u pe?inama. Boja ovih zanimljivih geolo?kih formacija obja?njava se prisustvom ne?isto?a iona gvo??a, bakra, mangana i hroma u vodama. Uglji?ni dioksid reagira s metalnim hidroksidima i njihovim otopinama kako bi se formirali hidrokarbonati, na primjer:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

CCl 4 tetrahlorid je nezapaljiva supstanca, koristi se kao rastvara? u procesima hemijskog ?i??enja, ali se ne preporu?uje da se koristi kao usporiva? plamena, jer na visokoj temperaturi stvara otrovni fosgen (gasna otrovna tvar). CCl 4 sam po sebi je tako?er otrovan i, ako se udi?e u zna?ajnim koli?inama, mo?e uzrokovati trovanje jetre. CCl 4 tako?e nastaje fotohemijskom reakcijom izme?u metana CH 4 i Cl 2; u ovom slu?aju mogu?e je stvaranje produkata nepotpune hloracije metana - CHCl 3 , CH 2 Cl 2 i CH 3 Cl. Reakcije se odvijaju sli?no i sa drugim halogenima.

grafitne reakcije.

Grafit kao modifikacija ugljika, koju karakteriziraju velike udaljenosti izme?u slojeva heksagonalnih prstenova, ulazi u neobi?ne reakcije, na primjer, alkalni metali, halogeni i neke soli (FeCl 3) prodiru izme?u slojeva, formiraju?i spojeve KC 8, KC 16 (koji se nazivaju intersticijski, inkluzioni ili klatrati). Jaka oksidaciona sredstva kao ?to je KClO 3 u kiseloj sredini (sumporna ili azotna kiselina) formiraju supstance velikog volumena kristalne re?etke (do 6 ? izme?u slojeva), ?to se obja?njava uvo?enjem atoma kiseonika i formiranjem jedinjenja, na na ?ijoj povr?ini se, kao rezultat oksidacije, pojavljuju karboksilne grupe (–COOH) - spojevi poput oksidiranog grafita ili melitne (benzenheksakarboksilne) kiseline C 6 (COOH) 6. U ovim jedinjenjima, omjer C:O mo?e varirati od 6:1 do 6:2,5.

Karbidi.

Ugljik sa metalima, borom i silicijumom stvara razli?ite spojeve koji se nazivaju karbidi. Najaktivniji metali (IA–IIIA podgrupe) formiraju karbide sli?ne solima, na primjer, Na 2 C 2 , CaC 2 , Mg 4 C 3 , Al 4 C 3 . U industriji se kalcijev karbid dobija iz koksa i kre?njaka slede?im reakcijama:

Karbidi su neprovodni, gotovo bezbojni, hidroliziraju se u ugljovodonike, na primjer

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

Acetilen C 2 H 2 nastao reakcijom slu?i kao sirovina u proizvodnji mnogih organskih tvari. Ovaj proces je zanimljiv jer predstavlja prelazak sa sirovina neorganske prirode na sintezu organskih jedinjenja. Karbidi koji formiraju acetilen hidrolizom nazivaju se acetilidi. U karbidima silicijuma i bora (SiC i B 4 C), veza izme?u atoma je kovalentna. Prelazni metali (elementi B-podgrupe) kada se zagrevaju ugljenikom tako?e formiraju karbide promenljivog sastava u pukotinama na povr?ini metala; veza u njima je bliska metalnoj. Neki karbidi ovog tipa, kao ?to su WC, W 2 C, TiC i SiC, odlikuju se velikom tvrdo?om i vatrostalno??u, te imaju dobru elektri?nu provodljivost. Na primjer, NbC, TaC i HfC su najvatrostalnije tvari (mp = 4000–4200 °C), diniobij karbid Nb 2 C je supravodnik na 9,18 K, TiC i W 2 C su po tvrdo?i bliski dijamantu, a tvrdo?a B 4 C (strukturni analog dijamanta) je 9,5 na Mohsovoj skali ( cm. pirina?. 2). Inertni karbidi nastaju ako je polumjer prijelaznog metala

Azotni derivati ugljika.

Ova grupa uklju?uje ureu NH 2 CONH 2 - azotno ?ubrivo koje se koristi u obliku rastvora. Urea se dobija iz NH 3 i CO 2 kada se zagrije pod pritiskom:

Cijanogen (CN) 2 je po mnogim svojstvima sli?an halogenima i ?esto se naziva pseudohalogen. Cijanid se dobija blagom oksidacijom cijanidnog jona kiseonikom, vodonik peroksidom ili Cu 2+ jonom: 2CN - ® (CN) 2 + 2e.

