UGLJIK: SVOJSTVA, STRUKTURA, DOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2025

Ugljik je ne - metalni kemijski element čiji kemijski simbol C nazvana ugljena, biljnog ili minerala, njegovih atoma definiraju različite konstrukcije. Mnogi autori klasificiraju ga kao kralja elemenata, jer tvori širok spektar organskih i anorganskih spojeva, a pojavljuje se i u znatnom broju alotropa.

A ako to nije dovoljno da bi se to moglo nazvati posebnim elementom, ono se nalazi u svim živim bićima; sve njegove biomolekule duguju svoje postojanje stabilnosti i snazi ​​CC veza i visokoj sklonosti spajanju. Ugljik je element života, a od njegovih atoma grade se njihova tijela.

Drvo drveća sastoji se uglavnom od ugljikohidrata, jednog od mnogih spojeva bogatih ugljikom. Izvor: Pexels.

Organski spojevi na kojima su biomaterijali izgrađeni se gotovo sastoje od ugljikovih kostura i heteroatoma. To se može vidjeti golim okom u šumi stabala; a također i kad ih munja udari i peče ih. Preostala inertna crna kruta tvar također ima ugljik; ali to je ugljen.

Dakle, postoje „mrtve“ manifestacije ovog elementa: drveni ugljen, proizvod izgaranja u okruženjima siromašnim kisikom; i mineralni ugljen, produkt geoloških procesa. Obje čvrste tvari izgledaju podjednako, crne su i sagorijevaju se za stvaranje topline i energije; iako s različitim prinosima.

Od ovog trenutka ugljik je 15. najbogatiji element u zemljinoj kori. Nije ni čudo kad se godišnje proizvedu milijuni tona ugljena. Ti se minerali razlikuju po svojstvima ovisno o stupnju nečistoće, stavljajući antracit kao najkvalitetniji mineralni ugljen.

Zemljina kora nije bogata samo mineralnim ugljenom, već i karbonatima, osobito vapnencima i dolomitima. A što se tiče Svemira, četvrti je najbrojniji element; Mislim, ima više ugljika na drugim planetima.

Povijest ugljika

retrospektiva

Ugljik može biti star koliko i sama zemaljska kora. Od davnina su se drevne civilizacije susrele s tim elementom u mnogim prirodnim prikazima: čađ, drveni ugljen, drveni ugljen, drveni ugljen, dijamanti, grafit, ugljen katran, antracit itd.

Sve te krute tvari, iako su dijelile tamne tonove (s izuzetkom dijamanta), ostala fizička svojstva, kao i njihov sastav, značajno su se razlikovala. Tada je bilo nemoguće tvrditi da se oni u biti sastoje od ugljikovih atoma.

Tako se tijekom povijesti ugljen klasificirao prema njegovoj kvaliteti u vrijeme izgaranja i topline. A plinovi nastali izgaranjem zagrijavali su se vodene mase, što je sa svoje strane stvaralo pare koje su pokretale turbine koje stvaraju električne struje.

Ugljik je na neočekivan način bio prisutan u drvenom uglju proizvedenom spaljivanjem drveća u zatvorenim ili hermetičkim prostorima; u grafit s kojim su izrađene olovke; u dijamantima koji se koriste kao dragulje; bio je odgovoran za tvrdoću čelika.

Njegova povijest ide ruku pod ruku s drvima, barutom, plinovima gradske rasvjete, vlakovima i brodovima, pivom, mazivima i drugim bitnim predmetima za napredak čovječanstva.

Priznanje

U kojem su trenutku znanstvenici mogli povezati alotrope i minerale ugljika s istim elementom? Ugljen se doživljavao kao mineral, a o njemu se nije razmišljalo kao o kemijskom elementu dostojnom periodičke tablice. Prvi je korak trebao pokazati da su se sve te krute tvari pretvorile u isti plin: ugljični dioksid, CO ₂.

