WĘGIEL: WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, OTRZYMYWANIE, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Węgla jest nie - pierwiastek chemiczny, którego znak chemiczny C nazwany węgla, roślinnego lub mineralnego, w którym jego atomy definiować rozmaite struktury. Wielu autorów określa go mianem króla pierwiastków, ponieważ tworzy szeroką gamę związków organicznych i nieorganicznych, a także występuje w znacznej liczbie alotropów.

A jeśli to nie wystarczy nazywać go szczególnym elementem, występuje on we wszystkich żywych istotach; wszystkie jego biocząsteczki zawdzięczają swoje istnienie stabilności i sile wiązań CC oraz ich wysokiej tendencji do łączenia się. Węgiel jest pierwiastkiem życia, a wraz z jego atomami budowane są ich ciała.

Drewno drzew składa się głównie z węglowodanów, jednego z wielu związków bogatych w węgiel. Źródło: Pexels.

Związki organiczne, z których zbudowane są biomateriały, składają się praktycznie ze szkieletów węglowych i heteroatomów. Można je zobaczyć gołym okiem w lesie drzew; a także, gdy uderza w nie piorun i piecze. Pozostałe obojętne czarne ciało stałe również zawiera węgiel; ale to jest węgiel drzewny.

Istnieją zatem „martwe” przejawy tego pierwiastka: węgiel drzewny, produkt spalania w środowiskach ubogich w tlen; oraz węgiel mineralny, produkt procesów geologicznych. Obie substancje stałe wyglądają podobnie, są czarne i spalają się, aby wytworzyć ciepło i energię; chociaż z różnymi plonami.

Od tego momentu węgiel jest piętnastym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Nic dziwnego, że rocznie produkuje się miliony ton węgla. Minerały te różnią się właściwościami w zależności od stopnia zanieczyszczenia, stawiając antracyt jako węgiel mineralny najwyższej jakości.

Skorupa ziemska jest nie tylko bogata w węgiel mineralny, ale także w węglany, zwłaszcza wapień i dolomity. A jeśli chodzi o Wszechświat, jest czwartym najbardziej rozpowszechnionym elementem; Chodzi mi o to, że na innych planetach jest więcej węgla.

Historia węgla

Retrospekcja

Węgiel może być tak stary jak sama skorupa ziemska. Od niepamiętnych czasów starożytne cywilizacje napotykały ten pierwiastek w wielu jego naturalnych postaciach: sadza, węgiel drzewny, węgiel drzewny lub węgiel drzewny, diamenty, grafit, smoła węglowa, antracyt itp.

Wszystkie te bryły, mimo że miały wspólne ciemne odcienie (z wyjątkiem diamentu), reszta ich właściwości fizycznych, a także skład, różniły się znacznie. W tamtych czasach nie można było twierdzić, że składały się one głównie z atomów węgla.

W ten sposób na przestrzeni dziejów węgiel klasyfikowano według jego jakości w czasie spalania i dostarczania ciepła. Wraz z gazami powstałymi w wyniku jego spalania podgrzewały się masy wody, które z kolei wytwarzały opary, które poruszały turbinami wytwarzającymi prądy elektryczne.

Węgiel w nieoczekiwany sposób był obecny w węglu drzewnym wytwarzanym przez spalanie drzew w zamkniętych lub hermetycznych przestrzeniach; w graficie, z którego wykonano ołówki; w diamentach używanych jako klejnoty; był odpowiedzialny za twardość stali.

Jego historia idzie w parze z drewnem, prochem strzelniczym, gazami miejskimi, pociągami i statkami, piwem, smarami i innymi przedmiotami niezbędnymi dla rozwoju ludzkości.

Uznanie

W którym momencie naukowcy byli w stanie skojarzyć alotropy i minerały węgla z tym samym pierwiastkiem? Węgiel był postrzegany jako minerał i nie uważano go za pierwiastek chemiczny godny układu okresowego. Pierwszym krokiem powinno było wykazać, że wszystkie te ciała stałe zostały przekształcone w ten sam gaz: dwutlenek węgla, CO ₂ .

Antoine Lavoisier w 1772 roku, używając drewnianej oprawki z dużymi soczewkami, skupił promienie słoneczne na próbkach węgla drzewnego i diamentu. Odkrył, że żaden z nich nie tworzył oparów wody, ale CO ₂ . Zrobił to samo z sadzą i uzyskał takie same wyniki.

