Proprietà fisiche e chimiche del carbonio
La vita organica sulla Terra è rappresentata da composti di carbonio. L'elemento fa parte dei componenti principali delle strutture cellulari: proteine, carboidrati e grassi e costituisce anche la base della sostanza ereditaria - acido desossiribonucleico. Nella natura inorganica del carbonio è uno degli elementi più comuni che formano la crosta e l'atmosfera del pianeta. La chimica organica come sezione della scienza chimica è completamente dedicata alle proprietà dell'elemento chimico del carbonio e dei suoi composti. Il nostro articolo prenderà in considerazione le caratteristiche fisico-chimiche del carbonio e le caratteristiche delle sue proprietà.
Il posto dell'elemento nel sistema periodico
Il sottogruppo carbonio è il sottogruppo principale del gruppo IV, che, oltre al carbonio, comprende anche silicio, germanio, stagno e piombo. Tutti gli elementi elencati hanno la stessa struttura del livello di energia esterna, su cui si trovano quattro elettroni. Ciò causa la somiglianza delle loro proprietà chimiche. Nello stato usuale, gli elementi del sottogruppo sono bivalenti e quando i loro atomi si eccitano mostrano una valenza pari a 4. Le proprietà fisiche e chimiche del carbonio dipendono dallo stato dei gusci elettronici del suo atomo. Così, in reazione con l'ossigeno, un elemento le cui particelle sono in uno stato non eccitato forma un ossido di CO indifferente. Gli atomi di carbonio nello stato eccitato sono ossidati a biossido di carbonio, che presenta proprietà acide.
Le forme di carbonio in natura
Diamante, grafite e carbina sono le tre modifiche allotropiche del carbonio come sostanza semplice. I cristalli trasparenti con un alto grado di rifrazione dei raggi luminosi, che sono i composti più duri in natura, sono i diamanti. Conducono male il calore e sono dielettrici. Il reticolo cristallino è atomico, molto resistente. In esso, ogni atomo di un elemento è circondato da altre quattro particelle, formando un tetraedro regolare.
Proprietà fisico-chimiche completamente diverse del carbonio che forma la grafite. È una sostanza cristallina grassa, grigio scuro. Ha una struttura stratificata, le distanze tra gli strati di atomi sono piuttosto grandi, mentre le loro forze attrattive sono deboli. Pertanto, quando viene premuto su una barra di grafite, la sostanza si divide in squame sottili. Lasciano un segno scuro sul foglio. La grafite è conduttiva e leggermente inferiore ai metalli in conduttività elettrica.
La capacità di condurre la corrente elettrica è spiegata dalla struttura della sostanza cristallina. In esso, le particelle di carbonio sono legate agli altri tre da forti legami chimici covalenti. Il quarto elettrone di valenza di ciascun atomo rimane libero ed è in grado di muoversi nello spessore della sostanza. Il movimento direzionale delle particelle caricate negativamente e causa l'apparenza di una corrente elettrica. Le applicazioni di grafite sono varie. Quindi, viene utilizzato per la produzione di elettrodi nell'ingegneria elettrica e per eseguire il processo di elettrolisi, con l'aiuto del quale ottengono, ad esempio, metalli alcalini in forma pura. La grafite ha trovato applicazione in reattori nucleari per controllare la velocità delle reazioni a catena che si svolgono in loro come un moderatore di neutroni. È noto utilizzare la sostanza come una barra di ardesia o lubrificante nelle parti di sfregamento dei meccanismi.
Cos'è la carota?
La polvere cristallina nera con una lucentezza vetrosa è il carbine. È stato sintetizzato a metà del 20 ° secolo in Russia. La sostanza è superiore in durezza alla grafite, chimicamente passiva, ha le proprietà di un semiconduttore ed è la modifica più stabile del carbonio. Il composto è più resistente della grafite. Esistono anche forme di carbonio le cui proprietà chimiche differiscono l'una dall'altra. Questi sono fuliggine, carbone di legna e coca cola.
Le varie caratteristiche delle modifiche allotropiche del carbonio sono spiegate dalla struttura dei loro reticoli cristallini. È una sostanza refrattaria senza colore o odore. È insolubile nei solventi organici, ma è in grado di formare soluzioni solide - leghe, ad esempio, con ferro.
