Svarbi naujausi? fizikos, chemijos ir net astronomijos atradim? praktinio pritaikymo sritis yra nauj? med?iag? su ne?prastomis, kartais unikaliomis savyb?mis k?rimas ir tyrimas. Apie kryptis, kuriomis ?ie darbai vykdomi ir k? mokslininkams jau pavyko pasiekti, papasakosime straipsni? serijoje, sukurtoje bendradarbiaujant su Uralo federaliniu universitetu. Pirmasis m?s? tekstas skirtas ne?prastoms med?iagoms, kurias galima gauti i? labiausiai paplitusios med?iagos – anglies.

Jei paklaustum?te chemiko, kuris elementas yra svarbiausias, galite gauti daug skirting? atsakym?. Ka?kas pasakys apie vandenil? - labiausiai paplitusi? element? visatoje, ka?kas apie deguon? - labiausiai paplitusi? element? ?em?s plutoje. Ta?iau da?niausiai i?girsite atsakym? „anglis“ – b?tent jis yra vis? organini? med?iag?, nuo DNR ir baltym? iki alkoholi? ir angliavandenili?, pagrindas.

M?s? straipsnis yra skirtas ?vairioms ?io elemento i?vaizdoms: pasirodo, kad tik i? jo atom? galima sukurti de?imtis skirting? med?iag? – nuo grafito iki deimanto, nuo karbino iki fulleren? ir nanovamzdeli?. Nors jie visi susideda i? lygiai t? pa?i? anglies atom?, j? savyb?s kardinaliai skiriasi – o atom? i?sid?stymas med?iagoje ?ia vaidina svarb? vaidmen?.

Grafitas

Da?niausiai gamtoje grynos anglies galima rasti grafito pavidalu – mink?ta juoda med?iaga, kuri lengvai i?sisluoksniuoja ir atrodo, kad lie?iant yra slidi. Daugelis gali prisiminti, kad pie?tuk? laidai yra pagaminti i? grafito, ta?iau tai ne visada tiesa. Da?nai ?vinas gaminamas i? grafito dro?li? ir klij? kompozicijos, ta?iau yra ir visi?kai grafito pie?tuk?. ?domu tai, kad daugiau nei dvide?imtoji pasaulio nat?ralaus grafito produkcijos dalis i?leid?iama pie?tukams.

Kuo ypatingas grafitas? Vis? pirma, jis gerai praleid?ia elektr? – nors pati anglis nepana?i ? kitus metalus. Jei paimtume grafito plok?t?, paai?k?t?, kad laidumas i?ilgai jos plok?tumos yra apie ?imt? kart? didesnis nei skersine kryptimi. Tai tiesiogiai susij? su tuo, kaip med?iagoje yra organizuoti anglies atomai.

Jei pa?velgsime ? grafito strukt?r?, pamatysime, kad jis susideda i? atskir? sluoksni?, kuri? storis vienas atomas. Kiekvienas i? sluoksni? yra ?e?iakampi? tinklelis, primenantis kor?. Anglies atomai sluoksnyje yra sujungti kovalentiniais cheminiais ry?iais. Be to, kai kurie elektronai, kurie suteikia chemin? ry??, yra „i?tepti“ per vis? plok?tum?. J? jud?jimo paprastumas lemia didel? grafito laidum? i?ilgai anglies dribsni? plok?tumos.

Atskiri sluoksniai yra tarpusavyje sujungti d?l van der Waals j?g? – jie yra daug silpnesni nei ?prastas cheminis ry?ys, ta?iau pakanka u?tikrinti, kad grafito kristalas savaime nesisluoksniuot?. Toks neatitikimas lemia tai, kad elektronams daug sunkiau jud?ti statmenai plok?tumoms – elektrin? var?a padid?ja 100 kart?.

D?l savo elektrinio laidumo, taip pat galimyb?s ?terpti kit? element? atomus tarp sluoksni?, grafitas naudojamas kaip anodai li?io jon? akumuliatoriams ir kitiems srov?s ?altiniams. Grafitiniai elektrodai b?tini metalinio aliuminio gamybai – net troleibusuose naudojami slankiojantys srov?s rinktuv? kontaktai.

Be to, grafitas yra diamagnetas, turintis vien? did?iausi? jautri? mas?s vienetui. Tai rei?kia, kad jei ? magnetin? lauk? ?d?site grafito gabal?l?, jis visais ?manomais b?dais stengsis i?stumti ?? lauk? i? sav?s iki tiek, kad grafitas gali levituoti vir? pakankamai stipraus magneto.

Ir paskutin? svarbi grafito savyb? yra jo ne?tik?tinas atsparumas ugniai. ?iandien ugniai atspariausia med?iaga yra vienas i? hafnio karbid?, kurio lydymosi temperat?ra yra apie 4000 laipsni? Celsijaus. Ta?iau jei bandysite i?lydyti grafit?, tada esant ma?daug ?imto atmosfer? sl?giui, jis i?laikys kietum? iki 4800 laipsni? Celsijaus (esant atmosferos sl?giui grafitas sublimuoja - i?garuoja, apeidamas skyst?j? faz?). D?l to grafito pagrindu pagamintos med?iagos naudojamos, pavyzd?iui, raket? antgali? korpusuose.

Deimantas

Daugelis sl?gi? med?iag? pradeda keisti savo atomin? strukt?r? – ?vyksta fazinis per?jimas. Grafitas ?ia prasme niekuo nesiskiria nuo kit? med?iag?. Esant ?imto t?kstan?i? atmosfer? sl?giui ir 1–2 t?kstan?i? laipsni? Celsijaus temperat?rai, anglies sluoksniai pradeda art?ti vienas prie kito, tarp j? atsiranda cheminiai ry?iai, o kai glotnios plok?tumos tampa banguotos. Susidaro deimantas, viena gra?iausi? anglies form?.

Deimanto savyb?s kardinaliai skiriasi nuo grafito – tai kieta skaidri med?iaga. Labai sunku subrai?yti (10 savininkas pagal Moso kietumo skal?, tai yra did?iausias kietumas). Tuo pa?iu metu deimanto ir grafito elektrinis laidumas skiriasi kvintilijonu (tai skai?ius su 18 nuli?).

Deimantas uoloje

Wikimedia Commons

Tai nulemia deimant? panaudojim?: did?ioji dalis kasam? ir dirbtini? deimant? yra naudojami metalo apdirbimo ir kitose pramon?s ?akose. Pavyzd?iui, ?lifavimo diskai ir pjovimo ?rankiai su deimant? milteliais ar danga yra pla?iai paplit?. Deimantin?s dangos naudojamos net chirurgijoje – skalpeliams. ?i? akmen? panaudojimas juvelyrikos pramon?je yra visiems gerai ?inomas.

Nuostabus kietumas naudojamas ir moksliniuose tyrimuose – b?tent auk?tos kokyb?s deimant? pagalba laboratorijos tiria med?iagas esant milijon? atmosfer? sl?giui. Daugiau apie tai galite perskaityti m?s? med?iagoje "".

Grafenas

U?uot suspaud? ir kaitin? grafit?, mes, sekdami Andrejumi Geimu ir Konstantinu Novoselovu, prie grafito kristalo klijuosime lipnios juostos gabal?l?. Tada nulupkite – ant lipnios juostos liks plonas grafito sluoksnis. Pakartokime ?i? operacij? dar kart? – plonu sluoksniu u?tepkite juost? ir v?l nulupkite. Sluoksnis taps dar plonesnis. Proced?r? pakartoj? dar kelis kartus, gauname grafen? – med?iag?, u? kuri? jau min?ti brit? fizikai 2010 metais gavo Nobelio premij?.

Grafenas yra plok??ias monosluoksnis anglies atom?, visi?kai identi?kas atominiams grafito sluoksniams. Jo populiarum? lemia ne?prastas jame esan?i? elektron? elgesys. Jie juda taip, tarsi visai netur?t? mas?s. Realyb?je, ?inoma, elektron? mas? i?lieka tokia pati kaip ir bet kurioje med?iagoje. D?l visko kalti grafeno karkaso anglies atomai, pritraukiantys ?krautas daleles ir formuojantys ypating? periodin? lauk?.

?renginys grafeno pagrindu. Nuotraukos fone auksiniai kontaktai, vir? j? grafenas, vir?uje plonas polimetilmetakrilato sluoksnis

In?inerija Kembrid?e / flickr.com

Tokio elgesio pasekm? buvo didelis elektron? mobilumas – grafene jie juda daug grei?iau nei silicyje. D?l ?ios prie?asties daugelis mokslinink? tikisi, kad grafenas taps ateities elektronikos pagrindu.