Jon cijanida, kao donor elektrona, lako formira kompleksna jedinjenja sa ionima prelaznih metala. Kao i CO, jon cijanida je otrov, koji vezuje vitalna jedinjenja gvo??a u ?ivom organizmu. Joni kompleksa cijanida imaju op?u formulu -0,5 x, gdje X je koordinacijski broj metala (sredstva za kompleksiranje), empirijski jednak dvostrukoj vrijednosti oksidacijskog stanja iona metala. Primjeri takvih kompleksnih jona su (struktura nekih jona je data u nastavku) tetracijano-nikelat (II) -ion 2–, heksacijanoferat (III) 3–, dicijanoargentat -:

Karbonili.

Ugljenmonoksid mo?e direktno reagovati sa mnogim metalima ili ionima metala, formiraju?i kompleksna jedinjenja koja se nazivaju karbonili, kao ?to su Ni(CO) 4 , Fe(CO) 5 , Fe 2 (CO) 9 , 3 , Mo(CO) 6 , 2 . Veza u ovim jedinjenjima je sli?na vezi u gore opisanim cijano kompleksima. Ni(CO) 4 je isparljiva tvar koja se koristi za odvajanje nikla od drugih metala. Propadanje strukture lijevanog ?eljeza i ?elika u strukturama ?esto je povezano s stvaranjem karbonila. Vodik mo?e biti dio karbonila, formiraju?i karbonil hidride, kao ?to su H 2 Fe (CO) 4 i HCo (CO) 4, koji pokazuju kisela svojstva i reagiraju sa alkalijama:

H 2 Fe(CO) 4 + NaOH -> NaHFe(CO) 4 + H 2 O

Poznati su i karbonil halogenidi, na primjer Fe (CO) X 2, Fe (CO) 2 X 2, Co (CO) I 2, Pt (CO) Cl 2, gdje je X bilo koji halogen.

Ugljovodonici.

Poznat je ogroman broj spojeva ugljika sa vodonikom

Organska hemija je hemija atoma ugljenika. Broj organskih jedinjenja je desetine puta ve?i od neorganskih, ?to se samo mo?e objasniti karakteristike atoma ugljenika :

a) on je unutra sredina skale elektronegativnosti i drugi period, stoga mu je neisplativo davati svoje i prihvatati tu?e elektrone i ste?i pozitivan ili negativan naboj;

b) posebna struktura elektronske ljuske - nema elektronskih parova i slobodnih orbitala (postoji jo? samo jedan atom sli?ne strukture - vodonik, zbog ?ega ugljik i vodonik vjerovatno formiraju toliko jedinjenja - ugljovodonika).

Elektronska struktura atoma ugljika

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

grafi?ki:

Pobu?eni atom ugljika ima sljede?u elektronsku formulu:

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

U obliku ?elija:

Oblik s- i p-orbitala

atomska orbitala - podru?je prostora u kojem ?e se najvjerovatnije na?i elektron, sa odgovaraju?im kvantnim brojevima.

To je trodimenzionalna elektronska "mapa kontura" u kojoj valna funkcija odre?uje relativnu vjerovatno?u pronalaska elektrona u datoj ta?ki orbite.

Relativna veli?ina atomskih orbitala raste kako se pove?ava njihova energija ( glavni kvantni broj- n), a njihov oblik i orijentaciju u prostoru odre?uju kvantni brojevi l i m. Elektrone u orbitalama karakteri?e spin kvantni broj. Svaka orbitala ne mo?e sadr?avati vi?e od 2 elektrona sa suprotnim spinovima.

Kada se formiraju veze sa drugim atomima, atom ugljika transformi?e svoju elektronsku ljusku tako da se formiraju najja?e veze, a samim tim se osloba?a ?to je mogu?e vi?e energije, a sistem dobija najve?u stabilnost.

Za promjenu elektronske ljuske atoma potrebna je energija, koja se zatim kompenzira stvaranjem ja?ih veza.

Transformacija elektronske ljuske (hibridizacija) mo?e biti uglavnom od 3 vrste, ovisno o broju atoma s kojima atom ugljika stvara veze.

Vrste hibridizacije:

sp 3 – atom stvara veze sa 4 susjedna atoma (tetraedarska hibridizacija):

Elektronska formula sp 3 - hibridni atom ugljika:

*S –1s 2 2(sp 3) 4 u obliku ?elija

Ugao veze izme?u hibridnih orbitala je ~109°.