Antoine Lavoisier 1772. godine pomoću drvenog okvira s velikim lećama usredotočio je sunčeve zrake na uzorke drvenog ugljena i dijamanta. Otkrio je da nijedno od njih ne stvara vodenu paru nego CO ₂. Učinio je isto s čađom i dobio iste rezultate.

Carl Wilhelm Scheele 1779. godine utvrdio je kemijsku vezu ugljena i grafita; to jest da su obje čvrste tvari sastavljene od istih atoma.

Smithson Tennant i William Hyde Wollaston 1797. metodološki su (reakcijama) potvrdili da je dijamant u stvari sastavljen od ugljika stvarajući CO ₂ u njegovom izgaranju.

S ovim rezultatima svjetlost je ubrzo bačena na grafit i dijamant, krute tvari formirane ugljikom i, stoga, visoke čistoće; za razliku od nečiste krute tvari ugljena i drugih ugljičnih minerala.

Svojstva

Fizička ili kemijska svojstva koja se nalaze u čvrstim tvarima, mineralima ili ugljičnim materijalima podložna su mnogim varijablama. Među njima su: sastav ili stupanj nečistoće, hibridizacija ugljikovih atoma, raznolikost struktura i morfologija ili veličina pora.

Pri opisivanju svojstava ugljika većina tekstova ili bibliografskih izvora temelji se na grafitu i dijamantu.

Zašto? Jer su za ovaj element najpoznatiji alotropi i predstavljaju krute tvari ili materijale visoke čistoće; to jest, oni su praktički sastavljeni od ničega ugljikovog atoma (iako s različitim strukturama, kao što će biti objašnjeno u sljedećem odjeljku).

Svojstva ugljena i mineralnog ugljena razlikuju se svojim podrijetlom, odnosno sastavima. Na primjer, lignit (malo ugljika) kao gorivo puže u usporedbi s antracitom (visokim ugljikom). A što je s ostalim alotropima: nanocjevčice, fulereni, grafenovi, grafini itd.

Međutim, kemijski imaju jednu zajedničku točku: oksidiraju s viškom kisika u CO ₂:

C + O ₂ -> CO ₂

Sada su brzina ili temperatura koju trebaju da oksidiraju specifični za svaki od ovih alotropa.

Grafit prema dijamantu

Ovdje će se također dati kratki komentar koji se tiče vrlo različitih svojstava za ova dva alotropa:

Tabela u kojoj se uspoređuju neka svojstva dvaju kristalnih alotropa ugljika. Izvor: Gabriel Bolívar.

Struktura i elektronička konfiguracija

Hibridizacija

Odnos hibridnih orbitala i mogućih struktura ugljika. Izvor: Gabriel Bolívar.

Konfiguracija elektrona za ugljikov atom je 1s ² 2s ² 2p ², također napisana kao 2s ² 2p ² (gornja slika). Taj prikaz odgovara njegovom osnovnom stanju: atom ugljika izoliran i suspendiran u takvom vakuumu da ne može komunicirati s drugima.

Može se vidjeti da jednoj od njegovih 2p orbitala nedostaje elektrona koji putem elektroničke promocije prihvaća elektron iz orbite niže energije 2s; i na taj način je atom dobiva mogućnost formiranja do četiri kovalentne veze kroz četiri sp ³ hibridna orbitala.

Imajte na umu da su sve četiri sp ³ orbitale energetski degenerirane (poravnane na istoj razini). Čiste p orbitale su energičnije, zbog čega su iznad ostalih hibridnih orbitala (s desne strane slike).

Ako postoje tri hibridne orbitale, to je zato što ostaje jedna nebridizirana p orbitala; dakle, to su tri sp ² orbitale. A kad postoje dvije od ovih hibridnih orbitala, na raspolaganju su dvije p orbitale da formiraju dvostruke ili trostruke veze, što je hibridizacija ugljika sp.

Takvi su elektronički aspekti neophodni za razumijevanje zašto se ugljik može naći u beskonačnosti alotropa.

