Fizik, kimya ve hatta astronomi alan?ndaki en son ke?iflerin ?nemli bir pratik uygulama alan?, ola?and???, bazen benzersiz ?zelliklere sahip yeni malzemelerin yarat?lmas? ve incelenmesidir. Bu ?al??malar?n y?r?t?ld??? y?nler ve bilim adamlar?n?n halihaz?rda ba?ard?klar? hakk?nda, Ural Federal ?niversitesi ile ortakla?a olu?turulan bir dizi makalede anlataca??z. ?lk metnimiz, en yayg?n madde olan karbondan elde edilebilecek ola?and??? malzemelere ayr?lm??t?r.

Bir kimyagere hangi elementin daha ?nemli oldu?unu sorarsan?z, ?ok farkl? cevaplar alabilirsiniz. Birisi hidrojen - evrendeki en yayg?n element, biri oksijen - yerkabu?undaki en yayg?n element hakk?nda s?yleyecektir. Ancak ?o?u zaman "karbon" cevab?n? duyacaks?n?z - DNA ve proteinlerden alkollere ve hidrokarbonlara kadar t?m organik maddelerin alt?nda yatan odur.

Makalemiz bu elementin ?e?itli g?r?n?mlerine ayr?lm??t?r: sadece atomlar?ndan - grafitten elmasa, karbinden fullerenlere ve nanot?plere - d?zinelerce farkl? malzemenin in?a edilebilece?i ortaya ??kt?. Hepsi tamamen ayn? karbon atomlar?ndan olu?mas?na ra?men, ?zellikleri k?kten farkl?d?r - ve malzemedeki atomlar?n dizilimi bunda ?nemli bir rol oynar.

Grafit

?o?u zaman do?ada saf karbon, kolayca pul pul d?k?len ve dokunuldu?unda kaygan g?r?nen yumu?ak siyah bir malzeme olan grafit bi?iminde bulunabilir. Bir?o?u, kur?un kalem u?lar?n?n grafitten yap?ld???n? hat?rlayabilir - ancak bu her zaman do?ru de?ildir. Genellikle kur?un, grafit yongalar? ve yap??t?r?c?n?n bir bile?iminden yap?l?r, ancak tamamen grafit kalemler de vard?r. ?lgin? bir ?ekilde, d?nyadaki do?al grafit ?retiminin yirmide birinden fazlas? kur?un kalemlere harcanmaktad?r.

Grafit hakk?nda ?zel olan nedir? Her ?eyden ?nce, elektri?i iyi iletir - ancak karbonun kendisi di?er metaller gibi de?ildir. Bir grafit levhas? al?rsak, d?zlemi boyunca iletkenli?in enine y?nden yakla??k y?z kat daha b?y?k oldu?u ortaya ??kar. Bu, malzemedeki karbon atomlar?n?n nas?l organize edildi?i ile do?rudan ilgilidir.

Grafitin yap?s?na bakarsak, bir atom kal?nl???nda ayr? katmanlardan olu?tu?unu g?r?r?z. Katmanlar?n her biri, bir bal pete?ine benzeyen bir alt?gen ?zgaras?d?r. Katman i?indeki karbon atomlar?, kovalent kimyasal ba?larla ba?lan?r. Ayr?ca, kimyasal ba?? sa?layan elektronlar?n bir k?sm? t?m d?zlem ?zerine "bula?m??"t?r. Hareketlerinin kolayl???, karbon pullar? d?zlemi boyunca grafitin y?ksek iletkenli?ini belirler.

Van der Waals kuvvetleri nedeniyle ayr? katmanlar birbirine ba?lan?r - bunlar normal kimyasal ba?dan ?ok daha zay?ft?r, ancak grafit kristalinin kendili?inden ayr?lmamas?n? sa?lamak i?in yeterlidir. B?yle bir tutars?zl?k, elektronlar?n d?zlemlere dik hareket etmesinin ?ok daha zor olmas?na neden olur - elektrik direnci 100 kat artar.

Elektrik iletkenli?i ve di?er elementlerin atomlar?n? katmanlar aras?na g?mme yetene?i nedeniyle grafit, lityum iyon piller ve di?er ak?m kaynaklar? i?in anot olarak kullan?l?r. Grafit elektrotlar metalik al?minyum ?retimi i?in gereklidir ve hatta troleyb?sler bile ak?m toplay?c?lar?n grafit kayar kontaklar?n? kullan?r.

Ayr?ca grafit, birim k?tle ba??na en y?ksek duyarl?l?klardan birine sahip bir diamagnettir. Bu, bir manyetik alana bir grafit par?as? yerle?tirirseniz, bu alan? m?mk?n olan her ?ekilde kendi d???na itmeye ?al??aca?? anlam?na gelir - grafitin yeterince g??l? bir m?knat?s?n ?zerinde y?kselebilece?i noktaya kadar.

Ve grafitin son ?nemli ?zelli?i, inan?lmaz refrakterli?idir. Bug?n en refrakter madde, erime noktas? yakla??k 4000 santigrat derece olan hafniyum karb?rlerden biridir. Bununla birlikte, grafiti eritmeye ?al???rsan?z, yakla??k y?z atmosferlik bas?n?larda, 4800 santigrat dereceye kadar sertli?i koruyacakt?r (atmosferik bas?n?ta, grafit s?blimle?ir - s?v? faz? atlayarak buharla??r). Sonu? olarak, ?rne?in roket meme g?vdelerinde grafit bazl? malzemeler kullan?l?r.

Elmas

Bas?n? alt?ndaki bir?ok malzeme atomik yap?lar?n? de?i?tirmeye ba?lar - bir faz ge?i?i meydana gelir. Grafit bu anlamda di?er malzemelerden farkl? de?ildir. Y?z bin atmosfer bas?n?ta ve 1-2 bin santigrat derece s?cakl?kta, karbon katmanlar? birbirine yakla?maya ba?lar, aralar?nda kimyasal ba?lar olu?ur ve bir kez p?r?zs?z d?zlemler oluklu hale gelir. Karbonun en g?zel formlar?ndan biri olan elmas olu?ur.

Elmas?n ?zellikleri grafitten k?kten farkl?d?r - sert ?effaf bir malzemedir. ?izilmesi son derece zordur (Mohs sertlik ?l?e?inde 10'un sahibi, bu maksimum sertliktir). Ayn? zamanda, elmas ve grafitin elektriksel iletkenli?i, kentilyon fakt?r? ile farkl?l?k g?sterir (bu, 18 s?f?rl? bir say?d?r).

kayadaki elmas

Wikimedia Commons

Bu, elmaslar?n kullan?m?n? belirler: may?nl? ve yapay elmaslar?n ?o?u, metal i?leme ve di?er end?strilerde kullan?l?r. ?rne?in elmas tozu veya kaplamal? ta?lama ta?lar? ve kesici tak?mlar yayg?nd?r. Elmas kaplamalar ameliyatta bile kullan?l?r - ne?ter i?in. Bu ta?lar?n kuyumculuk sekt?r?nde kullan?m? herkes taraf?ndan iyi bilinmektedir.

Bilimsel ara?t?rmalarda da inan?lmaz sertlik kullan?l?r - laboratuvarlar?n milyonlarca atmosfer bas?nc?nda malzemeleri inceledi?i y?ksek kaliteli elmaslar?n yard?m?yla. Bununla ilgili daha fazla bilgiyi "" materyalimizde okuyabilirsiniz.

grafen

Grafiti s?k??t?rmak ve ?s?tmak yerine, Andrey Geim ve Konstantin Novoselov'u izleyerek grafit kristaline bir par?a yap??kan bant yap??t?raca??z. Ard?ndan soyun - yap??kan bant ?zerinde ince bir grafit tabakas? kalacakt?r. Bu i?lemi bir kez daha tekrarlayal?m - band? ince bir tabakaya uygulay?n ve tekrar soyun. Katman daha da ince hale gelecektir. Prosed?r? birka? kez daha tekrarlayarak, yukar?da belirtilen ?ngiliz fizik?ilerin 2010'da Nobel ?d?l?'n? ald??? malzeme olan grafen elde ederiz.

Grafen, grafitin atomik katmanlar?yla tamamen ayn? olan d?z bir karbon atomu katman?d?r. Pop?lerli?i, i?indeki elektronlar?n ola?and??? davran???ndan kaynaklanmaktad?r. Sanki hi? k?tleleri yokmu? gibi hareket ederler. Ger?ekte, elbette, elektronlar?n k?tlesi herhangi bir maddede oldu?u gibi ayn? kal?r. Grafen iskeletinin karbon atomlar? her ?eyin su?lusu, y?kl? par?ac?klar? kendine ?ekiyor ve ?zel bir periyodik alan olu?turuyor.

Grafen tabanl? cihaz. Foto?raf?n arka plan?nda alt?n kontaklar, ?stlerinde grafen, ?stte ince bir polimetil metakrilat tabakas? var.

Cambridge'de M?hendislik / flickr.com

Bu davran???n sonucu, elektronlar?n y?ksek hareketlili?iydi - grafen i?inde silikondan ?ok daha h?zl? hareket ederler. Bu nedenle bir?ok bilim insan?, grafenin gelece?in elektroni?inin temeli olaca??n? umuyor.