?domu tai, kad grafenas turi anglies atitikmen? – ir. Pirmasis i? j? susideda i? ?iek tiek i?kreipt? penkiakampi? dali? ir, skirtingai nei grafenas, yra prastas elektros laidininkas. Fagrafenas susideda i? penki?, ?e?i? ir septyniakampi? dali?. Jei grafeno savyb?s visomis kryptimis yra vienodos, tada fagrafenas tur?s ry?ki? savybi? anizotropij?. Abi ?ios med?iagos buvo prognozuojamos teori?kai, ta?iau realyb?je dar neegzistuoja.

Silicio monokristalo fragmentas (pirmame plane) ant vertikalios anglies nanovamzdeli? masyvo

anglies nanovamzdeliai

?sivaizduokite, kad susukote nedidel? grafeno lak?to gabal?l? ? vamzdel? ir suklijavote galus. Rezultatas buvo tu??iavidur? strukt?ra, sudaryta i? t? pa?i? anglies atom? ?e?iakampi? kaip ir grafenas ir grafitas – anglies nanovamzdelis. ?i med?iaga daugeliu at?vilgi? susijusi su grafenu – ji pasi?ymi dideliu mechaniniu stiprumu (ka?kada buvo pasi?lyta i? anglies nanovamzdeli? statyti lift? ? kosmos?), dideliu elektron? judrumu.

Ta?iau yra viena ne?prasta savyb?. Grafeno lak?tas gali b?ti susuktas lygiagre?iai ?sivaizduojamai briaunai (vieno i? ?e?iakampi? kra?tin?s) arba kampu. Pasirodo, tai, kaip susuksime anglies nanovamzdel?, labai paveiks jo elektronines savybes, b?tent: jis labiau atrodys kaip puslaidininkis su juostos tarpu arba metalas.

Daugiasluoksnis anglies nanovamzdelis

Wikimedia Commons

Kada pirm? kart? buvo pasteb?ti anglies nanovamzdeliai, tiksliai ne?inoma. 1950–1980 m. ?vairios mokslinink? grup?s, dalyvaujan?ios katalizuojant reakcijas, kuriose dalyvauja angliavandeniliai (pavyzd?iui, metano piroliz?), atkreip? d?mes? ? pailgas strukt?ras suod?iuose, kurie padeng? katalizatori?. Dabar, norint susintetinti tik tam tikro tipo (tam tikro chiralumo) anglies nanovamzdelius, chemikai si?lo naudoti specialias s?klas. Tai yra ma?os molekul?s ?ied? pavidalu, kurios savo ruo?tu susideda i? ?e?iakampi? benzeno ?ied?. Pavyzd?iui, galite perskaityti apie j? sintez?s darb?.

Kaip ir grafenas, anglies nanovamzdeliai gali rasti puiki? pritaikym? mikroelektronikoje. Jau sukurti pirmieji tranzistoriai nanovamzdeli? pagrindu, kurie pagal savo savybes yra tradiciniai silicio ?renginiai. Be to, nanovamzdeliai sudar? tranzistoriaus pagrind?.

Karabinas

Kalbant apie pailgas anglies atom? strukt?ras, negalima nepamin?ti karabin?. Tai linijin?s grandin?s, kurios, anot teoretik?, gali pasirodyti kaip galima stipriausia med?iaga (kalbame apie specifin? stiprum?). Pavyzd?iui, Youngo modulis karabinui yra 10 giganiuton? kilogramui. Plienui ?is skai?ius yra 400 kart? ma?esnis, grafeno - ma?iausiai du kartus.

Plonas si?las, besit?siantis iki gele?ies dalel?s apa?ioje – karabinas

Wikimedia Commons

Karbinai yra dviej? tip?, priklausomai nuo to, kaip yra i?sid?st? ry?iai tarp anglies atom?. Jei visos grandin?s jungtys yra vienodos, tai mes kalbame apie kumulen?, bet jei ry?iai kaitaliojasi (viengubas-trigubas-viengubas-trigubas ir t.t.), tada kalbame apie poliinus. Fizikai ?rod?, kad karabino si?l? galima „perjungti“ tarp ?i? dviej? tip? deformacijos b?du – i?tempus kumulenas virsta poliinu. ?domu tai, kad tai kardinaliai pakei?ia elektrines karbino savybes. Jei poliinas praleid?ia elektr?, tai kumulenas yra dielektrikas.

Pagrindinis sunkumas tiriant karbinus yra tai, kad juos labai sunku susintetinti. Tai chemi?kai aktyvios med?iagos, be to, lengvai oksiduojasi. ?iandien grandin?s yra tik ?e?i? t?kstan?i? atom? ilgio. Kad tai pasiekt?, chemikai tur?jo auginti karbin? anglies nanovamzdelyje. Be to, karabino sintez? pad?s sumu?ti tranzistoriaus vart? dyd?io rekord? – j? galima suma?inti iki vieno atomo.

Fullerenai

Nors ?e?iakampis yra viena i? stabiliausi? konfig?racij?, kurias gali sudaryti anglies atomai, yra visa klas? kompakti?k? objekt?, kuriuose yra ?prastas anglies penkiakampis. ?ie objektai vadinami fullerenais.

1985 m. Haroldas Kroto, Robertas Curlas ir Richardas Smalley i?tyr? anglies garus ir ? kokius fragmentus anglies atomai susilieja atv?s?. Paai?k?jo, kad dujin?je faz?je yra dvi objekt? klas?s. Pirmasis yra klasteriai, susidedantys i? 2–25 atom?: grandini?, ?ied? ir kit? paprast? strukt?r?. Antrasis – klasteriai, susidedantys i? 40–150 atom?, kuri? anks?iau nebuvo pasteb?ta. Per ateinan?ius penkerius metus chemikai sugeb?jo ?rodyti, kad ?i antroji klas? buvo tu??iaviduris anglies atom? karkasas, stabiliausias i? j? susideda i? 60 atom? ir buvo futbolo kamuolio formos. C 60 arba buckminsterfullerenas susideda i? dvide?imties ?e?iakampi? sekcij? ir 12 penkiakampi? dali?, sujungt? ? sfer?.

Fulleren? atradimas suk?l? didel? chemik? susidom?jim?. V?liau buvo susintetinta ne?prasta endofulleren? klas? – fullerenai, kuri? ertm?je buvo koks nors svetimas atomas arba ma?a molekul?. Pavyzd?iui, vos prie? metus ? fulleren? pirm? kart? buvo ?vesta fluoro vandenilio r?g?ties molekul?, kuri leido labai tiksliai nustatyti jo elektronines savybes.

Fulleritai – fullereno kristalai

Wikimedia Commons

1991 m. paai?k?jo, kad fulleridai – fullereno kristalai, kuriuose dal? ertmi? tarp gretim? daugiakampi? u?ima metalai – yra molekuliniai superlaidininkai, turintys rekordi?kai auk?t? ?ios klas?s pereinam?j? temperat?r?, b?tent 18 kelvin? (K 3 C 60). V?liau buvo rasta fullerid?, kuri? pereinamoji temperat?ra dar auk?tesn? – 33 kelvinai, Cs 2 RbC 60 . Paai?k?jo, kad tokios savyb?s yra tiesiogiai susijusios su elektronine materijos strukt?ra.

Q-anglis

Tarp neseniai atrast? anglies form? galima pasteb?ti vadinam?j? Q-angl?. Jis buvo pirmasis Amerikos med?iag? mokslininkas i? ?iaur?s Karolinos universiteto 2015 m. Mokslininkai galingu lazeriu ap?vitino amorfin? angl?, lokaliai ?kaitindami med?iag? iki 4000 laipsni? Celsijaus. D?l to ma?daug ketvirtadalis vis? med?iagos anglies atom? buvo hibridizuojami sp 2, tai yra ta pati elektronin? b?sena kaip ir grafite. Lik? Q-anglies atomai i?laik? deimantui b?ding? hibridizacij?.

Q-anglis

Skirtingai nuo deimanto, grafito ir kit? anglies form?, Q-anglis yra feromagnetas, pavyzd?iui, magnetitas arba gele?is. Tuo pa?iu metu jo Kiuri temperat?ra siek? apie 220 laipsni? Celsijaus – tik tokiu kaitinimu med?iaga prarado magnetines savybes. Ir kai Q-anglis buvo legiruotas boru, fizikai gavo kit? anglies superlaidinink?, kurio pereinamoji temperat?ra buvo ma?daug 58 kelvinai.

