CARBON: MGA KATANGIAN, ISTRAKTURA, PAGKUHA, GUMAGAMIT - CHEMISTRY - 2025

Ang carbon ay isang elementong kemikal na hindi metal na ang simbolo ng kemikal ay C. pinangalanan sa karbon, gulay o mineral, kung saan ang mga atomo nito ay tumutukoy sa iba't ibang mga istraktura. Maraming mga may-akda ang karapat-dapat na ito bilang Hari ng mga elemento, yamang bumubuo ito ng isang malawak na hanay ng mga organikong at tulagay na mga compound, at nangyayari rin sa isang malaking bilang ng mga allotropes.

At kung ito ay hindi sapat upang tukuyin ito bilang isang espesyal na elemento, matatagpuan ito sa lahat ng mga nilalang na may buhay; lahat ng mga biomolecules nito ay may utang sa kanilang pagkakaroon sa katatagan at lakas ng mga bono ng CC at kanilang mataas na pagkahilig na magkatugma. Ang carbon ay ang elemento ng buhay, at sa mga atomo nito ang kanilang mga katawan ay itinayo.

Ang kahoy ng mga puno ay binubuo pangunahin ng mga karbohidrat, isa sa maraming mga compound na mayaman sa carbon. Pinagmulan: Mga pexels.

Ang mga organikong compound na kung saan ang mga biomaterial ay itinayo na halos binubuo ng mga carbon skeleton at heteroatoms. Ang mga ito ay makikita gamit ang hubad na mata sa kahoy ng mga puno; at pati na rin, kapag sinaktan sila ng kidlat at sinasalayan sila. Ang natitirang madilim na itim na solid ay mayroon ding carbon; ngunit ito ay uling.

Kaya, mayroong mga "patay" na pagpapakita ng sangkap na ito: uling, isang produkto ng pagkasunog sa mga kapaligiran na hindi maganda ang oxygen; at mineral na karbon, isang produkto ng mga proseso ng geolohiko. Parehong solido ang magkatulad, sila ay itim, at sila ay nagsusunog upang makabuo ng init at enerhiya; kahit na may iba't ibang mga ani.

Mula sa puntong ito, ang carbon ang ika-15 pinaka-sagana na elemento sa crust ng lupa. Hindi nakakagulat kung milyun-milyong toneladang karbon ang ginagawa bawat taon. Ang mga mineral na ito ay naiiba sa kanilang mga katangian depende sa antas ng mga impurities, paglalagay ng anthracite bilang pinakamataas na kalidad ng mineral na karbon.

Ang crust ng lupa ay hindi lamang mayaman sa mineral na karbon, kundi pati na rin sa carbonates, lalo na ang apog at dolomite. At tungkol sa Uniberso, ito ang pang-apat na pinakamasaganang elemento; Ibig kong sabihin, mayroong maraming carbon out doon sa iba pang mga planeta.

Kasaysayan ng karbon

Retrospect

Ang carbon ay maaaring kasing edad ng crust mismo ng lupa. Dahil sa napapanahong panahon, ang mga sinaunang sibilisasyon ay nakatagpo ng elementong ito sa maraming likas na pagtatanghal: soot, charcoal, charcoal, charcoal, diamante, grapayt, karbon tar, anthracite, atbp.

Ang lahat ng mga solido, bagaman ibinahagi nila ang madilim na tono (maliban sa diyamante), ang natitirang bahagi ng kanilang mga pisikal na katangian, pati na rin ang kanilang komposisyon, naiiba ang kamangha-mangha. Bumalik pagkatapos imposible na i-claim na sila ay mahalagang binubuo ng mga carbon atoms.

Sa gayon ay sa buong kasaysayan, ang karbon ay inuri ayon sa kalidad nito sa oras ng pagsunog at pagbibigay ng init. At sa mga gas na nabuo sa pamamagitan ng pagkasunog nito, ang mga masa ng tubig ay pinainit, na siya namang gumawa ng mga vapors na inilipat ang mga turbine na lumikha ng mga de-koryenteng alon.