?lgin? bir ?ekilde, grafenin karbon kar??l?klar? vard?r - ve. Bunlardan ilki hafif ?arp?k be?gen b?l?mlerden olu?ur ve grafenden farkl? olarak zay?f bir elektrik iletkenidir. Fagrafen be?li, alt?l? ve yedigen b?l?mlerden olu?ur. Grafenin ?zellikleri t?m y?nlerde ayn?ysa, o zaman fagrafen belirgin bir anizotropiye sahip olacakt?r. Bu malzemelerin her ikisi de teorik olarak tahmin edildi, ancak ger?ekte hen?z mevcut de?il.

Dikey bir karbon nanot?p dizisi ?zerinde bir silikon tek kristal par?as? (?n planda)

karbon nanot?pler

K???k bir grafen tabakas?n? bir t?pe sard???n?z? ve u?lar?n? birbirine yap??t?rd???n?z? hayal edin. Sonu?, grafen ve grafit ile ayn? alt?gen karbon atomlar?ndan olu?an i?i bo? bir yap?yd? - bir karbon nanot?p. Bu malzeme bir?ok y?nden grafen ile ilgilidir - y?ksek mekanik mukavemete (bir kez karbon nanot?plerden uzaya bir asans?r in?a edilmesi ?nerildi), y?ksek elektron hareketlili?ine sahiptir.

Ancak, al???lmad?k bir ?zellik var. Grafen tabakas? hayali bir kenara (alt?genlerden birinin kenar?) paralel veya bir a??yla b?k?lebilir. Bir karbon nanot?p? nas?l b?kt???m?z?n elektronik ?zelliklerini b?y?k ?l??de etkileyece?i ortaya ??k?yor, yani: daha ?ok bant aral??? veya metal olan bir yar? iletken gibi g?r?necek.

?ok katmanl? karbon nanot?p

Wikimedia Commons

Karbon nanot?plerin ilk ne zaman g?zlemlendi?i kesin olarak bilinmiyor. 1950'ler ve 1980'lerde, hidrokarbonlar? (?rne?in metan pirolizi) i?eren reaksiyonlar?n katalizinde yer alan ?e?itli ara?t?rmac? gruplar?, kataliz?r? kaplayan kurumdaki uzun yap?lara dikkat ettiler. ?imdi, sadece belirli bir tipte (belirli bir kiralitede) karbon nanot?pleri sentezlemek i?in kimyagerler ?zel tohumlar?n kullan?lmas?n? ?nermektedir. Bunlar, s?rayla alt?gen benzen halkalar?ndan olu?an halka ?eklindeki k???k molek?llerdir. ?rne?in, sentezleri ?zerindeki ?al??malar? okuyabilirsiniz.

Grafen gibi, karbon nanot?pler de mikro elektronikte harika uygulamalar bulabilir. ?zellikleri a??s?ndan geleneksel silikon cihazlar olan nanot?plere dayal? ilk transist?rler zaten yarat?lm??t?r. Ayr?ca nanot?pler ile transist?r?n temelini olu?turdu.

karabina

Uzun karbon atomu yap?lar?ndan bahsetmi?ken, karabinalardan bahsetmemek m?mk?n de?il. Bunlar, teorisyenlere g?re, m?mk?n olan en g??l? malzeme olabilece?i ortaya ??kan do?rusal zincirlerdir (belirli bir g??ten bahsediyoruz). ?rne?in, karabina i?in Young mod?l?n?n kilogram ba??na 10 giganewton oldu?u tahmin edilmektedir. ?elik i?in bu rakam grafen i?in 400 kat daha az - en az iki kat daha az.

A?a??daki demir par?ac???na uzanan ince iplik - karabina

Wikimedia Commons

Carbynes, karbon atomlar? aras?ndaki ba?lar?n nas?l d?zenlendi?ine ba?l? olarak iki tiptedir. Zincirdeki t?m ba?lar ayn?ysa, o zaman k?m?lenden bahsediyoruz, ancak ba?lar de?i?iyorsa (tek-??l?-tek-??l? vb.), o zaman polienlerden bahsediyoruz. Fizik?iler, karabina ipli?inin deformasyon yoluyla bu iki tip aras?nda "ge?i? yap?labilece?ini" g?stermi?tir - gerildi?inde, k?m?len poliyne d?n???r. ?lgin? bir ?ekilde, bu, carbyne'nin elektriksel ?zelliklerini k?kten de?i?tirir. Polyyne elektri?i iletiyorsa, k?m?len bir dielektriktir.

Carbynes'i incelemenin ana zorlu?u, sentezlenmelerinin ?ok zor olmas?d?r. Bunlar kimyasal olarak aktif maddelerdir, ayr?ca kolayca oksitlenirler. Bug?n zincirler sadece alt? bin atom uzunlu?undad?r. Bunu ba?armak i?in kimyagerler bir karbon nanot?p i?inde carbyne yeti?tirmek zorunda kald?lar. Ek olarak, karabina sentezi, bir transist?rdeki kap? boyutu rekorunu k?rmaya yard?mc? olacakt?r - bir atoma indirgenebilir.

Fullerenler

Alt?gen, karbon atomlar?n?n olu?turabilece?i en kararl? konfig?rasyonlardan biri olmas?na ra?men, d?zenli karbon be?geninin meydana geldi?i b?t?n bir kompakt nesne s?n?f? vard?r. Bu nesnelere fullerenler denir.

1985'te Harold Kroto, Robert Curl ve Richard Smalley, karbon buhar?n? ve so?utuldu?unda karbon atomlar?n?n hangi par?alara yap??t???n? ara?t?rd?. Gaz faz?nda iki s?n?f nesne oldu?u ortaya ??kt?. Birincisi 2-25 atomdan olu?an k?melerdir: zincirler, halkalar ve di?er basit yap?lar. ?kincisi, daha ?nce g?zlemlenmemi? 40-150 atomdan olu?an k?melerdir. Sonraki be? y?l boyunca kimyagerler, bu ikinci s?n?f?n, en kararl?s? 60 atomdan olu?an ve bir futbol topu ?eklinde olan i?i bo? bir karbon atomu ?er?evesi oldu?unu kan?tlayabildiler. C60 veya buckminsterfullerene, yirmi alt?gen b?l?mden ve bir k?re ?eklinde birbirine tutturulmu? 12 be?gen b?l?mden olu?uyordu.

Fullerenlerin ke?fi kimyagerler aras?nda b?y?k ilgi uyand?rd?. Daha sonra, al???lmad?k bir endofulleren s?n?f? sentezlendi - bo?lu?unda bir miktar yabanc? atom veya k???k bir molek?l bulunan fullerenler. ?rne?in, sadece bir y?l ?nce, fullerene ilk kez bir hidroflorik asit molek?l? eklendi ve bu da elektronik ?zelliklerini ?ok do?ru bir ?ekilde belirlemeyi m?mk?n k?ld?.

Fulleritler - fulleren kristalleri

Wikimedia Commons

1991 y?l?nda, fulleridlerin - biti?ik ?oky?zl?ler aras?ndaki bo?luklar?n bir k?sm?n?n metaller taraf?ndan i?gal edildi?i fulleren kristalleri - bu s?n?f i?in rekor y?ksek ge?i? s?cakl???na sahip molek?ler s?per iletkenler, yani 18 kelvin (K 3 C 60 i?in) ortaya ??kt?. Daha sonra, daha da y?ksek ge?i? s?cakl???na sahip fulleritler bulundu - 33 kelvin, Cs 2 RbC 60 . Bu t?r ?zelliklerin do?rudan maddenin elektronik yap?s? ile ilgili oldu?u ortaya ??kt?.

Q-karbon

Son zamanlarda ke?fedilen karbon formlar? aras?nda Q-karbon olarak adland?r?lanlar not edilebilir. 2015 y?l?nda Kuzey Carolina ?niversitesi'nden ilk Amerikan Malzeme Bilimcisi oldu. Bilim adamlar?, amorf karbonu g??l? bir lazerle ???nlad? ve malzemeyi yerel olarak 4000 santigrat dereceye kadar ?s?tt?. Sonu? olarak, maddedeki t?m karbon atomlar?n?n yakla??k d?rtte biri sp 2 hibridizasyonu, yani grafit ile ayn? elektronik durumu ald?. Kalan Q-karbon atomlar?, elmas?n hibridizasyon ?zelli?ini korudu.

Q-karbon

Elmas, grafit ve di?er karbon formlar?ndan farkl? olarak Q-karbon, manyetit veya demir gibi bir ferromanyettir. Ayn? zamanda, Curie s?cakl??? yakla??k 220 santigrat dereceydi - ancak bu t?r ?s?tma ile malzeme manyetik ?zelliklerini kaybetti. Ve Q-karbon bor ile katk?land???nda, fizik?iler ge?i? s?cakl??? yakla??k 58 kelvin olan ba?ka bir karbon s?periletken elde ettiler.

***

Listelenen t?m karbon formlar? de?ildir. Dahas?, ?u anda teorisyenler ve deneyciler yeni karbon malzemeleri yarat?yor ve inceliyorlar. ?zellikle, bu t?r ?al??malar Ural Federal ?niversitesi'nde y?r?t?lmektedir. Ural Federal ?niversitesi Fizik ve Teknoloji Enstit?s?'nde Do?ent ve Ba? Ara?t?rmac? olan Anatoly Fedorovich Zatsepin'e, hen?z sentezlenmemi? malzemelerin ?zelliklerini nas?l tahmin edece?imizi ve yeni karbon formlar? yarataca??m?z? ??renmek i?in ba?vurduk.