Carl Wilhelm Scheele w 1779 r. Odkrył związek chemiczny między węglem drzewnym a grafitem; to znaczy, że obie ciała stałe składały się z tych samych atomów.

Smithson Tennant i William Hyde Wollaston w 1797 metodologicznie zweryfikowali (poprzez reakcje), że diament w rzeczywistości składa się z węgla podczas wytwarzania CO ₂ podczas spalania.

W wyniku tych wyników wkrótce światło padło na grafit i diament, ciała stałe utworzone przez węgiel, a zatem o wysokiej czystości; w przeciwieństwie do zanieczyszczonych ciał stałych węgla i innych minerałów zawierających węgiel.

Nieruchomości

Fizyczne lub chemiczne właściwości ciał stałych, minerałów lub materiałów zawierających węgiel zależą od wielu zmiennych. Wśród nich są: skład lub stopień zanieczyszczeń, hybrydyzacje atomów węgla, różnorodność struktur oraz morfologia lub wielkość porów.

Opisując właściwości węgla, większość tekstów lub źródeł bibliograficznych opiera się na graficie i diamentach.

Czemu? Ponieważ są to najlepiej znane alotropy dla tego pierwiastka i reprezentują ciała stałe lub materiały o wysokiej czystości; to znaczy, że praktycznie nie są zbudowane z niczego więcej niż atomów węgla (chociaż mają różne struktury, co zostanie wyjaśnione w następnej sekcji).

Właściwości węgla drzewnego i mineralnego różnią się odpowiednio pochodzeniem lub składem. Na przykład węgiel brunatny (niskowęglowy) jako paliwo pełznie w porównaniu z antracytem (wysokowęglowym). A co z innymi alotropami: nanorurkami, fulerenami, grafenami, graffinami itp.

Jednak pod względem chemicznym mają jeden wspólny punkt: utleniają się z nadmiarem tlenu w CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Teraz prędkość lub temperatura, których potrzebują do utleniania, są specyficzne dla każdego z tych alotropów.

Grafit vs diament

Zostanie tu również zamieszczony krótki komentarz dotyczący bardzo różnych właściwości tych dwóch odmian alotropowych:

Tabela, w której porównuje się niektóre właściwości dwóch krystalicznych alotropów węgla. Źródło: Gabriel Bolívar.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Hybrydyzacje

Związek między orbitalami hybrydowymi a możliwymi strukturami węgla. Źródło: Gabriel Bolívar.

Konfiguracja elektronowa atomu węgla to 1s ² 2s ² 2p ² , również zapisana jako 2s ² 2p ² (górne zdjęcie). Ta reprezentacja odpowiada swojemu stanowi podstawowemu: atom węgla odizolowany i zawieszony w takiej próżni, że nie może oddziaływać z innymi.

Można zauważyć, że jeden z jego orbitali 2p nie ma elektronów, które przyjmują elektron z orbitalu 2s o niższej energii poprzez promocję elektroniczną; a zatem, atom nabywa zdolność do tworzenia do czterech wiązań kowalencyjnych z czterech sp ³ orbitali hybrydowych .

Zauważ, że wszystkie cztery orbitale sp ³ są zdegenerowane energetycznie (ustawione na tym samym poziomie). Czyste orbitale p są bardziej energetyczne, dlatego są umieszczone nad innymi orbitaliami hybrydowymi (po prawej stronie obrazu).

Jeśli istnieją trzy orbitale hybrydowe, dzieje się tak dlatego, że pozostaje jeden niezhybrydyzowany orbital p; dlatego są to trzy orbitale sp ² . A kiedy są dwa z tych orbitali hybrydowych, dostępne są dwa orbitale p, które tworzą wiązania podwójne lub potrójne, będące hybrydyzacją węgla sp.

Takie aspekty elektroniczne są niezbędne, aby zrozumieć, dlaczego węgiel można znaleźć w nieskończoności alotropów.

Liczby utleniania

Zanim przejdziemy dalej do struktur warto wspomnieć, że biorąc pod uwagę konfigurację elektronową wartościowości 2s ² 2p ² , węgiel może mieć następujące stopnie utlenienia: +4, +2, 0, -2 i -4.