***

I?vardintos ne visos ?inomos anglies formos. Be to, ?iuo metu teoretikai ir eksperimentuotojai kuria ir tiria naujas anglies med?iagas. Vis? pirma, toks darbas atliekamas Uralo federaliniame universitete. Kreip?m?s ? Uralo federalinio universiteto Fizikos ir technologijos instituto docent? ir vyriausi?j? mokslo darbuotoj? Anatolij? Fedorovi?i? Zatsepin?, kad i?siai?kintume, kaip numatyti dar nesintezuot? med?iag? savybes ir sukurti naujas anglies formas.

Anatolijus Zatsepinas dirba prie vieno i? ?e?i? Uralo federalinio universiteto mokslini? prover?io projekt? „Nauj? funkcini? med?iag?, pagr?st? ma?? matmen? anglies modifikacijomis, pagrindini? princip? k?rimas“. Darbas vykdomas su akademiniais ir pramon?s partneriais Rusijoje ir pasaulyje.

Projekt? ?gyvendina Universiteto strateginis akademinis padalinys (SAU) UrFU Fizikos ir technologijos institutas. Universiteto pad?tis Rusijos ir tarptautiniuose reitinguose, pirmiausia dalykin?se srityse, priklauso nuo mokslinink? s?km?s.

N+1: Anglies nanomed?iag? savyb?s labai priklauso nuo strukt?ros ir labai skiriasi. Ar galima kaip nors i? anksto numatyti med?iagos savybes pagal jos strukt?r??

Anatolijus Zatsepinas: Nusp?ti galima, o mes tai darome. Yra kompiuterinio modeliavimo metod?, kurie atlieka pirmojo principo skai?iavimus ( ab initio) - nustatome tam tikr? strukt?r?, model? ir paimame visas pagrindines ?i? strukt?r? sudaran?i? atom? charakteristikas. D?l to gaunamos tos savyb?s, kurias gali tur?ti m?s? modeliuojama med?iaga ar nauja med?iaga. Vis? pirma, kalbant apie angl?, gal?jome modeliuoti naujas modifikacijas, kuri? gamta ne?ino. Jie gali b?ti sukurti dirbtinai.

Vis? pirma, m?s? laboratorija Uralo federaliniame universitete ?iuo metu kuria, sintezuoja ir tiria naujo tipo anglies savybes. J? galima pavadinti taip: dvima?iai sutvarkytos linijin?s grandin?s anglis. Toks ilgas pavadinimas atsirado d?l to, kad ?i med?iaga yra vadinamoji 2D strukt?ra. Tai pl?vel?s, sudarytos i? atskir? anglies grandini?, o kiekvienoje grandin?je anglies atomai yra toje pa?ioje „chemin?je formoje“ – sp 1 hibridizacija. Tai suteikia med?iagai visi?kai ne?prast? savybi?, sp 1 -anglies grandin?se stiprumas vir?ija deimant? ir kit? anglies modifikacij? stiprum?.

Kai i? ?i? grandini? formuojame pl?veles, gaunama nauja med?iaga, kuri pasi?ymi anglies grandin?ms b?dingomis savyb?mis, be to, ?i? tvarking? grandini? derinys ant specialaus pagrindo sudaro dvimat? strukt?r? arba supergardel?. Tokia med?iaga turi dideli? perspektyv? ne tik d?l savo mechanini? savybi?. Svarbiausia, kad tam tikros konfig?racijos anglies grandin?s gali b?ti u?darytos ? ?ied? ir atsiranda labai ?domi? savybi?, toki? kaip superlaidumas, o toki? med?iag? magnetin?s savyb?s gali b?ti geresn?s nei esam? feromagnet?.

I???kis i?lieka juos i? tikr?j? sukurti. M?s? modeliavimas parodo keli?, kur? reikia eiti.

Kiek skiriasi faktin?s ir numatomos med?iag? savyb?s?

Klaida visada egzistuoja, ta?iau faktas yra tas, kad pirmieji skai?iavimai ir modeliavimas naudoja atskir? atom? pagrindines charakteristikas - kvantines savybes. Ir kai i? ?i? kvantini? atom? susidaro strukt?ros tokiu mikro ir nano lygiu, tada klaidos yra susijusios su esamu teorijos ir t? modeli?, kurie egzistuoja, apribojimu. Pavyzd?iui, ?inoma, kad Schr?dingerio lygtis gali b?ti tiksliai i?spr?sta tik vandenilio atomui, o sunkesniems atomams reikia naudoti tam tikrus aproksimacijas, jei kalbame apie kiet?sias med?iagas ar sud?tingesnes sistemas.

Kita vertus, d?l kompiuterini? skai?iavim? gali atsirasti klaid?. Visa tai ne?traukiamos didel?s klaidos, o tikslumo visi?kai pakanka, kad b?t? galima numatyti vien? ar kit? savyb? ar poveik?, kuris bus b?dingas tam tikrai med?iagai.

Kiek med?iag? galima numatyti tokiais b?dais?

Kalbant apie anglies med?iagas, yra daug variant?, ir esu tikras, kad daug kas dar nei?tirta ir neatrasta. UrFU turi visk?, kad gal?t? tyrin?ti naujas anglies med?iagas, ir laukia daug darbo.

Taip pat u?siimame ir kitais objektais, pavyzd?iui, silicio med?iagomis mikroelektronikai. Silicis ir anglis, beje, yra analogai, periodin?je lentel?je jie yra toje pa?ioje grup?je.

Vladimiras Koroliovas

Straipsnio turinys

ANGLIES, C (karboneumas), periodin?s element? lentel?s IVA grup?s (C, Si, Ge, Sn, Pb) nemetalinis cheminis elementas. Gamtoje jis randamas deimant? kristal? (1 pav.), grafito arba fullereno ir kit? form? pavidalu ir yra organini? (anglies, naftos, gyv?n? ir augal? organizm? ir kt.) ir neorganini? med?iag? (kalkakmenis, kepimo soda ir kt.) dalis. .).

Anglis yra pla?iai paplitusi, ta?iau jos kiekis ?em?s plutoje yra tik 0,19%.

Anglis pla?iai naudojama paprast? med?iag? pavidalu. Be brangi?j? deimant?, kurie yra papuo?al? objektas, didel? reik?m? turi pramoniniai deimantai - ?lifavimo ir pjovimo ?ranki? gamybai.

Med?io anglis ir kitos amorfin?s anglies formos naudojamos dujoms nuspalvinti, valyti, adsorbuoti, technologijos srityse, kur reikalingi adsorbentai su i?vystytu pavir?iumi. Karbidai, anglies junginiai su metalais, taip pat su boru ir siliciu (pavyzd?iui, Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) pasi?ymi dideliu kietumu ir naudojami abrazyviniams ir pjovimo ?rankiams gaminti. Anglies yra plienuose ir lydiniuose elementin?s b?senos ir karbid? pavidalu. Plienini? liejini? pavir?iaus prisotinimas anglimi auk?toje temperat?roje (cementavimas) ?ymiai padidina pavir?iaus kietum? ir atsparum? dilimui. taip pat ?r LYDINIAI.

Gamtoje yra daug ?vairi? grafito form?; kai kurie gaunami dirbtinai; yra amorfini? form? (pvz., koksas ir anglis). Deginant angliavandenilius, kai n?ra deguonies, susidaro suod?iai, kaulo anglis, lempos juoda, acetileno juoda. Vadinamasis balta anglis gaunamas sublimuojant pirolitin? grafit? suma?intame sl?gyje – tai ma?iausi skaidr?s grafito lapeli? kristalai smailiais kra?tais.

Istorijos nuoroda.

Grafitas, deimantas ir amorfin? anglis buvo ?inomi nuo antikos laik?. Jau seniai ?inoma, kad grafitu galima ?ym?ti ir kit? med?iag?, o pat? pavadinim? „grafitas“, kilus? i? graik? kalbos ?od?io, rei?kian?io „ra?yti“, A. Werneris pasi?l? 1789 m.. Ta?iau grafito istorija yra supainioti, da?nai su juo buvo supainiotos pana?i? i?orini? fizini? savybi? turin?ios med?iagos. , pavyzd?iui, molibdenitas (molibdeno sulfidas), ka?kada laikytas grafitu. Kiti grafito pavadinimai yra „juodasis ?vinas“, „gele?ies karbidas“, „sidabro ?vinas“. 1779 metais K. Scheele nustat?, kad grafitas gali b?ti oksiduojamas oru ir susidaro anglies dioksidas.