Anatoly Zatsepin, Ural Federal ?niversitesi'nin "karbonun d???k boyutlu modifikasyonlar?na dayal? yeni fonksiyonel malzemelerin temel ilkelerinin geli?tirilmesi" adl? ????r a?an alt? bilimsel projesinden biri ?zerinde ?al???yor. ?al??ma, Rusya ve d?nyadaki akademik ve end?striyel ortaklarla y?r?t?lmektedir.

Proje, ?niversitenin stratejik bir akademik birimi (SA?) olan UrFU Fizik ve Teknoloji Enstit?s? taraf?ndan uygulanmaktad?r. ?niversitenin ba?ta konu alanlar?nda olmak ?zere Rusya ve uluslararas? s?ralamadaki konumu, ara?t?rmac?lar?n ba?ar?s?na ba?l?d?r.

N+1: Karbon nanomalzemelerin ?zellikleri b?y?k ?l??de yap?ya ba?l?d?r ve ?ok ?e?itlidir. Bir malzemenin ?zelliklerini yap?s?ndan bir ?ekilde ?nceden tahmin etmek m?mk?n m?d?r?

Anatoly Zatsepin: Tahmin etmek m?mk?n ve bunu yap?yoruz. ?lk prensip hesaplamalar?n? ger?ekle?tiren bilgisayar sim?lasyon y?ntemleri vard?r ( ilk ba?ta) - Belli bir yap?, model ortaya koyuyoruz ve bu yap?y? olu?turan atomlar?n t?m temel ?zelliklerini al?yoruz. Sonu? olarak, modelledi?imiz malzemenin veya yeni maddenin sahip olabilece?i ?zellikler elde edilir. ?zellikle karbonla ilgili olarak, do?an?n bilmedi?i yeni modifikasyonlar? modelleyebildik. Yapay olarak olu?turulabilirler.

?zellikle Ural Federal ?niversitesi'ndeki laboratuvar?m?z ?u anda yeni bir karbon t?r?n?n ?zelliklerini geli?tirmekte, sentezlemekte ve ara?t?rmaktad?r. ?u ?ekilde adland?r?labilir: iki boyutlu olarak s?ralanm?? do?rusal zincirli karbon. B?yle uzun bir isim, bu malzemenin s?zde 2D yap? olmas?ndan kaynaklanmaktad?r. Bunlar ayr? karbon zincirlerinden olu?an filmlerdir ve her zincir i?inde karbon atomlar? ayn? "kimyasal formda" - sp 1 hibridizasyonundad?r. Bu, malzemeye tamamen ola?and??? ?zellikler verir; sp 1-karbon zincirlerinde, mukavemet, elmas?n ve di?er karbon modifikasyonlar?n?n mukavemetini a?ar.

Bu zincirlerden filmler olu?turdu?umuzda, karbon zincirlerinde bulunan ?zelliklere sahip yeni bir malzeme elde edilir ve ayr?ca bu s?ral? zincirlerin kombinasyonu ?zel bir alt tabaka ?zerinde iki boyutlu bir yap? veya s?per ?rg? olu?turur. B?yle bir malzemenin sadece mekanik ?zelliklerinden dolay? de?il, b?y?k beklentileri vard?r. En ?nemlisi, belirli bir konfig?rasyondaki karbon zincirleri bir halkaya kapat?labilir ve s?per iletkenlik gibi ?ok ilgin? ?zellikler ortaya ??kar ve bu t?r malzemelerin manyetik ?zellikleri mevcut ferromanyetlerden daha iyi olabilir.

Zorluk onlar? ger?ekten yaratmak i?in kal?r. Sim?lasyonumuz gidilecek yolu g?steriyor.

Malzemelerin ger?ek ve tahmin edilen ?zellikleri ne kadar farkl??

Hata her zaman vard?r, ancak ger?ek ?u ki, ilk prensip hesaplamalar? ve modelleme, bireysel atomlar?n temel ?zelliklerini - kuantum ?zelliklerini kullan?r. Ve bu kuantum atomlar?ndan mikro ve nano d?zeyde yap?lar olu?turuldu?unda, hatalar teorinin mevcut s?n?rlamalar? ve mevcut modellerle ili?kilendirilir. ?rne?in, Schr?dinger denkleminin yaln?zca hidrojen atomu i?in tam olarak ??z?lebilece?i bilinirken, kat?lardan veya daha karma??k sistemlerden bahsediyorsak daha a??r atomlar i?in belirli yakla??mlar?n kullan?lmas? gerekir.

?te yandan, bilgisayar hesaplamalar? nedeniyle hatalar meydana gelebilir. B?t?n bunlarla birlikte, br?t hatalar hari? tutulur ve do?ruluk, belirli bir malzemenin do?as?nda olacak bir veya daha fazla ?zelli?i veya etkiyi tahmin etmek i?in yeterlidir.

Bu ?ekilde ka? malzeme tahmin edilebilir?

Karbon malzemeler s?z konusu oldu?unda, bir?ok varyasyon var ve eminim ki hen?z ?ok fazla ke?fedilmemi? ve ke?fedilmemi?tir. UrFU, yeni karbon malzemeleri ara?t?rmak i?in her ?eye sahiptir ve ileride yap?lacak ?ok i? vard?r.

Ayr?ca mikroelektronik i?in silikon malzemeler gibi di?er nesnelerle de ilgileniyoruz. Bu arada silikon ve karbon analogdur, periyodik tabloda ayn? gruptad?rlar.

Vladimir Korolev

makalenin i?eri?i

KARBON, C (karbon), Periyodik Elementler Tablosunun IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) grubunun metalik olmayan bir kimyasal elementidir. Do?ada elmas kristalleri (?ekil 1), grafit veya fulleren ve di?er formlarda bulunur ve organik (k?m?r, petrol, hayvan ve bitki organizmalar? vb.) ve inorganik maddelerin (kire?ta??, kabartma tozu vb.) bir par?as?d?r. .).

Karbon yayg?nd?r, ancak yerkabu?undaki i?eri?i sadece %0,19'dur.

Karbon yayg?n olarak basit maddeler ?eklinde kullan?lmaktad?r. M?cevherat konusu olan de?erli p?rlantalara ek olarak, end?striyel p?rlantalar - ta?lama ve kesme aletleri ?retimi i?in b?y?k ?nem ta??maktad?r.

K?m?r ve di?er amorf karbon formlar?, geli?mi? bir y?zeye sahip adsorbanlar?n gerekli oldu?u teknoloji alanlar?nda renk giderme, safla?t?rma, gazlar?n adsorpsiyonu i?in kullan?l?r. Karb?rler, metalli karbon bile?ikleri ve ayr?ca bor ve silikonlu (?rne?in, Al 4 C3 , SiC, B 4 C) y?ksek sertlik ile karakterize edilir ve a??nd?r?c? ve kesici aletler yapmak i?in kullan?l?r. Karbon, ?eliklerde ve ala??mlarda elementel halde ve karb?rler ?eklinde bulunur. ?elik d?k?mlerin y?zeyinin y?ksek s?cakl?kta (?imentolama) karbon ile doymas?, y?zey sertli?ini ve a??nma direncini ?nemli ?l??de art?r?r. Ayr?ca bak?n?z ALA?IMLAR.

Do?ada pek ?ok farkl? grafit formu vard?r; baz?lar? yapay olarak elde edilir; amorf formlar mevcuttur (?rn. kok ve k?m?r). Oksijen yoklu?unda hidrokarbonlar yand???nda is, kemik k?m?r?, lamba siyah?, asetilen siyah? olu?ur. Lafta beyaz karbon azalt?lm?? bas?n? alt?nda pirolitik grafitin s?blimle?tirilmesiyle elde edilir - bunlar sivri u?lu kenarlar? olan en k???k ?effaf grafit kristalleridir.

Tarih referans?.

Grafit, elmas ve amorf karbon antik ?a?lardan beri bilinmektedir. Di?er malzemelerin grafit ile i?aretlenebilece?i uzun zamand?r bilinmektedir ve Yunanca "yazmak" anlam?na gelen kelimeden gelen "grafit" ad? 1789'da A. Werner taraf?ndan ?nerilmi?tir. kar???k, genellikle benzer d?? fiziksel ?zelliklere sahip maddeler onunla kar??t?r?ld?. , bir zamanlar grafit olarak kabul edilen molibdenit (molibden s?lf?r) gibi. Grafitin di?er isimleri aras?nda "siyah kur?un", "demir karb?r", "g?m?? kur?un" bulunur. 1779'da K. Scheele, grafitin karbon dioksit olu?turmak i?in hava ile oksitlenebilece?ini buldu.

Elmaslar ilk kez Hindistan'da ve Brezilya'da kullan?m buldu ve de?erli ta?lar 1725'te ticari ?nem kazand?; G?ney Afrika'daki mevduat 1867'de ke?fedildi. 20. y?zy?lda. Ana elmas ?reticileri G?ney Afrika, Zaire, Botsvana, Namibya, Angola, Sierra Leone, Tanzanya ve Rusya'd?r. 1970 y?l?nda teknolojisi olu?turulan yapay elmaslar end?striyel ama?larla ?retilmektedir.