Oksidacijski brojevi

Prije nastavka sa strukturama, vrijedno je napomenuti da, s obzirom na elektronsku konfiguraciju valencije 2s ² 2p ², ugljik može imati sljedeće oksidacijske brojeve: +4, +2, 0, -2 i -4.

Zašto? Ovi brojevi odgovaraju pretpostavci da postoji ionska veza takva da ione stvarate odgovarajućim nabojima; to jest, C ⁴⁺, C ²⁺, C ⁰ (neutralno), C ² i C ^4-.

Da bi ugljik imao pozitivan oksidacijski broj, mora izgubiti elektrone; A da bi to učinio, nužno ga je vezati na vrlo elektronegativne atome (poput kisika).

U međuvremenu, da bi ugljik imao negativan oksidacijski broj, mora steći elektrone vezanjem na metalne atome ili manje elektronegativnim od njega (poput vodika).

Prvi oksidacijski broj, +4, znači da je ugljik izgubio sve valencijske elektrone; orbitale 2s i 2p ostaju prazne. Ako 2p orbitala izgubi svoja dva elektrona, ugljik će imati oksidacijski broj +2; ako dobijete dva elektrona, imat ćete -2; i ako dobijete još dva elektrona ispunjavanjem vašeg okteta valencije, -4.

Primjeri

Na primjer, za CO ₂ oksidacijski broj ugljika je +4 (jer je kisik više elektronegativan); dok je za CH ₄, to je -4 (jer vodik manje elektro).

Za CH ₃ OH, oksidacija je broj ugljika -2 (+1 H i -2 za O); dok je za HCOOH to +2 (provjerite da zbroj daje 0).

Ostala oksidacijska stanja, poput -3 i +3, također su vjerojatna, posebno kad su u pitanju organske molekule; na primjer, metilne skupine, -CH ₃.

Molekularne geometrije

Gornja slika ne samo da je pokazala hibridizaciju orbitala za ugljikov atom, već i rezultirajuću molekularnu geometriju kada je nekoliko atoma (crnih sfera) bilo povezano sa središnjim. Da bi središnji atom imao specifično geometrijsko okruženje u prostoru, mora imati odgovarajuću kemijsku hibridizaciju koja mu to dopušta.

Na primjer, za tetraedra središnji ugljikov ima sp ³ hibridizacije; zato što je najstabilniji raspored za četiri sp ³ hibridna orbitala. U slučaju sp ² ugljika, oni mogu formirati dvostruke veze i imaju trokutasti plane okoliša; i tako ovi trokuti definiraju savršeni šesterokut. A za sp hibridizaciju, ugljikovi usvajaju linearnu geometriju.

Prema tome, geometrijski uočene u strukturama svih allotropes jednostavno upravlja tetraedara (sp ³), ili šesterokute pentagons (sp ²), i cijevi (sp).

Tetrahedri definiraju 3D strukturu, dok su šesterokut, peterokut i crte, 3D ili 2D strukture; Potonji su avioni ili plahte slični zidovima saća:

Zid šesterokutnih oblika saća analogno ravninama sastavljenim od sp2 ugljika. Izvor: Pixabay.

A ako preklopimo ovu šesterokutnu stijenku (peterokutnu ili mješovitu), dobit ćemo cijev (nanocjevčice) ili kuglu (fullereni) ili neku drugu figuru. Međusobno djelovanje ovih figura uzrokuje različite morfologije.

Amorfne ili kristalne krute tvari

Ostavljajući po strani geometrije, hibridizacije ili morfologije mogućih struktura ugljika, njegove čvrste tvari mogu se globalno svrstati u dvije vrste: amorfne ili kristalne. Između ove dvije klasifikacije raspodijeljeni su njihovi alotropi.

Amorfni ugljik je jednostavno onaj koji predstavlja proizvoljnu mješavinu tetraedra, šesterokuta ili linija, koji nisu u stanju uspostaviti strukturni obrazac; takav je slučaj s ugljenom, ugljenom ili aktivnim ugljenom, koksom, čađom itd.