Stereohemijska formula atoma ugljika:

sp 2 – Hibridizacija (valentno stanje)– atom stvara veze sa 3 susjedna atoma (trigonalna hibridizacija):

Elektronska formula sp 2 - hibridni atom ugljika:

*S –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 u obliku ?elija

Ugao veze izme?u hibridnih orbitala je ~120°.

Stereohemijska formula sp 2 - hibridni atom ugljika:

sp– Hibridizacija (valentno stanje) - atom formira veze sa 2 susjedna atoma (linearna hibridizacija):

Elektronska formula sp je hibridni atom ugljika:

*S –1s 2 2(sp) 2 2p 2 u obliku ?elija

Ugao veze izme?u hibridnih orbitala je ~180°.

Stereohemijska formula:

S-orbitala je uklju?ena u sve vrste hibridizacije, jer ima minimum energije.

Preure?enje elektronskog oblaka omogu?ava stvaranje najja?ih veza i minimalnu interakciju atoma u nastaloj molekuli. Gde hibridne orbitale mo?da nisu identi?ne, ali uglovi veze mogu biti razli?iti, na primjer CH 2 Cl 2 i CCl 4

2. Kovalentne veze u jedinjenjima ugljenika

Kovalentne veze, svojstva, metode i uzroci obrazovanja - ?kolski program.

Samo da te podsjetim:

1. Komunikacijsko obrazovanje izme?u atoma se mo?e smatrati kao rezultat preklapanja njihovih atomskih orbitala, a ?to je efikasnije (?to je ve?i integral preklapanja), to je veza ja?a.

Prema izra?unatim podacima, relativna efikasnost atomskog orbitalnog preklapanja S rel raste na sljede?i na?in:

Stoga kori?tenje hibridnih orbitala, kao ?to su sp 3 orbitale ugljika u formiranju veza sa ?etiri atoma vodika, dovodi do ja?ih veza.

2. Kovalentne veze u jedinjenjima ugljenika formiraju se na dva na?ina:

ALI)Ako se dvije atomske orbitale preklapaju du? svojih glavnih osa, onda se rezultiraju?a veza naziva - s bond.

Geometrija. Dakle, kada se formiraju veze sa atomima vodika u metanu, ?etiri hibridne sp 3 ~ orbitale atoma ugljika preklapaju se sa s-orbitalama od ?etiri atoma vodika, formiraju?i ?etiri identi?ne jake s-veze smje?tene pod uglom od 109 ° 28 " prema svakoj drugi (standardni tetraedarski ugao) Sli?na striktno simetri?na tetraedarska struktura tako?e nastaje, na primer, prilikom formiranja CCl 4, ali ako atomi koji formiraju veze sa ugljikom nisu isti, na primer u slu?aju CH 2 C1 2, prostorna struktura ?e se donekle razlikovati od potpuno simetri?ne, iako ?e u su?tini ostati tetraedarska.

s-du?ina veze izme?u atoma ugljika ovisi o hibridizaciji atoma i smanjuje se u prijelazu iz sp 3 - hibridizacije u sp. To je zato ?to je s-orbitala bli?a jezgru od p-orbitale, stoga, ?to je ve?i njen udio u hibridnoj orbitali, to je kra?a, a samim tim i kra?a rezultiraju?a veza.

B) Ako su dva atomska str -orbitale koje se nalaze paralelno jedna s drugom vr?e bo?no preklapanje iznad i ispod ravnine u kojoj se atomi nalaze, tada se nastala veza naziva - p (pi) - komunikacija

Bo?no preklapanje atomske orbitale je manje efikasna od preklapanja du? glavne ose, tako da p -veze su manje jake od s -veze. To se posebno o?ituje u ?injenici da energija dvostruke veze ugljik-ugljik prema?uje energiju jednostruke veze za manje od dva puta. Tako je energija C-C veze u etanu 347 kJ/mol, dok je energija C=C veze u etenu samo 598 kJ/mol, a ne ~700 kJ/mol.

Stepen bo?nog preklapanja dvije atomske 2p orbitale , a samim tim i snaga p -veza je maksimalna ako su dva atoma ugljika i ?etiri povezana s njima atomi se nalaze striktno u istoj ravni, odnosno ako oni komplanarno , jer su samo u ovom slu?aju atomske 2p orbitale ta?no paralelne jedna s drugom i stoga sposobne za maksimalno preklapanje. Svako odstupanje od komplanarnog zbog rotacije okolo s -veza koja povezuje dva atoma ugljika dovest ?e do smanjenja stepena preklapanja i, shodno tome, do smanjenja ?vrsto?e p -veza, koja na taj na?in poma?e u odr?avanju ravnosti molekula.