Allotropi.

Bir maddenin yap?sal birimleri (monatomik elementler i?in atomlar veya ?ok atomlu elementler ve bile?ikler i?in molek?ller) birbiriyle birden fazla kristal formda birle?ebiliyorsa, bu fenomene allotropi denir. Karbonun ?? allotropik modifikasyonu vard?r - elmas, grafit ve fulleren. Elmasta, her bir karbon atomunun k?bik bir yap? olu?turan, tetrahedral olarak yerle?tirilmi? 4 kom?usu vard?r (?ekil 1, a). Bu yap?, ba??n maksimum kovalans?na tekab?l eder ve her bir karbon atomunun 4 elektronunun t?m?, y?ksek mukavemetli C-C ba?lar? olu?turur, yani. yap?da iletken elektron yoktur. Bu nedenle elmas, iletkenlik eksikli?i, d???k ?s? iletkenli?i, y?ksek sertlik ile ay?rt edilir; bilinen en sert maddedir (?ekil 2). D?rt y?zl? yap?daki C–C ba??n? (ba? uzunlu?u 1.54 ?, dolay?s?yla kovalent yar??ap 1.54/2 = 0.77 ?) k?rmak ?ok fazla enerji gerektirir, bu nedenle elmas, ola?an?st? sertlikle birlikte y?ksek bir erime noktas? (3550) ile karakterize edilir. °C).

Karbonun di?er bir allotropik formu, ?zellikleri bak?m?ndan elmastan ?ok farkl? olan grafittir. Grafit, iyi elektriksel iletkenlik (elektrik direnci 0,0014 Ohm cm) ile karakterize edilen, kristalleri kolayca eksfoliye eden yumu?ak siyah bir maddedir. Bu nedenle, y?ksek s?cakl?klar olu?turman?n gerekli oldu?u ark lambalar?nda ve f?r?nlarda (?ekil 3) grafit kullan?l?r. N?kleer reakt?rlerde n?tron moderat?r? olarak y?ksek safl?kta grafit kullan?l?r. Y?ksek bas?n?ta erime noktas? 3527 ° C'dir. Normal bas?n?ta, grafit 3780 ° C'de s?blimle?ir (kat? halden gaza ge?er).

Grafit yap?s? (?ekil 1, b), ba? uzunlu?u 1.42 ? (elmastakinden ?nemli ?l??de daha k?sa) olan kayna?m?? alt?gen halkalardan olu?an bir sistemdir, ancak her karbon atomunun ?? kom?usu olan ?? (elmastaki gibi d?rt yerine) kovalent ba?? ve d?rd?nc? ba?? ( 3.4) vard?r. ?) bir kovalent ba? i?in ?ok uzundur ve paralel istiflenmi? grafit katmanlar?n? birbirine zay?f bir ?ekilde ba?lar. Grafitin termal ve elektriksel iletkenli?ini belirleyen d?rd?nc? karbon elektronudur - bu daha uzun ve daha az g??l? ba?, elmasa k?yasla daha d???k sertli?ine yans?yan daha az grafit kompaktl??? olu?turur (grafit yo?unlu?u 2.26 g / cm3, elmas - 3.51 g/cm 3). Ayn? nedenden dolay?, grafit dokunuldu?unda kaygand?r ve kayganla?t?r?c? ve kur?un kalem yap?m?nda kullan?lan maddenin pullar?n? kolayca ay?r?r. Kur?unun kur?un parlakl???, esas olarak grafit varl???ndan kaynaklanmaktad?r.

Karbon lifleri y?ksek mukavemete sahiptir ve suni ipek veya di?er y?ksek karbonlu iplikleri yapmak i?in kullan?labilir.

Y?ksek bas?n? ve s?cakl?kta, demir gibi bir kataliz?r varl???nda grafit elmasa d?n??t?r?lebilir. Bu s?re?, yapay elmaslar?n end?striyel ?retimi i?in uygulanm??t?r. Kataliz?r?n y?zeyinde elmas kristalleri b?y?r. Grafit-elmas dengesi 15.000 atm ve 300 K veya 4.000 atm ve 1.500 K'de mevcuttur. Hidrokarbonlardan da yapay elmas elde edilebilir.

Kristal olu?turmayan amorf karbon formlar?, hava eksikli?i olan ve so?uk bir y?zey ?zerinde yo?unla?an hidrokarbonlar?n d???k s?cakl?kta yanmas? s?ras?nda olu?an, havaya eri?imi olmayan bir a?ac?n ?s?t?lmas?yla elde edilen k?m?r, lamba ve gaz kurumu, kemik k?m?r? - kemik y?k?m kuma?lar?n?n yan? s?ra k?m?r (safs?zl?klar? olan do?al bir madde) ve kok k?m?r? i?leminde kalsiyum fosfata bir katk?, k?m?r?n veya petrol kal?nt?lar?n?n (bit?ml? k?m?rler) kuru dam?t?lmas?yla yak?tlar?n kokla?t?r?lmas?ndan elde edilen kuru bir kal?nt?, yani havas?z ?s?tma. Kok, demir ve demir d??? metalurjide demir eritme i?in kullan?l?r. Kokla?t?rma s?ras?nda gazl? ?r?nler de olu?ur - kok f?r?n gaz? (H 2 , CH 4 , CO, vb.) ve benzin, boya, g?bre, ila?, plastik vb. ?retimi i?in hammadde olan kimyasal ?r?nler. Kok ?retimi i?in ana aparat?n ?emas? - bir kok f?r?n? - ?ek. 3.

?e?itli k?m?r ve kurum t?rleri, geli?mi? bir y?zey ile karakterize edilir ve bu nedenle gaz ve s?v? ar?tma i?in adsorbanlar ve ayr?ca kataliz?rler olarak kullan?l?r. ?e?itli karbon formlar?n? elde etmek i?in ?zel kimyasal teknoloji y?ntemleri kullan?l?r. Yapay grafit, antrasit veya petrol kokunun 2260°C'de (Acheson prosesi) karbon elektrotlar? aras?nda kalsine edilmesiyle elde edilir ve ?zellikle metallerin elektrolitik ?retimi i?in ya?lay?c? ve elektrot ?retiminde kullan?l?r.

Karbon atomunun yap?s?.

12 k?tleli en kararl? karbon izotopunun (%98.9 bolluk) ?ekirde?i, helyum ?ekirde?ine benzer ?ekilde, her biri 2 proton ve iki n?tron i?eren ?? d?rtl? halinde d?zenlenmi? 6 proton ve 6 n?trona (12 n?kleon) sahiptir. Di?er bir kararl? karbon izotopu 13 C'dir (yakla??k %1,1) ve karars?z bir izotop 14 C do?ada eser miktarlarda bulunur ve yar? ?mr? 5730 y?ld?r. b-radyasyon. CO2 formundaki ?? izotopun t?m?, canl? maddenin normal karbon d?ng?s?ne kat?l?r. Canl? bir organizman?n ?l?m?nden sonra karbon t?ketimi durur ve C i?eren nesneler radyoaktivite d?zeyi ?l??lerek tarihlenebilir 14 C. Azalma b-14 CO2 radyasyonu ?l?mden bu yana ge?en s?re ile orant?l?d?r. 1960 y?l?nda, W. Libby, radyoaktif karbon ?zerine yapt??? ara?t?rmalar i?in Nobel ?d?l?'ne lay?k g?r?ld?.

Temel durumda, 6 karbon elektronu, 1 elektron konfig?rasyonunu olu?turur. s 2 2s 2 2px 1 2p 1 2pz 0 . ?kinci seviyenin d?rt elektronu, periyodik sistemin IVA grubundaki karbonun konumuna kar??l?k gelen de?erliktir ( santimetre. ELEMENTLER?N PER?YOD?K TABLOSU). Gaz faz?ndaki bir atomdan bir elektronun ayr?lmas? b?y?k bir enerji (yakla??k 1070 kJ / mol) gerektirdi?inden, karbon di?er elementlerle iyonik ba?lar olu?turmaz, ??nk? bu bir elektronun pozitif olu?umu ile ayr?lmas?n? gerektirecektir. iyon. 2.5 elektronegatifli?i ile karbon, g??l? bir elektron ilgisi g?stermez ve bu nedenle aktif bir elektron al?c?s? de?ildir. Bu nedenle, negatif y?kl? bir par?ac?k olu?turmaya e?ilimli de?ildir. Ancak ba??n k?smen iyonik do?as? ile, ?rne?in karb?rler gibi baz? karbon bile?ikleri mevcuttur. Bile?iklerde, karbon 4 oksidasyon durumu sergiler. D?rt elektronun ba? olu?umuna kat?labilmesi i?in 2'nin bozulmas? gerekir. s-elektronlar ve bu elektronlardan birinin 2 ile s??ramas? pz-orbital; bu durumda, aralar?nda 109°'lik bir a??yla 4 tetrahedral ba? olu?ur. Bile?iklerde, karbonun de?erlik elektronlar? ondan yaln?zca k?smen ?ekilir, bu nedenle karbon, ortak bir elektron ?ifti kullanarak kom?u C-C tipi atomlar aras?nda g??l? kovalent ba?lar olu?turur. B?yle bir ba??n kopma enerjisi 335 kJ/mol iken Si–Si ba?? i?in sadece 210 kJ/mol'd?r; bu nedenle uzun –Si–Si– zincirleri karars?zd?r. Ba??n kovalent yap?s?, karbon, CF4 ve CCl4 ile olduk?a reaktif halojenlerin bile?iklerinde bile korunur. Karbon atomlar?, ba? olu?umu i?in her bir karbon atomundan birden fazla elektron sa?layabilir; b?ylece ikili C=C ve ??l? C?C ba?lar? olu?ur. Di?er elementler de atomlar? aras?nda ba?lar olu?turur, ancak yaln?zca karbon uzun zincirler olu?turabilir. Bu nedenle, karbonun hidrojen ve di?er karbon atomlar?na ba?land???, uzun zincirler veya halka yap?lar? olu?turan hidrokarbonlar olarak adland?r?lan karbon i?in binlerce bile?ik bilinmektedir. Santimetre. K?MYA ORGAN?K.