Pirm? kart? deimantai buvo panaudoti Indijoje, o Brazilijoje brangakmeniai ?gijo komercin? reik?m? 1725 m.; telkiniai Piet? Afrikoje buvo aptikti 1867. 20 a. Pagrindiniai deimant? gamintojai yra Piet? Afrika, Zairas, Botsvana, Namibija, Angola, Siera Leon?, Tanzanija ir Rusija. Dirbtiniai deimantai, kuri? technologija sukurta 1970 m., yra gaminami pramoniniais tikslais.

Allotropija.

Jei med?iagos strukt?riniai vienetai (monatomini? element? atomai arba daugiaatomini? element? ir jungini? molekul?s) gali jungtis tarpusavyje daugiau nei viena kristaline forma, ?is rei?kinys vadinamas alotropija. Anglis turi tris alotropines modifikacijas – deimant?, grafit? ir fulleren?. Deimante kiekvienas anglies atomas turi 4 tetraedri?kai i?sid?s?iusius kaimynus, sudaran?ius kubin? strukt?r? (1 pav., a). ?i strukt?ra atitinka did?iausi? jungties kovalenti?kum?, ir visi 4 kiekvieno anglies atomo elektronai sudaro didelio stiprumo C–C ry?ius, t.y. strukt?roje n?ra laidumo elektron?. Tod?l deimantas i?siskiria laidumo stoka, ma?u ?ilumos laidumu, dideliu kietumu; tai kie?iausia ?inoma med?iaga (2 pav.). C–C jungties (ry?io ilgis 1,54 ?, vadinasi kovalentinis spindulys 1,54/2 = 0,77 ?) nutraukimas tetraedrin?je strukt?roje reikalauja daug energijos, tod?l deimantas kartu su i?skirtiniu kietumu pasi?ymi auk?ta lydymosi temperat?ra (3550 °C).

Kita alotropin? anglies forma yra grafitas, kuris savo savyb?mis labai skiriasi nuo deimanto. Grafitas yra mink?ta juoda lengvai besisluoksniuojan?i? kristal? med?iaga, pasi?yminti geru elektros laidumu (elektros var?a 0,0014 Ohm cm). Tod?l grafitas naudojamas lankin?se lempose ir krosnyse (3 pav.), kuriose b?tina sukurti auk?t? temperat?r?. Didelio grynumo grafitas naudojamas branduoliniuose reaktoriuose kaip neutron? stabdiklis. Jo lydymosi temperat?ra esant padidintam sl?giui yra 3527 ° C. Esant normaliam sl?giui, grafitas sublimuoja (i? kietos b?senos pereina ? dujas) 3780 ° C temperat?roje.

Grafito strukt?ra (1 pav., b) yra sujungt? ?e?iakampi? ?ied? sistema, kurios jungties ilgis yra 1,42 ? (?ymiai trumpesnis nei deimante), ta?iau kiekvienas anglies atomas turi tris (o ne keturis, kaip deimantuose) kovalentinius ry?ius su trimis kaimynais ir ketvirt? ry?? (3,4). ?) yra per ilgas kovalentiniam ry?iui ir silpnai suri?a lygiagre?ius sukrautus grafito sluoksnius vienas su kitu. Tai ketvirtasis anglies elektronas, nulemiantis grafito ?ilumos ir elektros laidum? – ?is ilgesnis ir ne toks stiprus ry?ys formuoja ma?iau kompakti?k? grafit?, o tai atsispindi ma?esniame jo kietime, lyginant su deimantu (grafito tankis 2,26 g/cm 3, deimanto – 3,51). g/cm3). D?l tos pa?ios prie?asties grafitas yra slidus liesti ir lengvai atskiria med?iagos dribsnius, i? kuri? gaminami tepalai ir pie?tuk? laidai. ?vino ?vino blizgesys daugiausia atsiranda d?l grafito.

Anglies pluo?tai pasi?ymi dideliu stiprumu ir gali b?ti naudojami viskoz?s ar kitiems daug anglies turintiems si?lams gaminti.

Esant auk?tam sl?giui ir temperat?rai, esant tokiam katalizatoriui kaip gele?is, grafitas gali virsti deimantu. ?is procesas buvo pritaikytas pramoninei dirbtini? deimant? gamybai. Katalizatoriaus pavir?iuje auga deimantiniai kristalai. Grafito ir deimant? pusiausvyra egzistuoja esant 15 000 atm ir 300 K arba 4 000 atm ir 1 500 K. Dirbtinius deimantus taip pat galima gauti i? angliavandenili?.

Amorfin?ms anglies formoms, kurios nesudaro kristal?, priskiriama anglis, gauta kaitinant med? be oro prieigos, lempa ir duj? suod?iai, susidarantys angliavandenili? degimo metu ?emoje temperat?roje, kai tr?ksta oro, ir kondensuoti ant ?alto pavir?iaus, kaul? anglis yra priedas kalcio fosfatas kaul? naikinimo audini? procese, taip pat anglis (nat?rali med?iaga su priemai?omis) ir koksas – sausas likutis, gaunamas koksuojant kur? sausai distiliuojant angl? arba naftos liku?ius (bitumines anglis), t.y. ?ildymas be oro. Koksas naudojamas gele?ies lydymui, juod?j? ir spalvot?j? metal? metalurgijoje. Koksuojant taip pat susidaro dujiniai produktai - kokso krosni? dujos (H 2 , CH 4 , CO ir kt.) bei chemijos produktai, kurie yra ?aliavos benzino, da??, tr???, vaist?, plastik? ir kt. Pagrindinio kokso gamybos aparato - kokso krosnies - schema parodyta fig. 3.

?vairios anglies ir suod?i? r??ys pasi?ymi i?vystytu pavir?iumi, tod?l yra naudojamos kaip adsorbentai duj? ir skys?i? valymui, taip pat katalizatoriai. ?vairi? form? anglies gavimui naudojami special?s chemin?s technologijos metodai. Dirbtinis grafitas gaunamas kaitinant antracit? arba naftos koks? tarp anglies elektrod? 2260°C temperat?roje (Acheson procesas) ir naudojamas tepal? bei elektrod? gamyboje, ypa? metal? elektrolitinei gamybai.

Anglies atomo sandara.

Stabiliausio 12 mas?s anglies izotopo (98,9 % gausa) branduolyje yra 6 protonai ir 6 neutronai (12 nukleon?), i?sid?st? ? tris kvartetus, kuri? kiekviename yra 2 protonai ir du neutronai, pana??s ? helio branduol?. Kitas stabilus anglies izotopas yra 13 C (apie 1,1 %), o nestabilus izotopas 14 C gamtoje egzistuoja nedideliais kiekiais, kuri? pusin?s eliminacijos laikas yra 5730 met?. b- spinduliavimas. Visi trys izotopai CO 2 pavidalu dalyvauja normaliame gyvosios med?iagos anglies cikle. Po gyvo organizmo mirties anglies suvartojimas sustoja, o C turin?ius objektus galima datuoti i?matavus radioaktyvumo lyg? 14 C. Suma??jimas b-14 CO 2 spinduliuot? yra proporcinga laikui, pra?jusiam nuo mirties. 1960 metais W. Libby buvo apdovanotas Nobelio premija u? radioaktyviosios anglies tyrimus.