Rotacija oko dvostruke veze ugljik-ugljik je nemogu?e.

Distribucija p -elektroni iznad i ispod ravni molekula zna?e postojanje podru?ja negativnog naboja, spreman za interakciju sa svim reagensima s nedostatkom elektrona.

Atomi kisika, du?ika itd. tako?er imaju razli?ita valentna stanja (hibridizacije), dok njihovi elektronski parovi mogu biti i u hibridnim i u p-orbitalama.

Ugljenik (C) je ?esti element Mendeljejevog periodnog sistema sa atomskom te?inom od 12. Element pripada nemetalima i ima izotop 14 C. Struktura atoma ugljika le?i u osnovi sve organske hemije, budu?i da sve organske supstance uklju?uju molekule ugljika.

atom ugljika

Polo?aj ugljenika u Mendeljejevom periodnom sistemu:

• ?esti serijski broj;
• ?etvrta grupa;
• drugi period.

Rice. 1. Polo?aj ugljika u periodnom sistemu.

Na osnovu podataka iz tabele, mo?emo zaklju?iti da struktura atoma elementa ugljika uklju?uje dvije ljuske, na kojima se nalazi ?est elektrona. Valencija ugljika, koji je dio organskih tvari, je konstantna i jednaka je IV. To zna?i da se na vanjskom elektronskom nivou nalaze ?etiri elektrona, a na unutra?njem dva.

Od ?etiri elektrona, dva zauzimaju sferi?nu 2s orbitalu, a preostala dva zauzimaju 2p orbitalu u obliku bu?ice. U pobu?enom stanju, jedan elektron se kre?e sa 2s orbitale na jednu od 2p orbitala. Kada se elektron kre?e s jedne orbitale na drugu, energija se tro?i.

Dakle, pobu?eni atom ugljika ima ?etiri nesparena elektrona. Njegova konfiguracija se mo?e izraziti formulom 2s 1 2p 3 . Ovo omogu?ava formiranje ?etiri kovalentne veze sa drugim elementima. Na primjer, u molekuli metana (CH 4), ugljik formira veze sa ?etiri atoma vodika - jednu vezu izme?u s-orbitala vodika i ugljika i tri veze izme?u p-orbitala ugljika i s-orbitala vodika.

Shema strukture atoma ugljika mo?e se predstaviti kao +6C) 2) 4 ili 1s 2 2s 2 2p 2.

Rice. 2. Struktura atoma ugljika.

Fizi?ka svojstva

Ugljik se prirodno javlja u obliku stijena. Poznato je nekoliko alotropskih modifikacija ugljika:

• grafit;
• dijamant;
• karabin;
• ugalj;
• ?a?.

Sve ove tvari se razlikuju po strukturi kristalne re?etke. Naj?vr??a tvar - dijamant - ima kubni oblik ugljika. Na visokim temperaturama dijamant se pretvara u grafit sa heksagonalnom strukturom.

Rice. 3. Kristalne re?etke grafita i dijamanta.

Hemijska svojstva

Atomska struktura ugljika i njegova sposobnost da ve?e ?etiri atoma druge tvari odre?uju kemijska svojstva elementa. Ugljik reaguje s metalima i stvara karbide:

• Ca + 2C -> CaC 2;
• Cr + C -> CrC;
• 3Fe + C -> Fe 3 C.

Tako?er reaguje sa metalnim oksidima:

• 2ZnO + C -> 2Zn + CO 2 ;
• PbO + C -> Pb + CO;
• SnO 2 + 2C -> Sn + 2CO.

Na visokim temperaturama ugljik reagira s nemetalima, posebno s vodikom, stvaraju?i ugljikovodike:

C + 2H 2 -> CH 4.

Sa kisikom, ugljik stvara uglji?ni dioksid i uglji?ni monoksid:

• C + O 2 -> CO 2;
• 2C + O 2 -> 2CO.

Uglji?ni monoksid se tako?er stvara u interakciji s vodom:

C + H 2 O -> CO + H 2.

Koncentrirane kiseline oksidiraju ugljik, stvaraju?i uglji?ni dioksid:

• 2H 2 SO 4 + C -> CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;
• 4HNO 3 + C -> CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O.

Report Evaluation

Prosje?na ocjena: 4.1. Ukupno primljenih ocjena: 75.

Smatra se hemijom jedinjenja ugljenika, ali, odaju?i po?ast istoriji, i dalje je nazivaju organskom hemijom. Stoga je toliko va?no detaljnije razmotriti strukturu atoma ovog elementa, prirodu i prostorni smjer kemijskih veza koje on formira.