Bu bile?iklerde, hidrojenin di?er atomlarla, ?o?unlukla oksijen, azot ve halojenlerle de?i?tirilmesi, bir?ok organik bile?i?in olu?umu ile m?mk?nd?r. Hidrojenin flor ile yer de?i?tirdi?i hidrokarbonlar olan florokarbonlar, bunlar aras?nda ?nemli bir yer tutar. Bu t?r bile?ikler son derece at?ld?r ve plastik ve ya?lay?c?lar (florokarbonlar, yani t?m hidrojen atomlar?n?n flor atomlar? ile de?i?tirildi?i hidrokarbonlar) ve d???k s?cakl?kl? so?utucular (freonlar veya freonlar, - floroklorohidrokarbonlar) olarak kullan?l?rlar.

1980'lerde ABD'li fizik?iler, karbon atomlar?n?n 5 veya 6-gon'da ba?land??? ve m?kemmel bir futbol topu simetrisine sahip i?i bo? bir top ?eklinde bir C 60 molek?l? olu?turan ?ok ilgin? karbon bile?ikleri ke?fettiler. B?yle bir tasar?m, Amerikal? mimar ve m?hendis Buckminster Fuller taraf?ndan icat edilen "jeodezik kubbe"nin temelini olu?turdu?undan, yeni bile?ik s?n?f?na "buckminsterfullerenes" veya "fulerenler" (ve ayr?ca daha k?saca "fasiballs" veya "buckyballs") ad? verildi. Fullerenler - 60 veya 70 (ve hatta daha fazla) atomdan olu?an saf karbonun (elmas ve grafit hari?) ???nc? modifikasyonu - lazer radyasyonunun en k???k karbon par?ac?klar? ?zerindeki etkisiyle elde edildi. Daha karma??k bir formdaki fullerenler, birka? y?z karbon atomundan olu?ur. C 60 molek?l?n?n ?ap? ~ 1 nm'dir. B?yle bir molek?l?n merkezinde b?y?k bir uranyum atomunu bar?nd?racak kadar bo?luk vard?r.

standart atom k?tlesi

1961'de, Uluslararas? Saf ve Uygulamal? Kimya Birlikleri (IUPAC) ve fizikte, daha ?nce var olan atom k?tlelerinin oksijen ?l?e?ini ortadan kald?rarak, karbon izotopu 12 C'nin k?tlesini atomik k?tle birimi olarak kabul etti. Bu sistemdeki karbonun atom k?tlesi 12.011'dir, ??nk? do?adaki bolluklar? dikkate al?nd???nda ?? do?al karbon izotopunun ortalamas?d?r. Santimetre. ATOM K?TLE.

Karbonun ve baz? bile?iklerinin kimyasal ?zellikleri.

K?MYASAL ELEMENTLER makalesinde karbonun baz? fiziksel ve kimyasal ?zellikleri verilmi?tir. Karbonun reaktivitesi, modifikasyonuna, s?cakl???na ve da??l?m?na ba?l?d?r. D???k s?cakl?klarda, t?m karbon formlar? olduk?a inerttir, ancak ?s?t?ld?klar?nda atmosferik oksijen taraf?ndan oksitlenerek oksitler olu?tururlar:

Oksijeni a?an ince da??lm?? karbon, ?s?t?ld???nda veya bir k?v?lc?mla patlayabilir. Do?rudan oksidasyona ek olarak, oksit elde etmek i?in daha modern y?ntemler vard?r.

suboksit karbon

Malonik asidin P 4 O 10 ?zerinden dehidrasyonu s?ras?nda C 3 O 2 olu?ur:

C 3 O 2 ho? olmayan bir kokuya sahiptir, kolayca hidrolize olur, yeniden malonik asit olu?turur.

Karbon monoksit(II) CO, oksijen yoklu?unda herhangi bir karbon modifikasyonunun oksidasyonu s?ras?nda olu?ur. Reaksiyon ekzotermiktir, 111.6 kJ/mol sal?n?r. Beyaz ?s?da kok su ile reaksiyona girer: C + H 2 O = CO + H 2; ortaya ??kan gaz kar???m?na "su gaz?" denir ve gaz halinde bir yak?tt?r. CO ayr?ca petrol ?r?nlerinin eksik yanmas? s?ras?nda olu?ur, otomobil egzozlar?nda ?nemli miktarlarda bulunur ve formik asidin termal ayr??mas?yla elde edilir:

CO'daki karbonun oksidasyon durumu +2'dir ve karbon +4 oksidasyon durumunda daha kararl? oldu?u i?in CO, oksijen taraf?ndan CO 2: CO + O2 -> CO2'ye kolayca oksitlenir, bu reaksiyon olduk?a ekzotermiktir (283 kJ / mol). CO, end?stride H2 ve di?er yan?c? gazlarla kar???m halinde yak?t veya gaz halinde indirgeyici ajan olarak kullan?l?r. 500°C'ye ?s?t?ld???nda CO, fark edilir ?l??de C ve CO2 olu?turur, ancak 1000°C'de d???k CO2 konsantrasyonlar?nda denge kurulur. CO klor ile reaksiyona girer, fosgen olu?turur - COCl2, di?er halojenlerle reaksiyonlar benzer ?ekilde ilerler, k?k?rt ile reaksiyonda karbonil s?lf?r COS elde edilir, metallerle (M) CO ?e?itli bile?imlerde karboniller olu?turur M (CO) x, karma??k bile?iklerdir. Demir karbonil, kan hemoglobininin CO ile etkile?imi ile olu?ur ve demir karbonil daha g??l? bir bile?ik oldu?u i?in hemoglobinin oksijen ile reaksiyonunu ?nler. Sonu? olarak, hemoglobinin h?crelere oksijen ta??y?c?s? olarak i?levi bloke edilir ve daha sonra ?l?r (ve her ?eyden ?nce beyin h?creleri etkilenir). (Bu nedenle CO i?in ba?ka bir isim - "karbon monoksit"). Zaten havadaki% 1 (hacim) CO, 10 dakikadan fazla b?yle bir atmosferde bulunan bir ki?i i?in tehlikelidir. CO'nun baz? fiziksel ?zellikleri tabloda verilmi?tir.

Karbon dioksit veya karbon monoksit (IV) C02, ?s? sal?n?m? (395 kJ/mol) ile fazla oksijen i?inde elementel karbonun yanmas? s?ras?nda olu?ur. CO2 (?nemsiz ad? “karbon dioksit”) ayr?ca CO, petrol ?r?nleri, benzin, ya?lar ve di?er organik bile?iklerin tamamen oksidasyonu s?ras?nda olu?ur. Karbonatlar suda ??z?nd???nde, hidroliz sonucunda CO2 de a???a ??kar:

Bu reaksiyon genellikle laboratuvar uygulamalar?nda CO2 elde etmek i?in kullan?l?r. Bu gaz, metal bikarbonatlar?n kalsine edilmesiyle de elde edilebilir:

a??r? ?s?t?lm?? buhar?n CO ile gaz faz? etkile?iminde:

hidrokarbonlar? ve oksijen t?revlerini yakarken, ?rne?in:

Benzer ?ekilde, g?da ?r?nleri, termal ve di?er enerji t?rlerinin sal?n?m? ile canl? bir organizmada oksitlenir. Bu durumda, oksidasyon ?l?ml? ko?ullar alt?nda ara a?amalar boyunca ilerler, ancak nihai ?r?nler ayn?d?r - ?rne?in, enzimlerin etkisi alt?nda ?ekerlerin ayr??mas? s?ras?nda, ?zellikle fermantasyon s?ras?nda oldu?u gibi - CO2 ve H20 glikoz:

Karbonatlar?n termal ayr??mas? ile end?stride b?y?k tonajl? karbondioksit ve metal oksit ?retimi ger?ekle?tirilir:

CaO, ?imento ?retim teknolojisinde b?y?k miktarlarda kullan?lmaktad?r. Karbonatlar?n termal stabilitesi ve bu ?emaya g?re ayr??malar? i?in ?s? t?ketimi CaCO 3 serisinde artar ( Ayr?ca bak?n?z YANGIN ?NLEME VE YANGIN KORUMA).