Dok se kristalni ugljik sastoji od strukturnih obrazaca sastavljenih od bilo koje od predloženih geometrija; na primjer, dijamant (trodimenzionalna mreža tetraedra) i grafit (složeni šesterokutni listovi).

dobivanje

Ugljik može biti čist kao grafit ili dijamant. Oni se nalaze u njihovim mineralnim nalazištima, razasutim po cijelom svijetu i u različitim zemljama. Zato su neke nacije više izvoznici jednog od tih minerala nego druge. Ukratko, "morate kopati zemlju" da biste dobili ugljik.

Isto se odnosi na mineralni ugljen i njegove vrste. Ali to nije slučaj s ugljenom, jer tijelo bogato ugljikom prvo mora "propasti", bilo pod vatrom ili električnom munjom; naravno, u nedostatku kisika, u protivnom bi se oslobađao CO ₂.

Čitava šuma je izvor ugljika poput ugljena; ne samo zbog svojih stabala, već i zbog faune.

Općenito, uzorci koji sadrže ugljik moraju proći pirolizu (izgaranje u nedostatku kisika) da bi se neke nečistoće ispravile u obliku plinova; i na taj način ostaje kruta tvar bogata ugljikom (amorfni ili kristalni).

Prijave

I opet, poput svojstava i strukture, upotreba ili primjena su u skladu s alotropima ili mineraloškim oblicima ugljika. Međutim, postoje neke općenitosti koje se mogu spomenuti, osim nekih poznatih točaka. Takvi su:

-Ugljik se već dugo koristi kao sredstvo za redukciju minerala pri dobivanju čistih metala; na primjer, željezo, silicij i fosfor, između ostalog.

-To je kamen temeljac života, a organska kemija i biokemija su studije ovog odraza.

-To je također bila fosilna goriva koja je omogućila prvim strojevima pokretanje zupčanika. Na isti je način dobiven ugljični plin za stare sustave rasvjete. Ugljen je bio sinonim za svjetlost, toplinu i energiju.

-Miješani kao dodatak željezu u različitim omjerima omogućili su izum i poboljšanje čelika.

-Jer se crna boja pojavila u umjetnosti, posebno grafitu i svim spisima koji su izrađeni crtama.

Rizici i mjere opreza

Ugljik i njegove krute tvari ne predstavljaju nikakav zdravstveni rizik. Tko se brinuo o vrećici ugljena? Prodaju se u džepu unutar prolaza nekih tržišta, a sve dok u blizini nema vatre, njihovi crni blokovi neće izgorjeti.

Koks, s druge strane, može predstavljati rizik ako je njegov udio sumpora visok. Kad izgori, oslobađat će sumporne plinove koji, osim što su toksični, doprinose kiseloj kiši. Iako nas CO ₂ u malim količinama ne može ugušiti, on ima ogroman utjecaj na okoliš kao staklenički plin.

Iz ove perspektive, ugljik je "dugoročna" opasnost, jer izgaranje mijenja klimu našeg planeta.

U fizičkom smislu, čvrsti ili karbonasti materijali, ako su usitnjeni, se lako prenose zračnim strujama; i posljedično, oni se uvode izravno u pluća, što ih može nepopravljivo oštetiti.

Za kraj, vrlo je često konzumirati "ugljen" kad se kuha neka hrana.

Reference

1. Morrison, RT i Boyd, R, N. (1987). Organska kemija. 5. izdanje Uredništvo Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesto izdanje). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10. izdanje.). Wiley Plus.
4. Andrija. (2019). Ugljik, njegovi alotropi i strukture. Oporavilo od: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Ugljen. Kemija objasnjena. Oporavilo od: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (11. srpnja 2018.). 10 činjenica o ugljiku (atomski broj 6 ili C). Oporavilo od: misel.com
7. Tawnya Eash. (2019). Što je ugljik? - Činjenice i lekcija iz povijesti za djecu. Studija. Oporavilo od: study.com
8. FOLL. (SF). Povijest karbona. Oporavak od: tf.uni-kiel.de