Cos'è il carbonio? Descrizione, proprietà e formula del carbonio

Parlare brevemente di ciò che il carbonio è impossibile. Dopo tutto, è la base della vita. Questo elemento è presente in tutti i composti organici e solo esso può formare molecole di DNA da milioni di atomi. Le sue proprietà sono numerose, quindi vale la pena di parlarne in modo più dettagliato.

Formula, notazione, caratteristiche

Questo elemento, che si trova nella tabella sotto il numero sei, è contraddistinto dal simbolo "C". La formula strutturale elettronica del carbonio è la seguente: 1s ² 2s ² 2p ² . La sua massa è 12.0107 amu. Questa sostanza ha:

• Due elettroni spaiati nello stato fondamentale. Mostra valenza II.
• Quattro elettroni spaiati nello stato eccitato. Mostra valenza IV.

Dovrebbe essere notato che una certa massa di carbonio è contenuta nella crosta terrestre. 0,023%, per la precisione. Si accumula principalmente nella parte superiore, nella biosfera. La maggior parte della massa di carbonio nella litosfera si accumula nelle dolomiti e nei calcari, sotto forma di carbonati.

Caratteristiche fisiche

Allora, cos'è il carbonio? Questa è una sostanza che esiste in un numero enorme di modificazioni allotropiche e le loro proprietà fisiche possono essere elencate per un lungo periodo di tempo. Una varietà di sostanze è dovuta alla capacità del carbonio di formare legami chimici di diverso tipo.

E le proprietà del carbonio come una sostanza semplice? Possono essere riassunti come segue:

• In condizioni normali, la densità è 2,25 g / cm³.
• Il punto di ebollizione è 3506,85 ° C.
• La capacità termica molare è di 8,54 J / (K • mol).
• La temperatura di transizione di fase critica (quando il gas non si condensa a qualsiasi pressione) è 4130 K, 12 MPa.
• Volume molare 5,3 cm³ / mol.

Vale anche la pena elencare le modifiche del carbonio.

Tra le sostanze cristalline, le più famose sono: diamante, carabina, grafite, nano-diamante, fullerite, lonsdaleite, fullerene e fibre di carbonio.

Le formazioni amorfe comprendono legno, fossili e carbone attivo, antracite, coke, carbone di vetro, nerofumo, nerofumo e nanopene.

Ma nessuna delle precedenti è la forma puramente allotropica della sostanza in discussione. Questi sono solo composti chimici in cui il carbonio è contenuto in alta concentrazione.

struttura

È interessante notare che gli orbitali elettronici dell'atomo di carbonio non sono gli stessi. Hanno una geometria diversa. Tutto dipende dal grado di ibridazione. Ci sono tre geometrie più comuni:

• Tetraedrico . Si forma quando si verifica una miscela di tre p- e uno s-elettroni. Questa geometria dell'atomo di carbonio è osservata in lonsdaleite e diamante. Il metano e altri idrocarburi hanno una struttura simile.
• Trigonal . Questa geometria forma una miscela di due orbitali dell'elettrone di P e uno s. Un altro elemento p non partecipa all'ibridazione, ma è coinvolto nella formazione di un legame π con altri atomi. Questa struttura è caratteristica di fenolo, grafite e altre modifiche.
• Digonal . Questa struttura si forma a causa della miscelazione di elettroni S e P (uno per uno). È interessante il modo in cui le nuvole elettroniche sembrano manubri asimmetrici. Si allungarono lungo la direzione della stessa. Altri due p-elettroni formano i famigerati legami π. Questa geometria è caratteristica del Carbyne.

Non molto tempo fa, nel 2010, gli scienziati dell'università, che si trova a Nottingham, hanno scoperto un composto in cui quattro atomi contemporaneamente erano sullo stesso piano. Il suo nome è Monomeric Dilitio Methanium.

molecole

Su di loro dovrebbe essere detto separatamente. Gli atomi della sostanza in discussione possono unirsi, dando luogo alla formazione di complesse molecole di carbonio. Da Na saturo, С ₂ e Н ₂ , tra cui l'attrazione è troppo debole, si distinguono per la tendenza a condensare in uno stato solido. Le molecole di carbonio possono rimanere allo stato gassoso, solo se si mantiene una temperatura elevata. Altrimenti, la sostanza si indurisce all'istante.

Qualche tempo fa, una nuova forma di carbonio solido è stata sintetizzata negli Stati Uniti, presso il Berkleev National Laboratory. Questo è C36. E la sua molecola forma 36 atomi di carbonio. La sostanza è formata insieme a fullereni C60. Succede tra due elettrodi di grafite, nelle condizioni della fiamma della scarica ad arco. Gli scienziati suggeriscono che le molecole di una nuova sostanza hanno interessanti proprietà chimico-elettriche che non sono ancora state studiate.

grafite

Ora puoi dire più in dettaglio sulle modifiche più famose di una sostanza come il carbonio.