Pagrindin?je b?senoje 6 anglies elektronai sudaro 1 elektron? konfig?racij? s 2 2s 2 2px 1 2py 1 2pz 0 . Keturi antrojo lygio elektronai yra valentiniai, kurie atitinka anglies pad?t? periodin?s sistemos IVA grup?je ( cm. PERIODIN? ELEMENT? LENTEL?). Kadangi elektronui atsiskirti nuo atomo duj? faz?je reikia didel?s energijos (apie 1070 kJ/mol), anglis nesudaro jonini? ry?i? su kitais elementais, nes tam reik?t? atsiskirti elektronui susidarant teigiamybei. jon?. Kai elektronegatyvumas yra 2,5, anglis neturi stipraus elektron? afiniteto, tod?l n?ra aktyvus elektron? akceptorius. Tod?l jis n?ra link?s formuoti neigiamo kr?vio dalel?s. Ta?iau kai ry?ys yra i? dalies joninis, egzistuoja kai kurie anglies junginiai, pavyzd?iui, karbidai. Junginiuose anglies oksidacijos b?sena yra 4. Norint, kad keturi elektronai gal?t? dalyvauti formuojant ry?ius, b?tina i?ardyti 2 s-elektronai ir vieno i? ?i? elektron? ?uolis 2 pz-orbitin?; ?iuo atveju susidaro 4 tetraedriniai ry?iai, kuri? kampas tarp j? yra 109°. Junginiuose valentiniai anglies elektronai yra tik i? dalies atitraukti nuo jo, tod?l anglis sudaro stiprius kovalentinius ry?ius tarp gretim? C–C tipo atom?, naudodama bendr? elektron? por?. Tokio ry?io ply?imo energija yra 335 kJ/mol, o Si–Si jungties tik 210 kJ/mol, tod?l ilgos –Si–Si– grandin?s yra nestabilios. Kovalentinis jungties pob?dis i?lieka net labai reaktyvi? halogen? junginiuose su anglimi, CF 4 ir CCl 4 . Anglies atomai gali suteikti daugiau nei vien? elektron? i? kiekvieno anglies atomo ry?iui formuoti; taip susidaro dvigubos C=C ir trigubos C?C jungtys. Kiti elementai taip pat sudaro ry?ius tarp savo atom?, ta?iau tik anglis gali sudaryti ilgas grandines. Tod?l yra ?inomi t?kstan?iai jungini?, vadinam? angliavandeniliais, kuriuose anglis yra prijungta prie vandenilio ir kit? anglies atom?, sudarydama ilgas grandines arba ?iedo strukt?ras. Cm. CHEMIJA ORGANIKOS.

?iuose junginiuose vandenil? galima pakeisti kitais atomais, da?niausiai deguonimi, azotu ir halogenais, susidaro daug organini? jungini?. Tarp j? svarbi? viet? u?ima fluorangliavandeniliai, angliavandeniliai, kuriuose vandenilis pakeistas fluoru. Tokie junginiai yra itin inerti?ki, naudojami kaip plastikas ir tepalai (fluorangliavandeniliai, t.y. angliavandeniliai, kuriuose visi vandenilio atomai pakeisti fluoro atomais) ir kaip ?emos temperat?ros ?altne?iai (freonai, arba freonai, – fluorchlorangliavandeniliai).

Devintajame de?imtmetyje JAV fizikai atrado labai ?domi? anglies jungini?, kuriuose anglies atomai yra sujungti 5 arba 6 gonais, sudarydami tu??iavidurio kamuolio formos C 60 molekul? su tobula futbolo kamuolio simetrija. Kadangi toks dizainas yra amerikie?i? architekto ir in?inieriaus Buckminsterio Fullerio i?rastas „geodezinis kupolas“, naujoji jungini? klas? buvo vadinama „buckminsterfullerenais“ arba „fullerenais“ (taip pat, trumpiau, „fasiballs“ arba „buckyballs“). Fullerenai – tre?ioji grynos anglies modifikacija (i?skyrus deimant? ir grafit?), susidedanti i? 60 arba 70 (ir net daugiau) atom? – buvo gauti lazerio spinduliuote veikiant ma?iausias anglies daleles. Sud?tingesn?s formos fullerenai susideda i? keli? ?imt? anglies atom?. C 60 molekul?s skersmuo yra ~ 1 nm. Tokios molekul?s centre yra pakankamai vietos, kad tilpt? didelis urano atomas.

standartin? atomin? mas?.

1961 m. Tarptautin?s grynosios ir taikomosios chemijos s?jungos (IUPAC) ir fizikoje anglies izotopo 12 C mas? pri?m? kaip atomin?s mas?s vienet?, panaikindamos anks?iau egzistavusi? atomini? masi? deguonies skal?. Anglies atomin? mas? ?ioje sistemoje yra 12,011, nes tai yra trij? nat?rali? anglies izotop? vidurkis, atsi?velgiant ? j? gausum? gamtoje. Cm. ATOMIN? MAS?.

Anglies ir kai kuri? jos jungini? chemin?s savyb?s.

Kai kurios fizin?s ir chemin?s anglies savyb?s pateikiamos straipsnyje CHEMINIAI ELEMENTAI. Anglies reaktyvumas priklauso nuo jos modifikacijos, temperat?ros ir dispersijos. Esant ?emai temperat?rai, visos anglies formos yra gana inerti?kos, ta?iau kaitinant jas oksiduoja atmosferos deguonis ir susidaro oksidai:

Deguonies perteklius smulkiai i?sklaidyta anglis gali sprogti kaitinant arba nuo kibirk?ties. Be tiesiogin?s oksidacijos, yra ir modernesni? oksid? gavimo b?d?.

suboksido anglis

C 3 O 2 susidaro dehidratuojant malono r?g?t? per P 4 O 10:

C 3 O 2 turi nemalon? kvap?, lengvai hidrolizuojasi, v?l susidaro malono r?g?tis.

Anglies monoksidas (II) CO susidaro oksiduojant bet koki? anglies modifikacij?, kai n?ra deguonies. Reakcija egzotermin?, i?siskiria 111,6 kJ/mol. Koksas baltoje kar?tyje reaguoja su vandeniu: C + H 2 O = CO + H 2; susidar?s duj? mi?inys vadinamas „vandens dujomis“ ir yra dujinis kuras. CO taip pat susidaro nepilno naftos produkt? degimo metu, didelis kiekis randamas automobili? i?metamosiose dujose ir gaunamas termi?kai disociuojant skruzd?i? r?g?t?:

Anglies oksidacijos b?sena CO yra +2, o kadangi anglis yra stabilesn? esant +4 oksidacijos b?senai, CO lengvai oksiduojamas deguonimi iki CO 2: CO + O 2 -> CO 2, ?i reakcija yra labai egzotermin? (283 kJ). / mol). CO naudojamas pramon?je mi?inyje su H 2 ir kitomis degiomis dujomis kaip kuras arba dujinis reduktorius. Kaitinamas iki 500°C, CO susidaro pastebimai C ir CO 2, ta?iau 1000°C temperat?roje pusiausvyra nusistovi esant ma?oms CO 2 koncentracijoms. CO reaguoja su chloru, sudarydamas fosgen? - COCl 2, reakcijos su kitais halogenais vyksta pana?iai, reakcijoje su siera gaunamas karbonilo sulfidas COS, su metalais (M) CO sudaro ?vairios sud?ties karbonilus M (CO) x, kurie yra sud?tingi junginiai. Gele?ies karbonilas susidaro s?veikaujant kraujo hemoglobinui su CO, u?kertant keli? hemoglobino reakcijai su deguonimi, nes gele?ies karbonilas yra stipresnis junginys. D?l to blokuojama hemoglobino, kaip deguonies ne?iklio, funkcija l?stel?se, kurios v?liau mir?ta (ir pirmiausia pa?eid?iamos smegen? l?stel?s). (I? ?ia ir kitas CO pavadinimas – „anglies monoksidas“). Jau 1 % (t?rio) CO yra ore pavojingas ?mogui, jei jis tokioje atmosferoje b?na ilgiau nei 10 minu?i?. Kai kurios fizikin?s CO savyb?s pateiktos lentel?je.

Anglies dioksidas arba anglies monoksidas (IV) CO 2 susidaro degant elementinei anglies pertekliui deguoniui, i?siskiriant ?ilumai (395 kJ/mol). CO 2 (trivialus pavadinimas yra „anglies dioksidas“) taip pat susidaro visi?kai oksiduojantis CO, naftos produktams, benzinui, alyvoms ir kitiems organiniams junginiams. Karbonatams i?tirpus vandenyje, d?l hidroliz?s taip pat i?siskiria CO 2:

?i reakcija da?nai naudojama laboratorin?je praktikoje norint gauti CO 2 . ?ios dujos taip pat gali b?ti gaunamos deginant metalo bikarbonatus:

perkaitint? gar? s?veikoje su CO dujin?je faz?je:

deginant angliavandenilius ir j? deguonies darinius, pavyzd?iui:

Pana?iai maisto produktai oksiduojami gyvame organizme, i?siskiriant ?iluminei ir kitokiai energijai. ?iuo atveju oksidacija vyksta ?velniomis s?lygomis per tarpinius etapus, ta?iau galutiniai produktai yra tokie patys - CO 2 ir H 2 O, kaip, pavyzd?iui, skaidant cukr? veikiant fermentams, ypa? fermentacijos metu. gliukoz?s:

Didelio tona?o anglies dioksido ir metal? oksid? gamyba pramon?je vykdoma termi?kai skaidant karbonatus:

CaO dideliais kiekiais naudojamas cemento gamybos technologijoje. Karbonat? terminis stabilumas ir ?ilumos suvartojimas jiems skaidyti pagal ?i? schem? did?ja serijoje CaCO 3 ( taip pat ?r PRIE?GAISRIN? PREVENCIJA IR PRIE?GAISRIN? APSAUGA).