Karbon oksitlerin elektronik yap?s?.

Herhangi bir karbon monoksitin elektronik yap?s?, farkl? elektron ?iftleri d?zenlemelerine sahip ?? e?it olas? ?ema ile tan?mlanabilir - ?? rezonans formu:

T?m karbon oksitleri do?rusal bir yap?ya sahiptir.

Karbonik asit.

CO2 su ile etkile?ime girdi?inde karbonik asit H2C03 olu?ur. Doymu? bir CO2 (0.034 mol/l) ??zeltisinde, molek?llerin yaln?zca bir k?sm? H2C03 olu?turur ve CO2'nin ?o?u hidratl? CO2CHH2O durumundad?r.

Karbonatlar.

Karbonatlar, metal oksitlerin CO2 ile etkile?imi ile olu?ur, ?rne?in, Na2O + CO2Na2C03.

Alkali metal karbonatlar hari?, geri kalanlar suda pratik olarak ??z?nmezler ve kalsiyum karbonat karbonik asitte veya bas?n?l? suda CO2 ??zeltisinde k?smen ??z?n?r:

Bu i?lemler, kire?ta?? tabakas?ndan akan yeralt? suyunda ger?ekle?ir. D???k bas?n? ve buharla?ma ko?ullar? alt?nda, CaCO 3, Ca(HCO 3) 2 i?eren yeralt? suyundan ??kelir. Ma?aralarda sark?t ve dikitler bu ?ekilde b?y?r. Bu ilgin? jeolojik olu?umlar?n rengi, sularda demir, bak?r, manganez ve krom iyonlar?n?n safs?zl?klar?n?n varl??? ile a??klanmaktad?r. Karbondioksit, metal hidroksitler ve bunlar?n ??zeltileri ile hidrokarbonatlar olu?turmak ?zere reaksiyona girer, ?rne?in:

CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S

CCl 4 tetraklor?r yan?c? olmayan bir maddedir, kuru temizleme i?lemlerinde ??z?c? olarak kullan?l?r ancak y?ksek s?cakl?kta toksik fosgen (gaz halinde zehirli bir madde) olu?turdu?undan alev geciktirici olarak kullan?lmas? ?nerilmez. CCl 4'?n kendisi de zehirlidir ve kayda de?er miktarlarda solunmas? halinde karaci?er zehirlenmesine neden olabilir. CCl4 ayr?ca metan CH4 ve Cl2 aras?ndaki bir fotokimyasal reaksiyonla olu?turulur; bu durumda, metan - CHCl3 , CH2Cl2 ve CH3Cl'nin eksik klorlanmas? ?r?nlerinin olu?umu m?mk?nd?r. Reaksiyonlar di?er halojenlerle benzer ?ekilde ilerler.

grafit reaksiyonlar?.

Alt?gen halkalar?n katmanlar? aras?nda b?y?k mesafeler ile karakterize edilen bir karbon modifikasyonu olarak grafit, al???lmad?k reaksiyonlara girer, ?rne?in, alkali metaller, halojenler ve baz? tuzlar (FeCl 3) katmanlar aras?na n?fuz ederek KC 8, KC'nin bile?iklerini olu?turur. 16 tip (ara reklam, inkl?zyon veya klatrat olarak adland?r?l?r). Asidik bir ortamda (s?lf?rik veya nitrik asit) KClO3 gibi g??l? oksitleyici ajanlar, oksijen atomlar?n?n eklenmesi ve bile?iklerin olu?umu ile a??klanan b?y?k hacimli kristal kafese (katmanlar aras?nda 6 ?'ye kadar) sahip maddeler olu?turur. y?zeyinde, oksidasyonun bir sonucu olarak, karboksil gruplar? (–COOH ) - oksitlenmi? grafit veya melitik (benzenheksakarboksilik) asit gibi bile?ikler C6 (COOH) 6. Bu bile?iklerde, C:O oran? 6:1 ila 6:2.5 aras?nda de?i?ebilir.

Karb?rler.

Karbon, metaller, bor ve silisyum ile karb?r ad? verilen ?e?itli bile?ikleri olu?turur. En aktif metaller (IA–IIIA alt gruplar?), ?rne?in Na 2 C 2 , CaC 2 , Mg 4 C 3 , Al 4 C 3 gibi tuz benzeri karb?rler olu?turur. End?stride, kalsiyum karb?r, kok ve kire? ta??ndan a?a??daki reaksiyonlarla elde edilir:

Karb?rler iletken de?ildir, neredeyse renksizdir, ?rne?in hidrokarbonlar olu?turmak ?zere hidrolize olurlar.

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

Reaksiyon sonucu olu?an asetilen C2H2, bir?ok organik maddenin ?retiminde hammadde g?revi g?r?r. Bu s?re? ilgin?tir ??nk? inorganik do?adaki hammaddelerden organik bile?iklerin sentezine ge?i?i temsil eder. Hidroliz sonucu asetilen olu?turan karb?rlere asetilitler denir. Silisyum ve bor karb?rlerde (SiC ve B 4 C), atomlar aras?ndaki ba? kovalenttir. Ge?i? metalleri (B-alt grup elementleri) karbon ile ?s?t?ld?klar?nda metal y?zeyindeki ?atlaklarda de?i?ken bile?imli karb?rler olu?tururlar; i?lerindeki ba? metalli?e yak?nd?r. WC, W 2 C, TiC ve SiC gibi bu tipteki baz? karb?rler, y?ksek sertlik ve refrakterlik ile karakterize edilir ve iyi elektrik iletkenli?ine sahiptir. ?rne?in, NbC, TaC ve HfC en refrakter maddelerdir (mp = 4000–4200 ° C), diniobium karb?r Nb 2 C, 9.18 K'da bir s?per iletkendir, TiC ve W 2 C, elmasa yak?n sertliktedir ve sertlik B'dir. 4 C (elmas yap?sal analogu) Mohs ?l?e?inde 9.5'tir ( santimetre. pilav. 2). Ge?i? metalinin yar??ap? varsa, inert karb?rler olu?ur.

Karbonun azot t?revleri.

Bu grup, bir ??zelti ?eklinde kullan?lan bir azotlu g?bre olan ?re NH2CONH2'yi i?erir. ?re, bas?n? alt?nda ?s?t?ld???nda NH3 ve CO2'den elde edilir:

Siyanojen (CN) 2, bir?ok ?zellikte halojenlere benzer ve genellikle ps?dohalojen olarak adland?r?l?r. Siyan?r, siyan?r iyonunun oksijen, hidrojen peroksit veya Cu 2+ iyonu ile hafif oksidasyonu ile elde edilir: 2CN - ® (CN) 2 + 2e.

Bir elektron vericisi olan siyan?r iyonu, ge?i? metal iyonlar? ile kolayl?kla kompleks bile?ikler olu?turur. CO gibi, siyan?r iyonu da canl? bir organizmada hayati demir bile?iklerini ba?layan bir zehirdir. Siyan?r kompleks iyonlar? -0.5 genel form?l?ne sahiptir x, nerede X metal iyonunun oksidasyon durumunun de?erinin iki kat?na ampirik olarak e?it olan metalin (kompleksle?tirici ajan) koordinasyon say?s?d?r. Bu t?r kompleks iyonlar?n ?rnekleri (baz? iyonlar?n yap?s? a?a??da verilmi?tir) tetrasiyano-nikelat (II) -iyon 2-, hekzasiyanoferrat (III) 3-, disiyanoargentat -:

Karboniller.

Karbon monoksit, Ni(CO) 4 , Fe(CO) 5 , Fe 2 (CO) 9 , 3 , Mo(CO) 6 , 2 gibi karbonil ad? verilen karma??k bile?ikler olu?turarak bir?ok metal veya metal iyonu ile do?rudan reaksiyona girebilir. . Bu bile?iklerdeki ba?, yukar?da a??klanan siyano komplekslerindeki ba?a benzer. Ni(CO) 4, nikeli di?er metallerden ay?rmak i?in kullan?lan u?ucu bir maddedir. Yap?larda d?kme demir ve ?eli?in yap?s?n?n bozulmas? genellikle karbonillerin olu?umu ile ili?kilidir. Hidrojen, asidik ?zellikler sergileyen ve alkali ile reaksiyona giren H2Fe (CO) 4 ve HCo (CO) 4 gibi karbonil hidritleri olu?turan karbonillerin bir par?as? olabilir:

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

Karbonil halojen?rler de bilinmektedir, ?rne?in Fe (CO)X2, Fe (CO)2X2, Co (CO) I2, Pt (CO)Cl2, burada X herhangi bir halojendir.

Hidrokarbonlar.

Hidrojenli ?ok say?da karbon bile?i?i bilinmektedir.

Organik kimya, karbon atomunun kimyas?d?r. Organik bile?iklerin say?s?, inorganik bile?iklerden on kat daha fazlad?r ve bu ancak a??klanabilir. karbon atomunun ?zellikleri :

a) o i?eride elektronegatiflik ?l?e?inin ortas? ve ikinci periyot, bu nedenle, kendisininkini vermesi ve di?er insanlar?n elektronlar?n? kabul etmesi ve pozitif veya negatif bir y?k kazanmas? onun i?in k?rs?zd?r;

b) elektron kabu?unun ?zel yap?s? - elektron ?iftleri ve serbest y?r?ngeler yoktur (benzer yap?ya sahip sadece bir atom daha vard?r - hidrojen, muhtemelen karbon ve hidrojenin bu kadar ?ok bile?ik olu?turmas?n?n nedeni budur - hidrokarbonlar).