La grafite è un minerale nativo con una struttura a strati. Ecco le sue caratteristiche:

• È un grande direttore d'orchestra.
• È una sostanza relativamente morbida a causa della sua bassa durezza.
• Se riscaldato in assenza di aria, è resistente.
• Non si scioglie.
• Al tatto grasso, scivoloso.
• Nella grafite naturale contiene il 10-12% di impurità. Di regola, questi sono ossidi di ferro e argilla.

Se parliamo di proprietà chimiche, vale la pena notare che con sali e metalli alcalini questa sostanza forma i cosiddetti composti di inclusione. Anche la grafite ad alta temperatura reagisce con l'ossigeno, bruciando anidride carbonica. Ma il contatto con acidi non ossidanti non comporta alcun risultato - questa sostanza semplicemente non si dissolve in essi.

Applicare la grafite nelle più diverse sfere. Viene utilizzato nella produzione di piastre di rivestimento e crogioli di fusione, nella produzione di elementi riscaldanti ed elettrodi. Senza la partecipazione di grafite è impossibile ottenere diamanti sintetici. Gioca anche il ruolo di un moderatore di neutroni nei reattori nucleari. E, naturalmente, le aste per matite ne sono fatte, interferendo con il caolino. E questa è solo una parte delle aree in cui viene utilizzata.

diamante

È un minerale metastabile che può esistere per un tempo illimitato, che è in qualche misura dovuto alla forza e alla densità del carbonio. Il diamante è la sostanza più dura della scala Mohs, taglia facilmente il vetro.

Ha alta conducibilità termica, dispersione, indice di rifrazione È resistente e, per farlo sciogliere, serve una temperatura di 4000 ° C e una pressione di circa 11 GPa. La sua caratteristica è la luminescenza, la capacità di brillare in diversi colori.

Questa è una sostanza rara, sebbene comune. L'età dei minerali, secondo alcuni studi, può variare da 100 milioni a 2,5 miliardi di anni. Trovati diamanti di origine extraterrestre, forse anche prima del sole.

Questo minerale ha trovato il suo uso in gioielleria. Un diamante tagliato, chiamato diamante, è costoso, ma il suo status come gioielli e bellezza lo ha reso ancora più popolare. A proposito, questa sostanza viene anche utilizzata nella fabbricazione di incisivi, trapani, coltelli, ecc. A causa della sua eccezionale durezza, il minerale è utilizzato in molte industrie.

carabina

Continuando il tema di cosa sia il carbonio, dobbiamo dire alcune parole sulla sua modificazione, come la carabina. Sembra una polvere cristallina nera, ha proprietà di semiconduttore. Ottenuto artificialmente nei primi anni '60 da scienziati sovietici.

La particolarità di questa sostanza è la crescente conduttività sotto l'effetto della luce. Ecco perché ha iniziato a essere utilizzato nelle celle fotovoltaiche.

grafene

Questo è il primo cristallo bidimensionale del mondo. Questa modifica ha una rigidità meccanica maggiore della grafite e una conducibilità termica record-alta, che è ~ 5 • 10 ³ W • m ^-1 • K -. I portatori di grafene hanno un'elevata mobilità, motivo per cui la sostanza ha prospettive di utilizzo in varie applicazioni. Si ritiene che possa diventare la base futura della nanoelettronica e persino sostituire il silicio nei circuiti integrati.

Il grafene è ottenuto artificialmente nei laboratori scientifici. Per questo, è necessario ricorrere al distacco meccanico degli strati di grafite da una sostanza altamente orientata. Ottieni campioni di alta qualità con la necessaria mobilità dei trasportatori.

Le sue proprietà non sono state completamente studiate, ma gli scienziati hanno già notato qualcosa di interessante. Ad esempio, nel grafene non c'è cristallizzazione di Winger. E in un doppio strato di materia, il comportamento degli elettroni assomiglia a quella caratteristica dei cristalli liquidi. Se osserviamo i parametri di divisione su un cristallo, riusciremo a ottenere una nanostruttura simile a una scatola di grafene.

tossicità

Questo argomento è degno di nota in conclusione della storia su cosa sia il carbonio. Il fatto è che questa sostanza viene rilasciata nell'atmosfera insieme ai gas di scarico delle auto. E anche quando si bruciano carbone, gassificazione sotterranea e in molti altri processi.

L'aumento del contenuto di questa sostanza nell'aria porta ad un aumento del numero di malattie. In particolare, questo si applica ai polmoni e al tratto respiratorio superiore. Ma l'effetto tossico è dovuto all'interazione della natura di radiazione con le particelle β, il che porta al fatto che la composizione chimica della molecola cambia e anche le proprietà della sostanza.