Anglies oksid? elektronin? strukt?ra.

Bet kurio anglies monoksido elektronin? strukt?r? galima apib?dinti trimis vienodai tik?tinomis schemomis su skirtingu elektron? por? i?d?stymu - trimis rezonansin?mis formomis:

Visi anglies oksidai turi linijin? strukt?r?.

Anglies r?g?tis.

Kai CO 2 s?veikauja su vandeniu, susidaro anglies r?g?tis H 2 CO 3. So?iame CO 2 tirpale (0,034 mol/l) tik dalis molekuli? sudaro H 2 CO 3, o did?ioji dalis CO 2 yra hidratuotoje CO 2 CHH 2 O b?senoje.

Karbonatai.

Karbonatai susidaro s?veikaujant metal? oksidams su CO 2, pavyzd?iui, Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

I?skyrus ?armini? metal? karbonatus, likusieji prakti?kai netirpsta vandenyje, o kalcio karbonatas i? dalies tirpsta anglies r?g?tyje arba CO 2 tirpale susl?gtame vandenyje:

?ie procesai vyksta po?eminiame vandenyje, tekan?iame per klin?i? sluoksn?. ?emo sl?gio ir garavimo s?lygomis CaCO 3 nus?da i? po?eminio vandens, kuriame yra Ca(HCO 3) 2 . Taip urvuose auga stalaktitai ir stalagmitai. ?i? ?domi? geologini? darini? spalva paai?kinama tuo, kad vandenyse yra gele?ies, vario, mangano ir chromo jon? priemai??. Anglies dioksidas reaguoja su metal? hidroksidais ir j? tirpalais, sudarydamas hidrokarbonatus, pavyzd?iui:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

CCl 4 tetrachloridas yra nedegi med?iaga, naudojama kaip tirpiklis cheminio valymo procesuose, ta?iau nerekomenduojama jo naudoti kaip antipireno, nes auk?toje temperat?roje susidaro toksi?kas fosgenas (dujin? nuodinga med?iaga). Pati CCl 4 taip pat yra nuodinga ir, ?kv?pus didelius kiekius, gali apsinuodyti kepenimis. CCl 4 taip pat susidaro fotochemin?s reakcijos metu tarp metano CH 4 ir Cl 2; tokiu atveju gali susidaryti nevisi?ko metano chlorinimo produktai - CHCl 3 , CH 2 Cl 2 ir CH 3 Cl. Reakcijos vyksta pana?iai ir su kitais halogenais.

grafito reakcijos.

Grafitas kaip anglies modifikacija, kuriai b?dingi dideli atstumai tarp ?e?iakampi? ?ied? sluoksni?, vyksta ne?prastose reakcijose, pavyzd?iui, tarp sluoksni? prasiskverbia ?arminiai metalai, halogenai ir kai kurios druskos (FeCl 3), sudarydami KC 8, KC junginius. 16 tipo (vadinamas intersticiniu, ?traukimu arba klatratais). Stipr?s oksidatoriai, tokie kaip KClO 3 r?g??ioje terp?je (sieros arba azoto r?g?tyje), sudaro med?iagas, kuri? kristalin?s gardel?s t?ris yra didelis (tarp sluoksni? iki 6 ?), o tai paai?kinama deguonies atom? ?vedimu ir jungini? susidarymu. kuri? pavir?iuje d?l oksidacijos susidaro karboksilo grup?s (–COOH) – junginiai, tokie kaip oksiduotas grafitas arba melitin? (benzenheksakarboksir?g?tis) C 6 (COOH) 6. ?iuose junginiuose C:O santykis gali svyruoti nuo 6:1 iki 6:2,5.

Karbidai.

Anglis su metalais, boru ir siliciu sudaro ?vairius junginius, vadinamus karbidais. Aktyviausi metalai (IA–IIIA pogrupiai) sudaro ? druskas pana?ius karbidus, pavyzd?iui, Na 2 C 2 , CaC 2 , Mg 4 C 3 , Al 4 C 3 . Pramon?je kalcio karbidas gaunamas i? kokso ir kalkakmenio ?iomis reakcijomis:

Karbidai yra nelaid?s, beveik bespalviai, hidrolizuojasi, kad susidaryt?, pavyzd?iui, angliavandeniliai

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

Reakcijos metu susidar?s acetilenas C 2 H 2 yra daugelio organini? med?iag? gamybos ?aliava. ?is procesas yra ?domus tuo, kad jis rei?kia per?jim? nuo neorganini? ?aliav? prie organini? jungini? sintez?s. Karbidai, kurie hidroliz?s metu sudaro acetilen?, vadinami acetilidais. Silicio ir boro karbiduose (SiC ir B 4 C) ry?ys tarp atom? yra kovalentinis. Pereinamieji metalai (B pogrupio elementai), kaitinant anglimi, taip pat sudaro kintamos sud?ties karbidus metalo pavir?iaus ply?iuose; ry?ys juose artimas metaliniam. Kai kurie ?io tipo karbidai, tokie kaip WC, W 2 C, TiC ir SiC, pasi?ymi dideliu kietumu ir atsparumu ugniai, turi ger? elektros laidum?. Pavyzd?iui, NbC, TaC ir HfC yra ugniai atspariausios med?iagos (mp = 4000–4200 °C), diniobio karbidas Nb 2 C yra superlaidininkas 9,18 K temperat?roje, TiC ir W 2 C kietumas yra artimas deimantui, o kietumas B 4 C (deimanto strukt?rinis analogas) yra 9,5 pagal Moso skal? ( cm. ry?i?. 2). Inertiniai karbidai susidaro, jei pereinamojo metalo spindulys

Anglies azoto dariniai.

?iai grupei priklauso karbamidas NH 2 CONH 2 – azoto tr??os, naudojamos tirpalo pavidalu. Karbamidas gaunamas i? NH 3 ir CO 2 kaitinant esant sl?giui:

Cianogenas (CN) 2 daugeliu savybi? yra pana?us ? halogenus ir da?nai vadinamas pseudohalogenu. Cianidas gaunamas ?velniai oksiduojant cianido jon? deguonimi, vandenilio peroksidu arba Cu 2+ jonu: 2CN - ® (CN) 2 + 2e.

Cianido jonas, b?damas elektron? donoru, lengvai sudaro sud?tingus junginius su pereinam?j? metal? jonais. Kaip ir CO, cianido jonas yra nuodas, jungiantis gyvybi?kai svarbius gele?ies junginius gyvame organizme. Cianido kompleksiniai jonai turi bendr? formul? -0,5 x, kur X yra metalo (kompleksuojan?io agento) koordinacinis skai?ius, empiri?kai lygus dvigubai metalo jono oksidacijos laipsnio vertei. Toki? sud?ting? jon? pavyzd?iai yra (kai kuri? jon? strukt?ra pateikta ?emiau) tetraciano-nikeliato (II) -jonas 2–, heksacianoferatas (III) 3–, dicianoargentatas:

Karbonilai.

Anglies monoksidas gali tiesiogiai reaguoti su daugeliu metal? arba metalo jon?, sudarydamas sud?tingus junginius, vadinamus karbonilais, pvz., Ni(CO) 4, Fe(CO) 5, Fe 2 (CO) 9, 3, Mo(CO) 6, 2 . Ry?ys ?iuose junginiuose yra pana?us ? auk??iau apra?yt? ry?? ciano kompleksuose. Ni(CO) 4 yra laki med?iaga, naudojama nikeliui atskirti nuo kit? metal?. Ketaus ir plieno strukt?ros pablog?jimas konstrukcijose da?nai siejamas su karbonil? susidarymu. Vandenilis gali b?ti karbonil? dalis, sudarydamas karbonilhidridus, tokius kaip H 2 Fe (CO) 4 ir HCo (CO) 4, kurie pasi?ymi r?g?tin?mis savyb?mis ir reaguoja su ?armais:

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

Taip pat ?inomi karbonilo halogenidai, pavyzd?iui, Fe (CO) X 2, Fe (CO) 2 X 2, Co (CO) I 2, Pt (CO) Cl 2, kur X yra bet koks halogenas.

Angliavandeniliai.

Yra ?inoma daugyb? anglies ir vandenilio jungini?