Czemu? Liczby te odpowiadają założeniu, że istnieje takie wiązanie jonowe, że tworzysz jony z odpowiednimi ładunkami; to jest C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (neutralne), C ^2- i C ^4- .

Aby węgiel miał dodatni stopień utlenienia, musi stracić elektrony; Aby to zrobić, musi być koniecznie związany z atomami bardzo elektroujemnymi (takimi jak tlen).

Tymczasem, aby węgiel miał ujemny stopień utlenienia, musi pozyskiwać elektrony poprzez wiązanie z atomami metalu lub mniej elektroujemnymi niż on (np. Wodór).

Pierwszy stopień utlenienia +4 oznacza, że ​​węgiel utracił wszystkie elektrony walencyjne; orbitale 2s i 2p pozostają puste. Jeśli orbital 2p straci swoje dwa elektrony, węgiel będzie miał stopień utlenienia +2; jeśli zdobędziesz dwa elektrony, będziesz miał -2; a jeśli zdobędziesz jeszcze dwa elektrony, uzupełniając oktet walencyjny, -4.

Przykłady

Na przykład dla CO ₂ stopień utlenienia węgla wynosi +4 (ponieważ tlen jest bardziej elektroujemny); podczas gdy dla CH ₄ jest to -4 (ponieważ wodór jest mniej elektroujemny).

Na CH ₃ OH liczba utleniania węgla wynosi 2 (w H + 1 i -2 w O); podczas gdy dla HCOOH jest to +2 (sprawdź, czy suma daje 0).

Prawdopodobne są również inne stany utlenienia, takie jak -3 i +3, zwłaszcza jeśli chodzi o cząsteczki organiczne; Na przykład, w grupach metylowych, -CH ₃ .

Geometrie molekularne

Górny obraz pokazał nie tylko hybrydyzację orbitali atomu węgla, ale także wynikającą z tego geometrię molekularną, gdy kilka atomów (czarnych kul) zostało połączonych z jednym centralnym. Aby ten centralny atom miał określone środowisko geometryczne w przestrzeni, musi mieć odpowiednią hybrydyzację chemiczną, która na to pozwala.

Na przykład, w Tetrahedron centralny węgla ma SP ³ hybrydyzacji ; ponieważ taki jest najbardziej stabilny układ dla czterech orbitali hybrydowych sp ³ . W przypadku węgli sp ² mogą tworzyć wiązania podwójne i mieć otoczenie płaszczyzny trygonalnej; i dlatego te trójkąty definiują idealny sześciokąt. A dla hybrydyzacji sp węgle przyjmują geometrię liniową.

Zatem geometrie obserwowane w strukturach wszystkich odmian alotropowych są po prostu regulowane przez czworościany (sp ³ ), sześciokąty lub pięciokąty (sp ² ) i linie (sp).

Czworościany określają strukturę 3D, podczas gdy sześciokąty, pięciokąty i linie, struktury 3D lub 2D; Te ostatnie to płaszczyzny lub arkusze podobne do ścian plastrów miodu:

Ściana o sześciokątnych kształtach przypominających plaster miodu analogicznie do płaszczyzn złożonych z węgli sp2. Źródło: Pixabay.

A jeśli złożymy tę sześciokątną ścianę (pięciokątną lub mieszaną), otrzymamy rurkę (nanorurki) lub kulkę (fulereny) lub inną figurę. Interakcje między tymi figurami prowadzą do różnych morfologii.

Amorficzne lub krystaliczne ciała stałe

Pomijając geometrie, hybrydyzacje lub morfologie możliwych struktur węgla, jego ciała stałe można globalnie podzielić na dwa typy: amorficzne lub krystaliczne. Pomiędzy tymi dwoma klasyfikacjami rozmieszczone są ich alotropy.

Węgiel amorficzny to po prostu taki, który przedstawia dowolną mieszaninę czworościanów, sześciokątów lub linii, niezdolnych do ustalenia wzoru strukturalnego; tak jest w przypadku węgla, węgla drzewnego lub węgla aktywnego, koksu, sadzy itp.

Podczas gdy krystaliczny węgiel składa się z wzorów strukturalnych składających się z dowolnej z proponowanych geometrii; na przykład diament (trójwymiarowa sieć czworościanów) i grafit (ułożone w stos arkusze sześciokątne).