Proprietà chimiche del carbonio
A seconda della sostanza con cui reagisce, il carbonio può presentare proprietà doppie: sia un agente riducente che un agente ossidante. Ad esempio, la fusione di coke con metalli, ottenere i loro composti - carburi. Gli idrocarburi si formano nella reazione con l'idrogeno. Lo è composti organici per esempio, metano, etilene, acetilene, in cui, come nel caso dei metalli, il carbonio ha stato di ossidazione uguale a -4. Le reazioni chimiche riducenti del carbonio, le proprietà di cui studiamo, si manifestano durante la sua interazione con ossigeno, alogeni, acqua e ossidi di base.
Ossidi carbonici
La combustione di carbone nell'aria a bassa ossigeno produce monossido di carbonio, un biossido di carbonio bivalente. È incolore, inodore e altamente tossico. Combinato con l'emoglobina del sangue durante la respirazione, il monossido di carbonio si diffonde in tutto il corpo umano, causando avvelenamento e morte per soffocamento. Nella classificazione, la sostanza prende il posto degli ossidi indifferenti, non reagisce con l'acqua, né la base né l'acido gli corrispondono. Le proprietà chimiche del carbonio con una valenza di 4 differiscono dalle caratteristiche precedentemente considerate.
Anidride carbonica
Una sostanza gassosa incolore alla temperatura di 15 e una pressione di una atmosfera si trasforma in una fase solida. Si chiama ghiaccio secco. Le molecole di CO 2 sono non polari, sebbene il legame covalente tra gli atomi di ossigeno e il carbonio sia polare. Il collegamento si riferisce agli ossidi acidi. Interagendo con l'acqua, forma l'acido carbonico. Esistono reazioni tra l'anidride carbonica e le sostanze semplici: metalli e non metalli, ad esempio, con magnesio, calcio o coke. In loro, interpreta il ruolo di un agente ossidante.
Reazione qualitativa al biossido di carbonio
Per assicurarsi che il gas di prova sia effettivamente CO 2 , il seguente esperimento viene condotto in chimica inorganica: la sostanza viene fatta passare attraverso una soluzione limpida di acqua di calce. L'osservazione della torbidità della soluzione dovuta alla precipitazione di un precipitato bianco di carbonato di calcio conferma la presenza di molecole di biossido di carbonio nella miscela di reagenti. All'ulteriore passaggio del gas attraverso la soluzione di idrossido di calcio, il precipitato di CaCO 3 si dissolve a causa della sua conversione in bicarbonato di calcio, un sale solubile in acqua.
Il ruolo del carbonio nel processo del dominio
Le proprietà chimiche del carbonio sono utilizzate nella produzione industriale di ferro dai suoi minerali: minerale di ferro magnetico, rosso o marrone. Il principale tra questi sarà la riduzione delle proprietà di carbonio e ossidi - monossido di carbonio e anidride carbonica. I processi che si verificano nell'altoforno possono essere rappresentati come la seguente sequenza di reazioni:
- In primo luogo, le bruciature di coke in una corrente d'aria riscaldata a 1.850 ° C per formare biossido di carbonio: C + O 2 = CO 2 .
- Passando attraverso il carbone caldo, si riduce al monossido di carbonio: CO 2 + C = 2CO.
- Il monossido di carbonio reagisce con il minerale di ferro, con conseguente ossido di ferro: 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 ↑, Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2 .
- La reazione di ottenere ferro avrà la seguente forma: FeO + CO = Fe + CO 2
Il ferro fuso scioglie in sé una miscela di carbonio e monossido di carbonio, ne risulta la sostanza - cementite.
Il ferro, fuso nell'altoforno, ad eccezione del ferro, contiene fino al 4,5% di carbonio e altre impurità: manganese, fosforo, zolfo. L'acciaio, che differisce dalla ghisa per una serie di caratteristiche, ad esempio la sua capacità di essere arrotolato e forgiato, ha nella sua composizione solo dallo 0,3 all'1,7% di carbonio. I prodotti in acciaio sono ampiamente usati in quasi tutte le industrie: ingegneria meccanica, metallurgia, medicina.
Nel nostro articolo, abbiamo scoperto quali proprietà chimiche del carbonio e dei suoi composti sono utilizzate in varie sfere dell'attività umana.