Ang carbon sa isang hindi nakaaasahang paraan ay naroroon sa uling na ginawa sa pamamagitan ng pagsusunog ng mga puno sa mga sarado o hermetic space; sa grapayt na kung saan ginawa ang mga lapis; sa mga diamante na ginamit bilang mga hiyas; siya ang may pananagutan sa tigas ng bakal.

Ang kasaysayan nito ay magkasama sa kahoy, gunpowder, gas lighting ng lungsod, tren at barko, serbesa, pampadulas at iba pang mahahalagang bagay para sa pagsulong ng sangkatauhan.

Pagkilala

Saang punto nakakapag-ugnay ng mga siyentipiko ang mga allotropes at mineral ng carbon na may parehong elemento? Ang karbon ay nakita bilang isang mineral, at hindi ito naisip bilang isang elemento ng kemikal na karapat-dapat sa pana-panahong talahanayan. Ang unang hakbang ay dapat na ipakita na ang lahat ng mga solido na ito ay binago sa parehong gas: carbon dioxide, CO ₂ .

Ang Antoine Lavoisier noong 1772, gamit ang isang kahoy na frame na may malalaking lente, na nakatuon ang mga sinag ng araw sa mga halimbawa ng uling at isang brilyante. Natagpuan niya na wala sa kanila ang bumubuo ng mga singaw ng tubig kundi ang CO ₂ . Ganoon din ang ginawa niya sa soot at nakuha ang parehong mga resulta.

Si Carl Wilhelm Scheele noong 1779, natagpuan ang ugnayang kemikal sa pagitan ng uling at grapayt; iyon ay, ang parehong solido ay binubuo ng magkatulad na mga atomo.

Sina Smithson Tennant at William Hyde Wollaston noong 1797 na metolohikal na napatunayan (sa pamamagitan ng mga reaksyon) na ang brilyante ay talagang binubuo ng carbon kapag gumagawa ng CO ₂ sa pagkasunog nito.

Sa mga resulta na ito, ang ilaw ay agad na itinapon sa grapayt at brilyante, mga solido na nabuo ng carbon, at samakatuwid, ng mataas na kadalisayan; hindi katulad ng hindi magagawang solido ng karbon at iba pang mga mineral na mineralaceous.

Ari-arian

Ang pisikal o kemikal na mga katangian na matatagpuan sa solids, mineral, o carbonaceous na mga materyales ay napapailalim sa maraming mga variable. Kabilang sa mga ito ay: ang komposisyon o antas ng mga dumi, ang mga hybridisasyon ng mga carbon atoms, ang pagkakaiba-iba ng mga istruktura, at ang morpolohiya o laki ng mga pores.

Kapag naglalarawan ng mga katangian ng carbon, karamihan sa mga teksto o mapagkukunang bibliographic ay batay sa grapayt at brilyante.

Bakit? Dahil ang mga ito ang pinakamahusay na kilalang mga allotropes para sa elementong ito at kumakatawan sa solido o mataas na kadalisayan na mga materyales; iyon ay, sila ay praktikal na gawa sa higit sa mga carbon atoms (bagaman may iba't ibang mga istraktura, tulad ng ipapaliwanag sa susunod na seksyon).

Ang mga katangian ng uling at mineral na karbon ay naiiba sa kanilang mga pinagmulan o komposisyon, ayon sa pagkakabanggit. Halimbawa, ang lignite (mababang carbon) bilang isang gasolina na gumapang kumpara sa anthracite (mataas na carbon). At ano ang tungkol sa iba pang mga allotropes: nanotubes, fullerenes, graphenes, graffins, atbp.

Gayunpaman, sa kemikal mayroon silang isang punto sa karaniwan: nag-oxidize sila na may labis na oxygen sa CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Ngayon, ang bilis o temperatura na kinakailangan nila upang mag-oxidize ay tiyak sa bawat isa sa mga allotropes na ito.