Otrzymywanie

Węgiel może być czysty jak grafit lub diament. Znajdują się one w odpowiednich złożach mineralogicznych, rozsianych po całym świecie iw różnych krajach. Dlatego niektóre narody są bardziej eksporterami jednego z tych minerałów niż inne. Krótko mówiąc, „musisz wykopać ziemię”, aby uzyskać węgiel.

To samo dotyczy węgla mineralnego i jego rodzajów. Ale tak nie jest w przypadku węgla drzewnego, ponieważ ciało bogate w węgiel musi najpierw „zginąć” pod wpływem ognia lub promienia elektrycznego; oczywiście przy braku tlenu, w przeciwnym razie zostałby uwolniony CO ₂ .

Cały las jest źródłem węgla, takim jak węgiel drzewny; nie tylko ze względu na drzewa, ale także na faunę.

Ogólnie rzecz biorąc, próbki zawierające węgiel muszą zostać poddane pirolizie (spalaniu pod nieobecność tlenu), aby uwolnić część zanieczyszczeń w postaci gazów; a zatem ciało stałe bogate w węgiel (bezpostaciowe lub krystaliczne) pozostaje jako pozostałość.

Aplikacje

Ponownie, podobnie jak właściwości i struktura, zastosowania lub zastosowania są zgodne z alotropami lub mineralogicznymi formami węgla. Istnieją jednak pewne ogólne kwestie, o których można wspomnieć, oprócz niektórych dobrze znanych punktów. Są to:

-Węgiel jest używany od dawna jako mineralny środek redukujący do otrzymywania czystych metali; na przykład między innymi żelazo, krzem i fosfor.

-To kamień węgielny życia, a chemia organiczna i biochemia są badaniami tej refleksji.

- To także paliwo kopalne pozwoliło pierwszym maszynom na rozpoczęcie biegu. W ten sam sposób uzyskano z niego gaz węglowy do starych systemów oświetleniowych. Węgiel był synonimem światła, ciepła i energii.

- Zmieszany jako dodatek z żelazem w różnych proporcjach pozwolił na wynalezienie i ulepszenie stali.

-Jego czarny kolor miał miejsce w sztuce, zwłaszcza graficie i wszystkich pismach wykonanych jego liniami.

Ryzyko i środki ostrożności

Węgiel i jego ciała stałe nie stanowią żadnego zagrożenia dla zdrowia. Kogo obchodzi worek węgla drzewnego? Są sprzedawane w wielu miejscach w korytarzach niektórych rynków i dopóki nie będzie w pobliżu ognia, ich czarne bloki nie spłoną.

Z drugiej strony koks może stanowić zagrożenie, jeśli zawiera wysoką zawartość siarki. Podczas spalania uwalnia gazy siarkowe, które nie tylko są toksyczne, ale także przyczyniają się do powstawania kwaśnych deszczy. I chociaż CO ₂ w małych ilościach nie może nas udusić, ma ogromny wpływ na środowisko jako gaz cieplarniany.

Z tej perspektywy węgiel jest zagrożeniem „długoterminowym”, ponieważ jego spalanie zmienia klimat naszej planety.

W sensie bardziej fizycznym, stałe lub zawierające węgiel materiały, jeśli są sproszkowane, są łatwo przenoszone przez prądy powietrza; w konsekwencji trafiają bezpośrednio do płuc, co może je nieodwracalnie uszkodzić.

Co do reszty, bardzo często spożywa się „węgiel drzewny”, gdy coś jest gotowane.

Bibliografia

1. Morrison, RT i Boyd, R, N. (1987). Chemia organiczna. Wydanie 5. Od redakcji Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Chemia organiczna. (Wydanie szóste). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chemia organiczna. Aminy. (Wydanie 10.). Wiley Plus.
4. Andrzej. (2019). Węgiel, jego alotropy i struktury. Odzyskany z: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Węgiel. Wyjaśnienie chemii. Odzyskane z: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 lipca 2018). 10 faktów dotyczących węgla (liczba atomowa 6 lub C). Odzyskany z: thinkco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Co to jest węgiel? - Fakty i lekcja historii dla dzieci. Badanie. Odzyskany z: study.com
8. Föll. (sf). Historia węgla. Odzyskany z: tf.uni-kiel.de