Organin? chemija yra anglies atomo chemija. Organini? jungini? skai?ius yra de?imtis kart? didesnis nei neorganini?, o tai galima tik paai?kinti anglies atomo ypatyb?s :

a) jis yra elektronegatyvumo skal?s vidurys ir antrasis periodas, tod?l jam nenaudinga atiduoti savuosius ir priimti svetimus elektronus bei ?gyti teigiam? ar neigiam? kr?v?;

b) ypatinga elektron? apvalkalo strukt?ra - n?ra elektron? por? ir laisv?j? orbitali? (yra tik dar vienas pana?ios sandaros atomas – vandenilis, tikriausiai d?l to anglis ir vandenilis sudaro tiek daug jungini? – angliavandenili?).

Anglies atomo elektronin? strukt?ra

C – 1s 2 2s 2 2p 2 arba 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

Grafi?kai:

Su?adintas anglies atomas turi toki? elektronin? formul?:

*C – 1s 2 2s 1 2p 3 arba 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

L?steli? pavidalu:

S- ir p-orbitali? forma

atomin? orbita - erdv?s sritis, kurioje grei?iausiai bus rastas elektronas, su atitinkamais kvantiniais skai?iais.

Tai trimatis elektroninis „kont?rinis ?em?lapis“, kuriame bang? funkcija nustato santykin? tikimyb? rasti elektron? tam tikrame orbitos ta?ke.

Santykiniai atomini? orbit? dyd?iai did?ja did?jant j? energijai ( pagrindinis kvantinis skai?ius- n), o j? form? ir orientacij? erdv?je lemia kvantiniai skai?iai l ir m. Orbitose esantys elektronai apib?dinami sukimosi kvantiniu skai?iumi. Kiekvienoje orbitoje gali b?ti ne daugiau kaip 2 elektronai su prie?ingais sukiniais.

Susidarius ry?iams su kitais atomais, anglies atomas savo elektronin? apvalkal? paver?ia taip, kad susiformuot? stipriausi ry?iai ir d?l to i?siskiria kuo daugiau energijos, o sistema ?gauna did?iausi? stabilum?.

Norint pakeisti atomo elektronin? apvalkal?, reikalinga energija, kuri v?liau kompensuojama susidarant stipresniems ry?iams.

Elektron? apvalkalo transformacija (hibridizacija) gali b?ti daugiausia 3 tip?, priklausomai nuo atom?, su kuriais anglies atomas sudaro ry?ius, skai?iaus.

Hibridizacijos tipai:

sp 3 – atomas sudaro ry?ius su 4 gretimais atomais (tetraedrin? hibridizacija):

Elektronin? formul? sp 3 – hibridinis anglies atomas:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 l?steli? pavidalu

Ry?io kampas tarp hibridini? orbit? yra ~109°.

Stereochemin? anglies atomo formul?:

sp 2 – Hibridizacija (valentin? b?sena)– atomas sudaro ry?ius su 3 gretimais atomais (trigonalin? hibridizacija):

Elektronin? formul? sp 2 – hibridinis anglies atomas:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 l?steli? pavidalu

Ry?io kampas tarp hibridini? orbit? yra ~120°.

Stereochemin? formul? sp 2 – hibridinis anglies atomas:

sp– Hibridizacija (valentin? b?sena) - atomas sudaro ry?ius su 2 gretimais atomais (tiesin? hibridizacija):

Elektronin? sp formul? yra hibridinis anglies atomas:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 l?steli? pavidalu

Ry?io kampas tarp hibridini? orbit? yra ~180°.

Stereochemin? formul?:

S-orbital? dalyvauja vis? tip? hibridizacijoje, nes jis turi minimal? energijos kiek?.

Elektron? debesies persitvarkymas leid?ia susiformuoti stipriausioms ry?iams ir minimaliai atom? s?veikai susidariusioje molekul?je. Kuriame hibridin?s orbital?s gali b?ti netapa?ios, bet ry?io kampai gali skirtis, pavyzd?iui, CH2Cl2 ir CCl4

2. Kovalentiniai ry?iai anglies junginiuose

Kovalentiniai ry?iai, savyb?s, ugdymo metodai ir prie?astys – mokyklos programa.

Leisk man tik priminti:

1. Bendravimo ugdymas Tarp atom? galima laikyti j? atomini? orbitali? persidengimo rezultat?, ir kuo jis efektyvesnis (kuo didesnis persidengimo integralas), tuo stipresnis ry?ys.

Remiantis apskai?iuotais duomenimis, santykinis atomin?s orbitos persidengimo efektyvumas S rel did?ja taip:

Tod?l naudojant hibridines orbitales, tokias kaip sp 3 anglies orbital?s, formuojant ry?ius su keturiais vandenilio atomais, ry?iai tampa stipresni.

2. Kovalentiniai ry?iai anglies junginiuose susidaro dviem b?dais:

BET)Jei dvi atomin?s orbital?s persidengia i?ilgai savo pagrindini? a?i?, tada susidar?s ry?ys vadinamas - s ry?ys.

Geometrija. Taigi, kai metane susidaro ry?iai su vandenilio atomais, keturios hibridin?s anglies atomo sp 3 orbital?s persidengia su keturi? vandenilio atom? s-orbital?s, sudarydamos keturias vienodas stiprias s jungtis, esan?ias 109 ° 28 " kampu kiekvienai. kitas (standartinis tetraedrinis kampas) Pana?i grie?tai simetri?ka tetraedrin? strukt?ra taip pat susidaro, pavyzd?iui, formuojantis CCl 4, ta?iau jei atomai, kurie sudaro ry?ius su anglimi, n?ra vienodi, pvz., CH 2 C1 2 atveju, erdvin? strukt?ra ?iek tiek skirsis nuo visi?kai simetri?kos, nors i? esm?s i?liks tetraedrin?.

s-jungties ilgis tarp anglies atom? priklauso nuo atom? hibridizacijos ir ma??ja pereinant nuo sp 3 - hibridizacijos ? sp. Taip yra tod?l, kad s-orbital? yra ar?iau branduolio nei p-orbital?, tod?l kuo didesn? jos dalis hibridin?je orbitoje, tuo ji trumpesn?, taigi ir susidaranti jungtis trumpesn?.

B) Jei dvi atomin?s p -orbitos, esan?ios lygiagre?iai viena kitai, atlieka ?onin? persidengim? vir? ir ?emiau plok?tumos, kurioje yra atomai, tada susidariusi jungtis vadinama - p (pi) - bendravimas

?oninis sutapimas atomin?s orbital?s yra ma?iau efektyvios nei persidengian?ios i?ilgai pagrindin?s a?ies, taigi p -ry?iai yra ma?iau tvirti nei s - jungtys. Tai vis? pirma pasirei?kia tuo, kad dvigubo anglies ir anglies jungties energija ma?iau nei du kartus vir?ija vienos jungties energij?. Taigi C-C jungties energija etane yra 347 kJ/mol, o C=C jungties energija etene yra tik 598 kJ/mol, o ne ~700 kJ/mol.

Dviej? atomini? 2p orbitali? ?oninio persidengimo laipsnis , taigi ir stipryb?s p -ry?is yra did?iausias, jei du anglies atomai ir keturi su jais susij? atomai i?sid?st? grie?tai toje pa?ioje plok?tumoje, t.y. jei jie koplanarinis , nes tik ?iuo atveju atomin?s 2p orbital?s yra tiksliai lygiagre?ios viena kitai ir tod?l gali maksimaliai sutapti. Bet koks nukrypimas nuo koplanaro d?l sukimosi aplinkui s - ry?ys, jungiantis du anglies atomus, suma?ins persidengimo laipsn? ir atitinkamai suma??s stiprumas p -ry?is, kuris taip padeda i?laikyti molekul?s plok?tum?.

Rotacija aplink anglies-anglies dviguba jungtis ne?manoma.

Paskirstymas p -elektronai vir? ir ?emiau molekul?s plok?tumos rei?kia egzistavim? neigiamo kr?vio sritis, paruo?tas s?veikauti su bet kokiais elektron? tr?kumo reagentais.

Deguonies, azoto ir kt. atomai taip pat turi skirtingas valentines b?senas (hibridizacijas), o j? elektron? poros gali b?ti ir hibridin?je, ir p-orbital?je.

Anglis (C) yra ?e?tasis Mendelejevo periodin?s lentel?s elementas, kurio atomin? mas? yra 12. Elementas priklauso nemetalams ir jo izotopas yra 14 C. Anglies atomo strukt?ra yra visos organin?s chemijos pagrindas, nes visos organin?s med?iagos apima anglies molekules.

anglies atomas

Anglies pad?tis Mendelejevo periodin?je lentel?je:

• ?e?tasis serijos numeris;
• ketvirta grup?;
• antrasis periodas.