Graphite vs brilyante

Ang isang maikling puna ay gagawin din dito patungkol sa ibang magkakaibang mga katangian para sa dalawang allotropes na ito:

Ang talahanayan kung saan ang ilang mga katangian ng dalawang crystalline allotropes ng carbon ay inihambing. Pinagmulan: Gabriel Bolívar.

Istraktura at pagsasaayos ng elektronik

Mga Hybridizations

Relasyon sa pagitan ng mga mestiso na orbit at posibleng mga istruktura para sa carbon. Pinagmulan: Gabriel Bolívar.

Ang pagsasaayos ng elektron para sa carbon atom ay 1s ² 2s ² 2p ² , nakasulat din bilang 2s ² 2p ² (tuktok na imahe). Ang representasyon na ito ay tumutugma sa estado ng lupa nito: ang carbon atom na nakahiwalay at nasuspinde sa naturang vacuum na hindi ito makihalubilo sa iba.

Makikita na ang isa sa 2p orbitals nito ay walang mga electron, na tumatanggap ng isang elektron mula sa mas mababang enerhiya 2s orbital sa pamamagitan ng elektronikong pag-promote; at sa gayon, ang atom ay nakakakuha ng kakayahang makabuo ng hanggang sa apat na covalent bond sa pamamagitan ng apat na sp ^{3 na} hybrid orbitals nito .

Tandaan na ang lahat ng apat na sp ³ orbitals ay lakas ng pagkabulok (nakahanay sa parehong antas). Ang mga purong orbitals ay mas masigla, na ang dahilan kung bakit inilalagay ang mga ito sa itaas ng iba pang mga mestiso na orbit (sa kanan ng imahe).

Kung mayroong tatlong mga hybrid na orbital, ito ay dahil sa isang unhybridized p orbital na labi; samakatuwid, ang mga ito ay tatlong sp ² orbitals . At kung mayroong dalawa sa mga hybrid na orbital na ito, ang dalawang p orbitals ay magagamit upang makabuo ng doble o triple bond, na ang pag-hybrid ng sp carbon.

Ang ganitong mga elektronikong aspeto ay mahalaga upang maunawaan kung bakit ang karbon ay matatagpuan sa mga infinities ng allotropes.

Mga numero ng oksihenasyon

Bago magpatuloy sa mga istruktura, nararapat na banggitin iyon, na ibinigay sa pagsasaayos ng valence electron 2s ² 2p ² , ang carbon ay maaaring magkaroon ng mga sumusunod na numero ng oksihenasyon: +4, +2, 0, -2 at -4.

Bakit? Ang mga bilang na ito ay tumutugma sa pag-aakala na mayroong isang ionic bond na nabuo mo ang mga ions sa kani-kanilang mga singil; iyon ay, C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (neutral), C ^2- at C ^4- .

Para sa carbon na magkaroon ng isang positibong bilang ng oksihenasyon, dapat itong mawalan ng mga electron; At upang gawin ito, kinakailangang kinakailangang maging bonded sa mga napaka-electronegative atoms (tulad ng oxygen).

Samantala, para sa carbon na magkaroon ng isang negatibong numero ng oksihenasyon, dapat itong makakuha ng mga electron sa pamamagitan ng pag-bonding sa mga metal na metal o mas kaunting electronegative kaysa dito (tulad ng hydrogen).

Ang unang bilang ng oksihenasyon, +4, ay nangangahulugan na ang carbon ay nawala ang lahat ng mga valence electron; ang 2s at 2p orbitals ay mananatiling walang laman. Kung ang 2p orbital ay nawawala ang dalawang elektron nito, ang carbon ay magkakaroon ng bilang ng oksihenasyon na +2; kung nakakuha ka ng dalawang elektron, magkakaroon ka ng -2; at kung nakakakuha ka ng dalawang higit pang mga electron sa pamamagitan ng pagkumpleto ng iyong valence octet, -4.