Karbon atomunun elektronik yap?s?

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

Grafiksel olarak:

Uyar?lm?? bir karbon atomu a?a??daki elektronik form?le sahiptir:

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

H?cre ?eklinde:

s ve p orbitallerinin ?ekli

atomik y?r?nge - kar??l?k gelen kuantum say?lar?yla elektronun bulunma olas?l???n?n en y?ksek oldu?u uzay b?lgesi.

Dalga fonksiyonunun y?r?ngede belirli bir noktada bir elektron bulman?n g?reli olas?l???n? belirledi?i ?? boyutlu elektronik bir "kontur haritas?"d?r.

Atomik orbitallerin g?receli boyutlar?, enerjileri artt?k?a artar ( Ana kuantum say?s?- n) ve uzaydaki ?ekilleri ve y?nelimleri l ve m kuantum say?lar? ile belirlenir. Y?r?ngelerdeki elektronlar, bir spin kuantum say?s? ile karakterize edilir. Her y?r?nge z?t spinli 2'den fazla elektron i?eremez.

Di?er atomlarla ba?lar olu?tu?unda, karbon atomu elektron kabu?unu en g??l? ba?lar?n olu?mas? i?in d?n??t?r?r ve sonu? olarak m?mk?n oldu?u kadar ?ok enerji a???a ??kar ve sistem en y?ksek kararl?l??? elde eder.

Bir atomun elektron kabu?unu de?i?tirmek i?in, daha sonra daha g??l? ba?lar?n olu?umu ile telafi edilen enerji gereklidir.

Elektron kabu?unun d?n???m? (hibridizasyon), karbon atomunun ba? olu?turdu?u atomlar?n say?s?na ba?l? olarak temel olarak 3 tipte olabilir.

Hibridizasyon t?rleri:

sp 3 – bir atom 4 kom?u atomla ba?lar olu?turur (tetrahedral hibridizasyon):

Elektronik form?l sp 3 - hibrit karbon atomu:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 h?cre ?eklinde

Hibrit orbitaller aras?ndaki ba? a??s? ~109°'dir.

Karbon atomunun stereokimyasal form?l?:

sp 2 – Hibridizasyon (de?erlik durumu)– bir atom, 3 kom?u atomla ba?lar olu?turur (trigonal hibridizasyon):

Elektronik form?l sp 2 - hibrit karbon atomu:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 h?cre ?eklinde

Hibrit orbitaller aras?ndaki ba? a??s? ~120°'dir.

Stereokimyasal form?l sp 2 - hibrit karbon atomu:

sp– Hibridizasyon (de?erlik durumu) - atom, 2 kom?u atomla ba?lar olu?turur (do?rusal hibridizasyon):

sp'nin elektronik form?l? bir hibrit karbon atomudur:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 h?cre ?eklinde

Hibrit orbitaller aras?ndaki ba? a??s? ~180°'dir.

Stereokimyasal form?l:

s-y?r?ngesi her t?r hibridizasyonda yer al?r, ??nk? minimum enerjiye sahiptir.

Elektron bulutunun yeniden d?zenlenmesi, ortaya ??kan molek?lde en g??l? ba?lar?n olu?umuna ve atomlar?n minimum etkile?imine izin verir. nerede hibrit orbitaller ayn? olmayabilir, ancak ba? a??lar? farkl? olabilir, ?rne?in CH2Cl2 ve CCl4

2. Karbon bile?iklerinde kovalent ba?lar

Kovalent ba?lar, ?zellikler, e?itim y?ntemleri ve nedenleri - okul m?fredat?.

Hemen hat?rlatay?m:

1. ileti?im e?itimi atomlar aras?, atomik orbitallerinin ?rt??mesinin bir sonucu olarak d???n?lebilir ve ne kadar etkili olursa (?st ?ste binme integrali ne kadar b?y?k olursa), ba? o kadar g??l? olur.

Hesaplanan verilere g?re, ba??l atomik orbital ?rt??me verimleri S rel ?u ?ekilde artar:

Bu nedenle hibrit orbitallerin, ?rne?in karbonun sp 3 orbitallerinin d?rt hidrojen atomlu ba?lar?n olu?umunda kullan?lmas?, daha g??l? ba?lara yol a?ar.

2. Karbon bile?iklerinde kovalent ba?lar iki ?ekilde olu?ur:

ANCAK)?ki atomik orbital asal eksenleri boyunca ?rt???rse, ortaya ??kan ba? denir. - s ba??.

Geometri. Bu nedenle, metan i?indeki hidrojen atomlar? ile ba?lar olu?turuldu?unda, bir karbon atomunun d?rt hibrit sp 3 ~ orbitali, d?rt hidrojen atomunun s-orbitalleri ile ?rt???r ve her birine 109 ° 28 "'lik bir a??yla yerle?tirilmi? d?rt ?zde? g??l? s-ba?lar? olu?turur. di?er (standart tetrahedral a??) Benzer bir kesinlikle simetrik tetrahedral yap? da ?rne?in CCl 4 olu?umu s?ras?nda ortaya ??kar, ancak karbon ile ba? olu?turan atomlar ayn? de?ilse, ?rne?in CH2C12 durumunda, uzamsal yap?, temelde d?rty?zl? kalmas?na ra?men, tamamen simetrik olandan biraz farkl? olacakt?r.

s-ba? uzunlu?u karbon atomlar? aras?nda, atomlar?n hibridizasyonuna ba?l?d?r ve sp3 - hibridizasyonundan sp'ye ge?i?te azalmalar. Bu, s orbitalinin ?ekirde?e p orbitalinden daha yak?n olmas?yla a??klan?r, bu nedenle hibrit orbitaldeki pay? ne kadar b?y?k olursa, o kadar k?sa olur ve bu nedenle ortaya ??kan ba? o kadar k?sa olur.

B) ?ki atomlu ise p -Birbirine paralel olarak yerle?tirilmi? orbitaller, atomlar?n bulundu?u d?zlemin ?st?nde ve alt?nda yanal ?rt???rler, daha sonra ortaya ??kan ba?a denir. - p (pi) - ileti?im

Yanal ?rt??me atomik orbitaller, ana eksen boyunca ?rt??mekten daha az verimlidir, bu nedenle p -ba?lar daha az g??l?d?r s -ba?lant?lar. Bu, ?zellikle, bir ?ift karbon-karbon ba??n?n enerjisinin, tek bir ba??n enerjisini iki kat?ndan daha az a?mas? ger?e?inde kendini g?sterir. B?ylece, etan i?indeki C-C ba? enerjisi 347 kJ/mol iken, eten i?indeki C=C ba? enerjisi ~700 kJ/mol de?il, sadece 598 kJ/mol'd?r.

?ki atomik 2p orbitalinin yanal ?rt??me derecesi ve dolay?s?yla g?? p - ba?, iki karbon atomu ve bunlarla ili?kili d?rt karbon atomu ise maksimumdur. atomlar kesinlikle ayn? d?zlemde bulunur, yani e?er onlar ayn? d?zlemde , ??nk? sadece bu durumda atomik 2p orbitalleri birbirine tam olarak paraleldir ve bu nedenle maksimum ?rt??me yetene?ine sahiptir. Etrafta d?nme nedeniyle e? d?zlemden herhangi bir sapma s - iki karbon atomunu birbirine ba?layan ba?, ?rt??me derecesinde bir azalmaya ve buna ba?l? olarak mukavemette bir azalmaya yol a?acakt?r. p -ba?, b?ylece molek?l?n d?zl???n? korumaya yard?mc? olur.

d?nd?rme bir karbon-karbon ?ift ba?? etraf?nda imkans?zd?r.

Da??t?m p -Molek?l d?zleminin ?st?ndeki ve alt?ndaki elektronlar?n varl??? anlam?na gelir negatif y?k alanlar?, elektron eksikli?i olan herhangi bir reaktifle etkile?ime haz?r.

Oksijen, nitrojen vb. atomlar? da farkl? de?erlik durumlar?na (hibridizasyonlar) sahipken, elektron ?iftleri hem hibrit hem de p-orbitallerinde olabilir.

Karbon (C), atom a??rl??? 12 olan Mendeleev'in periyodik tablosunun alt?nc? elementidir. Element metal olmayanlara aittir ve 14 C izotopuna sahiptir. Karbon atomunun yap?s?, t?m organik kimyan?n temelini olu?turur, ??nk? t?m organik kimya maddeler karbon molek?llerini i?erir.

karbon atomu

Mendeleev'in periyodik tablosundaki karbonun konumu:

• alt?nc? seri numaras?;
• d?rd?nc? grup;
• ikinci d?nem.

Pirin?. 1. Karbonun periyodik tablodaki konumu.