Ry?iai. 1. Anglies pad?tis periodin?je lentel?je.

Remiantis lentel?s duomenimis, galime daryti i?vad?, kad elemento anglies atomo strukt?ra apima du apvalkalus, ant kuri? yra ?e?i elektronai. Anglies, kuri yra organini? med?iag? dalis, valentingumas yra pastovus ir lygus IV. Tai rei?kia, kad i?oriniame elektroniniame lygmenyje yra keturi elektronai, o vidiniame – du.

I? keturi? elektron? du u?ima sferin? 2s orbit?, o lik? du – hantelio formos 2p orbit?. Su?adintoje b?senoje vienas elektronas juda i? 2s orbitos ? vien? i? 2p orbit?. Kai elektronas juda i? vienos orbitos ? kit?, energija i?eikvojama.

Taigi, su?adintas anglies atomas turi keturis nesuporuotus elektronus. Jo konfig?racij? galima i?reik?ti formule 2s 1 2p 3 . Tai leid?ia sudaryti keturis kovalentinius ry?ius su kitais elementais. Pavyzd?iui, metano (CH 4) molekul?je anglis sudaro ry?ius su keturiais vandenilio atomais – vien? ry?? tarp vandenilio ir anglies s-orbitali? ir tris ry?ius tarp anglies p-orbitali? ir vandenilio s-orbitali?.

Anglies atomo strukt?ros schema gali b?ti pavaizduota kaip +6C) 2) 4 arba 1s 2 2s 2 2p 2.

Ry?iai. 2. Anglies atomo sandara.

Fizin?s savyb?s

Anglis nat?raliai susidaro uolien? pavidalu. Yra ?inomos kelios alotropin?s anglies modifikacijos:

• grafitas;
• deimantas;
• karabinas;
• anglis;
• suod?iai.

Visos ?ios med?iagos skiriasi kristalin?s gardel?s strukt?ra. Kie?iausia med?iaga – deimantas – turi kubin? anglies form?. Auk?toje temperat?roje deimantas virsta ?e?iakamp?s strukt?ros grafitu.

Ry?iai. 3. Grafito ir deimanto kristalin?s gardel?s.

Chemin?s savyb?s

Anglies atomin? strukt?ra ir geb?jimas prijungti keturis kitos med?iagos atomus lemia chemines elemento savybes. Anglis reaguoja su metalais, sudarydama karbidus:

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

Taip pat reaguoja su metal? oksidais:

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

Esant auk?tai temperat?rai, anglis reaguoja su nemetalais, ypa? su vandeniliu, sudarydama angliavandenilius:

C + 2H 2 -> CH 4.

Su deguonimi anglis sudaro anglies dioksid? ir anglies monoksid?:

• C + O2 -> CO 2;
• 2C + O 2 -> 2CO.

Anglies monoksidas taip pat susidaro s?veikaujant su vandeniu:

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

Koncentruotos r?g?tys oksiduoja angl?, sudarydamos anglies dioksid?:

• 2H2SO4 + C -> CO2 + 2SO2 + 2H2O;
• 4HNO 3 + C -> CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O.

Ataskaitos ?vertinimas

Vidutinis reitingas: 4.1. I? viso gaut? ?vertinim?: 75.

Laikoma anglies jungini? chemija, ta?iau, atiduodami duokl? istorijai, jie vis dar vadina organine chemija. Tod?l labai svarbu i?samiau apsvarstyti ?io elemento atomo strukt?r?, jo suformuot? chemini? ry?i? pob?d? ir erdvin? krypt?.

Cheminio elemento valentingumas da?niausiai nustatomas pagal nesuporuot? elektron? skai?i?. Anglies atomas, kaip matyti i? elektronin?s grafin?s formul?s, turi du nesuporuotus elektronus, tod?l jiems dalyvaujant gali susidaryti dvi elektron? poros, kurios sudaro dvi kovalentines jungtis. Ta?iau organiniuose junginiuose anglis yra ne dvivalent?, o visada keturvalent?. Tai galima paai?kinti tuo, kad su?adintame (?gyjamame papildomos energijos) atome 2n-elektronai suyra ir vienas i? j? pereina ? 2p-orbital?:

Toks atomas turi keturis nesuporuotus elektronus ir gali dalyvauti kuriant keturis kovalentinius ry?ius.

Kovalentiniam ry?iui susidaryti b?tina, kad vieno atomo orbita sutapt? su kito atomo orbitale. Kuo daugiau sutapim?, tuo stipresnis ry?ys.

Vandenilio molekul?je H2 kovalentinis ry?ys susidaro d?l s-orbitali? persidengimo (3 pav.).

Atstumas tarp vandenilio atom? branduoli? arba jungties ilgis yra 7,4 * 10 -2 nm, o jo stipris yra 435 kJ / mol.

Palyginimui: fluoro F 2 molekul?je kovalentinis ry?ys susidaro d?l dviej? p-orbitali? persidengimo.

Fluoro-fluoro jungties ilgis yra 14,2x10 -2 nm, o jungties stiprumas (energija) yra 154 kJ/mol.

Cheminiai ry?iai, susidar? d?l elektron? orbitali? persidengimo i?ilgai ry?io linijos, vadinami a-ry?iais (sigma ry?iais).

Ry?io linija yra tiesi linija, jungianti atom? branduolius. v-orbital?ms galimas tik vienas persidengimo b?das – susidarant a-ry?iams.

p-orbital?s gali sutapti su a-jung?i? susidarymu, taip pat gali sutapti dviejuose regionuose, sudarydamos kito tipo kovalentin? ry?? - d?l „?oninio“ sutapimo:

Cheminiai ry?iai, susidar? d?l elektron? orbitali? „?oninio“ persidengimo u? ry?io linijos, ty dviejuose regionuose, vadinami n-ry?iais (pi-ry?iais).

Nagrin?jamas jungties tipas b?dingas etileno C2H4 ir acetileno C2H2 molekul?ms. Bet daugiau apie tai su?inosite kitoje pastraipoje.

1. U?ra?ykite anglies atomo elektronin? formul?. Paai?kinkite kiekvieno jame esan?io simbolio reik?m?.

Kokios yra boro, berilio ir li?io atom? elektronin?s formul?s?

Sudarykite elektronines grafines formules, atitinkan?ias ?i? element? atomus.

2. U?sira?ykite elektronines formules:

a) natrio atomas ir Na + katijonas;

b) magnio atomas ir Mg 2+ katijonas;

c) fluoro atomas ir anijonas F-;

d) deguonies atomas ir anijonas O2-;

e) vandenilio atomas ir H + ir H - jonai.

Sudarykite elektron? grafines formules elektron? pasiskirstymui ?i? daleli? orbitose.

3. Kurio cheminio elemento atomas atitinka elektronin? formul? 1s 2 2s 2 2p 6?

Kurie katijonai ir anijonai turi t? pa?i? elektronin? formul?? Sudarykite atomo ir ?i? jon? elektrongrafin? formul?.

4. Palyginkite ry?i? ilg? vandenilio ir fluoro molekul?se. Kas l?m? j? skirtum??

5. Azoto ir fluoro molekul?s yra dviatom?s. Palyginkite juose esan?i? atom? chemini? ry?i? skai?i? ir pob?d?.

Pamokos turinys pamokos santrauka paramos r?mo pamokos pristatymo pagreitinimo metodai interaktyvios technologijos Praktika u?duotys ir pratimai savianaliz?s seminarai, mokymai, atvejai, u?duotys nam? darbai diskusija klausimai retoriniai mokini? klausimai Iliustracijos garso, vaizdo klipai ir multimedija nuotraukos, paveiksl?liai grafika, lentel?s, schemos humoras, anekdotai, anekdotai, komiksai, palyginimai, posakiai, kry?ia?od?iai, citatos Priedai tez?s straipsniai lustai smalsiems cheat sheets vadov?liai pagrindinis ir papildomas termin? ?odynas kita Vadov?li? ir pamok? tobulinimasklaid? taisymas vadov?lyje vadov?lio fragmento atnaujinimas naujovi? element? pamokoje pasenusi? ?ini? pakeitimas naujomis Tik mokytojams tobulos pamokos kalendorinis planas metams diskusij? programos metodin?s rekomendacijos Integruotos pamokos