Valencija hemijskog elementa naj?e??e je odre?ena brojem nesparenih elektrona. Atom ugljika, kao ?to se mo?e vidjeti iz elektronsko-grafske formule, ima dva nesparena elektrona, pa se uz njihovo u?e??e mogu formirati dva elektronska para koja ?ine dvije kovalentne veze. Me?utim, u organskim jedinjenjima ugljik nije dvovalentan, ve? uvijek ?etverovalentan. To se mo?e objasniti ?injenicom da se u pobu?enom (ste?enom dodatnoj energiji) atomu 2n-elektroni otparavaju i jedan od njih prelazi na 2p-orbitalu:

Takav atom ima ?etiri nesparena elektrona i mo?e sudjelovati u stvaranju ?etiri kovalentne veze.

Za formiranje kovalentne veze potrebno je da se orbitala jednog atoma preklapa sa orbitalom drugog. ?to se vi?e preklapa, to je veza ja?a.

U molekulu vodonika H2 do stvaranja kovalentne veze dolazi zbog preklapanja s-orbitala (slika 3).

Udaljenost izme?u jezgara atoma vodika, odnosno du?ina veze, je 7,4 * 10 -2 nm, a njena snaga je 435 kJ/mol.

Pore?enja radi: u molekulu fluora F 2 kovalentna veza nastaje zbog preklapanja dvije p-orbitale.

Du?ina veze fluor-fluor je 14,2x10 -2 nm, a snaga veze (energija) je 154 kJ/mol.

Hemijske veze nastale kao rezultat preklapanja elektronskih orbitala du? linije veze nazivaju se a-veze (sigma veze).

Komunikacija je prava linija koja povezuje jezgra atoma. Za v-orbitale je mogu? samo jedan na?in preklapanja – stvaranjem a-veza.

p-orbitale se mogu preklapati sa formiranjem a-veza, a mogu se i preklapati u dva regiona, formiraju?i kovalentnu vezu drugog tipa - zbog "bo?nog" preklapanja:

Hemijske veze nastale kao rezultat "bo?nog" preklapanja elektronskih orbitala izvan komunikacijske linije, odnosno u dva podru?ja, nazivaju se n-veze (pi-veze).

Vrsta veze koja se razmatra je karakteristi?na za molekule etilena C2H4 i acetilena C2H2. Ali o tome ?ete saznati vi?e u sljede?em paragrafu.

1. Zapi?ite elektronsku formulu atoma ugljika. Objasnite zna?enje svakog znaka u njemu.

Koje su elektronske formule atoma bora, berilija i litijuma?

Napravite elektronske grafi?ke formule koje odgovaraju atomima ovih elemenata.

2. Zapi?ite elektronske formule:

a) atom natrija i kation Na +;

b) atom magnezija i kation Mg 2+;

c) atom fluora i anjon F-;

d) atom kiseonika i anjon O 2-;

e) atom vodonika i H + i H - joni.

Sastavite elektronsko-grafske formule za raspodjelu elektrona po orbitama u ovim ?esticama.

3. Atom kog hemijskog elementa odgovara elektronskoj formuli 1s 2 2s 2 2p 6?

Koji kationi i anioni imaju istu elektronsku formulu? Napravite elektronsko-grafsku formulu atoma i ovih jona.

4. Uporedite du?ine veza u molekulima vodonika i fluora. ?ta je uzrokovalo njihovu razliku?

5. Molekuli du?ika i fluora su dvoatomni. Uporedite brojeve i prirodu hemijskih veza izme?u atoma u njima.

Sadr?aj lekcije sa?etak lekcije podr?ka okvir prezentacije lekcije akcelerativne metode interaktivne tehnologije Vje?bajte zadaci i vje?be samoispitivanje radionice, treninzi, slu?ajevi, potrage doma?a zada?a diskusija pitanja retori?ka pitanja u?enika Ilustracije audio, video i multimedija fotografije, slike grafike, tabele, ?eme humor, anegdote, vicevi, strip parabole, izreke, ukr?tene re?i, citati Dodaci sa?etaka?lanci ?ipovi za radoznale cheat sheets ud?benici osnovni i dodatni glosar pojmova ostalo Pobolj?anje ud?benika i lekcijaispravljanje gre?aka u ud?beniku a?uriranje fragmenta u ud?beniku elementi inovacije u lekciji zamjenom zastarjelih znanja novim Samo za nastavnike savr?ene lekcije kalendarski plan za godinu metodolo?ke preporuke programa diskusije Integrisane lekcije