Tablodaki verilere dayanarak, karbon elementinin atomunun yap?s?n?n, ?zerinde alt? elektronun bulundu?u iki kabuk i?erdi?i sonucuna varabiliriz. Organik maddelerin bir par?as? olan karbonun de?eri sabittir ve IV'e e?ittir. Bu, d?? elektronik d?zeyde d?rt, i? d?zeyde iki elektron oldu?u anlam?na gelir.

D?rt elektrondan ikisi k?resel bir 2s y?r?ngesini i?gal eder ve geri kalan ikisi damb?l ?eklinde bir 2p y?r?ngesini i?gal eder. Uyar?lm?? durumda, bir elektron 2s orbitalinden 2p orbitallerinden birine hareket eder. Bir elektron bir y?r?ngeden di?erine ge?erken enerji harcan?r.

B?ylece, uyar?lm?? bir karbon atomunun d?rt e?le?memi? elektronu vard?r. Konfig?rasyonu 2s 1 2p 3 form?l? ile ifade edilebilir. Bu, di?er elementlerle d?rt kovalent ba? olu?turmay? m?mk?n k?lar. ?rne?in, bir metan (CH 4) molek?l?nde karbon, d?rt hidrojen atomlu ba?lar olu?turur - bir ba? hidrojen ve karbon s orbitalleri aras?nda ve karbonun p orbitalleri ile hidrojenin s orbitalleri aras?nda ?? ba?.

Karbon atomunun yap?s?n?n ?emas?, +6C) 2) 4 veya 1s 2 2s 2 2p 2 olarak g?sterilebilir.

Pirin?. 2. Karbon atomunun yap?s?.

Fiziksel ?zellikler

Karbon do?al olarak kayalar ?eklinde olu?ur. Karbonun birka? allotropik modifikasyonu bilinmektedir:

• grafit;
• elmas;
• karabina;
• k?m?r;
• kurum.

B?t?n bu maddeler kristal kafesin yap?s?nda farkl?l?k g?sterir. En sert madde - elmas - k?bik bir karbon formuna sahiptir. Y?ksek s?cakl?klarda elmas, alt?gen bir yap?ya sahip grafite d?n???r.

Pirin?. 3. Grafit ve elmastan olu?an kristal kafesler.

Kimyasal ?zellikler

Karbonun atomik yap?s? ve ba?ka bir maddenin d?rt atomunu ba?lama yetene?i, elementin kimyasal ?zelliklerini belirler. Karbon, karb?rler olu?turmak i?in metallerle reaksiyona girer:

• Ca + 2C -> CaC2;
• Cr + C -> CrC;
• 3Fe + C -> Fe 3 C.

Ayr?ca metal oksitlerle reaksiyona girer:

• 2ZnO + C -> 2Zn + CO2 ;
• PbO + C -> Pb + CO;
• SnO 2 + 2C -> Sn + 2CO.

Y?ksek s?cakl?klarda karbon, metal olmayanlarla, ?zellikle hidrojenle reaksiyona girerek hidrokarbonlar olu?turur:

C + 2H 2 -> CH 4.

Oksijen ile karbon, karbondioksit ve karbon monoksit olu?turur:

• C + O2 -> CO2;
• 2C + O2 -> 2CO.

Su ile etkile?ime girdi?inde karbon monoksit de olu?ur:

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

Konsantre asitler karbonu oksitleyerek karbon dioksit olu?turur:

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

Rapor De?erlendirmesi

Ortalama puan?: 4.1. Al?nan toplam puan: 75.

Karbon bile?iklerinin kimyas? olarak kabul edildi, ancak tarihe sayg? g?stererek hala organik kimya olarak adland?rmaya devam ediyorlar. Bu nedenle, bu elementin atomunun yap?s?n?, olu?turdu?u kimyasal ba?lar?n do?as?n? ve uzamsal y?n?n? daha ayr?nt?l? olarak d???nmek ?ok ?nemlidir.

Bir kimyasal elementin de?eri ?o?unlukla e?le?memi? elektronlar?n say?s? ile belirlenir. Elektron grafi?i form?l?nden g?r?lebilece?i gibi karbon atomunun iki e?le?memi? elektronu vard?r, bu nedenle kat?l?mlar?yla iki kovalent ba? yapan iki elektron ?ifti olu?turulabilir. Bununla birlikte, organik bile?iklerde karbon iki de?erli de?il, her zaman d?rt de?erlidir. Bu, uyar?lm?? (kazan?lm?? ek enerji) atomda 2n elektronlar?n?n bozulmas? ve bunlardan birinin 2p orbitaline ge?mesiyle a??klanabilir:

B?yle bir atomun d?rt e?le?memi? elektronu vard?r ve d?rt kovalent ba??n olu?umunda yer alabilir.

Kovalent ba??n olu?mas? i?in bir atomun y?r?ngesinin di?erinin y?r?ngesiyle ?rt??mesi gerekir. Ne kadar ?ok ?rt???rse, ba? o kadar g??l? olur.

Hidrojen molek?l? H2'de, s-orbitallerinin ?rt??mesi nedeniyle bir kovalent ba? olu?umu meydana gelir (?ekil 3).

Hidrojen atomlar?n?n ?ekirdekleri aras?ndaki mesafe veya ba? uzunlu?u 7.4 * 10 -2 nm'dir ve g?c? 435 kJ / mol'd?r.

Kar??la?t?rma i?in: flor F2 molek?l?nde, iki p-orbitalinin ?rt??mesi nedeniyle bir kovalent ba? olu?ur.

Floro-flor ba? uzunlu?u 14.2x10 -2 nm'dir ve ba? g?c? (enerji) 154 kJ/mol'd?r.

Bir ba? ?izgisi boyunca ?st ?ste binen elektron orbitallerinin bir sonucu olarak olu?an kimyasal ba?lara a-ba?lar? (sigma ba?lar?) denir.

?leti?im hatt?, atom ?ekirdeklerini birbirine ba?layan d?z bir ?izgidir. v-orbitaller i?in ?rt??menin yaln?zca bir yolu m?mk?nd?r - a-ba?lar?n?n olu?umu ile.

p-Orbitaller, a-ba?lar?n?n olu?umu ile ?st ?ste gelebilir ve ayr?ca iki b?lgede ?st ?ste binerek ba?ka bir tipte bir kovalent ba? olu?turabilir - "yan" ?rt??me nedeniyle:

Elektron orbitallerinin ileti?im hatt? d???nda yani iki b?lgede "yanal" ?st ?ste binmesi sonucu olu?an kimyasal ba?lara n-ba?lar? (pi-ba?lar?) denir.

G?z ?n?nde bulundurulan ba? t?r?, etilen C2H4 ve asetilen C2H2 molek?llerinin karakteristi?idir. Ancak bir sonraki paragrafta bununla ilgili daha fazla bilgi edineceksiniz.

1. Karbon atomunun elektronik form?l?n? yaz?n. ??indeki her karakterin anlam?n? a??klay?n.

Bor, berilyum ve lityum atomlar?n?n elektronik form?lleri nelerdir?

Bu elementlerin atomlar?na kar??l?k gelen elektronik grafik form?lleri yap?n.

2. Elektronik form?lleri yaz?n:

a) sodyum atomu ve Na+ katyonu;

b) magnezyum atomu ve Mg2+ katyonu;

c) bir flor atomu ve bir anyon F-;

d) bir oksijen atomu ve bir anyon 02;

e) bir hidrojen atomu ve H + ve H - iyonlar?.

Bu par?ac?klardaki y?r?ngelerdeki elektronlar?n da??l?m? i?in elektron grafi?i form?lleri olu?turun.

3. Hangi kimyasal elementin atomu 1s 2 2s 2 2p 6 elektronik form?l?ne kar??l?k gelir?

Hangi katyonlar ve anyonlar ayn? elektronik form?le sahiptir? Atomun ve bu iyonlar?n elektron grafik form?l?n? yap?n.

4. Hidrojen ve flor molek?llerindeki ba? uzunluklar?n? kar??la?t?r?n. Farkl?l?klar?na ne sebep oldu?

5. Azot ve flor molek?lleri iki atomludur. ??lerindeki atomlar aras?ndaki kimyasal ba?lar?n say?lar?n? ve do?as?n? kar??la?t?r?n.

ders i?eri?i ders ?zeti destek ?er?eve ders sunum h?zland?r?c? y?ntemler etkile?imli teknolojiler Uygulama g?revler ve al??t?rmalar kendi kendine muayene ?al??taylar?, e?itimler, vakalar, g?revler ?dev tart??ma sorular? ??rencilerden retorik sorular ?ll?strasyonlar ses, video klipler ve multimedya foto?raflar, resimler grafikler, tablolar, mizah ?emalar?, f?kralar, ?akalar, ?izgi roman benzetmeleri, s?zler, bulmacalar, al?nt?lar Eklentiler ?zetler makaleler merakl? be?ikler i?in ?ipler ders kitaplar? temel ve ek terimler s?zl??? di?er Ders kitaplar?n?n ve derslerin iyile?tirilmesiders kitab?ndaki hatalar? d?zeltme ders kitab?ndaki bir par?an?n g?ncellenmesi derste yenilik unsurlar?n?n eskimi? bilgiyi yenileriyle de?i?tirmesi Sadece ??retmenler i?in m?kemmel dersler tart??ma program?n?n metodolojik ?nerileri y?l i?in takvim plan? Entegre Dersler