Mga halimbawa

Halimbawa, para sa CO ₂ ang bilang ng oksihenasyon ng carbon ay +4 (dahil ang oxygen ay mas electronegative); habang para sa CH ₄ , ito ay -4 (dahil ang hydrogen ay hindi gaanong electronegative).

Para sa CH ₃ OH, ang bilang ng oksihenasyon ng carbon ay -2 (+1 para sa H at -2 para sa O); habang para sa HCOOH, ito ay +2 (suriin na nagbibigay ang kabuuan ng 0).

Ang iba pang mga estado ng oksihenasyon, tulad ng -3 at +3, ay malamang din, lalo na pagdating sa mga organikong molekula; halimbawa, sa mga pangkat na methyl, -CH ₃ .

Mga geometries ng molekular

Ang itaas na imahe ay hindi lamang nagpakita ng hybridization ng mga orbital para sa carbon atom, kundi pati na rin ang nagreresultang molekular na geometry kapag maraming mga atoms (itim na spheres) ay naiugnay sa isang gitnang. Ang gitnang atom na ito upang magkaroon ng isang tiyak na geometric na kapaligiran sa espasyo, dapat magkaroon ng kani-kanilang kemikal na hybridization na nagpapahintulot sa ito.

Halimbawa, para sa tetrahedron ang gitnang carbon ay may sp ³ hybridization ; dahil tulad nito ay ang pinaka-matatag na pag-aayos para sa apat na sp ^{3 na mga} orbital na sp ³ . Sa kaso ng sp ² carbons , maaari silang makabuo ng dobleng mga bono at magkaroon ng isang trigonal na kapaligiran ng eroplano; at sa gayon ang mga tatsulok na ito ay nagpapahiwatig ng isang perpektong heksagon. At para sa isang pag-hybrid ng sp, ang mga carbon ay nagpatibay ng isang guhit na geometry.

Kaya, ang mga geometry na sinusunod sa mga istruktura ng lahat ng mga allotropes ay pinamamahalaan lamang ng tetrahedra (sp ³ ), hexagons o pentagons (sp ² ), at mga linya (sp).

Tinukoy ng Tetrahedra ang isang 3D na istraktura, habang ang mga hexagon, pentagons at linya, mga istruktura ng 3D o 2D; Ang huli ay ang mga eroplano o sheet na katulad ng mga dingding ng mga pulot-pukyutan:

Ang pader na may mga hexagonal na disenyo ng isang honeycomb sa pagkakatulad sa mga eroplano na binubuo ng sp2 carbons. Pinagmulan: Pixabay.

At kung tiklop namin ang pader na ito na heksagonal (pentagonal o halo-halong), makakakuha kami ng isang tubo (nanotubes) o isang bola (fullerenes), o ibang figure. Ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga figure na ito ay nagdaragdag ng iba't ibang mga morpolohiya.

Mga amphous o mala-kristal na solids

Ang pag-alis sa mga geometry, hybridizations, o morphologies ng mga posibleng istruktura ng carbon, ang mga solido ay maaaring global na naiuri sa dalawang uri: amorphous o crystalline. At sa pagitan ng dalawang pag-uuri ay ipinamamahagi ang kanilang mga allotropes.

Ang Amorphous carbon ay simpleng isa na nagtatanghal ng isang di-makatwirang halo ng tetrahedra, hexagons o linya, hindi makapagtatag ng isang istruktura na istruktura; ganito ang kaso ng karbon, uling o aktibo na uling, coke, soot, atbp.

Habang ang crystalline carbon ay binubuo ng mga istrukturang pattern na binubuo ng anuman sa mga iminungkahing geometries; halimbawa, brilyante (three-dimensional network ng tetrahedra) at grapayt (nakasalansan na mga hexagonal sheet).

Pagkuha

Ang carbon ay maaaring maging dalisay bilang grapayt o brilyante. Ito ay matatagpuan sa kani-kanilang mga deposito ng mineralogical, na nakakalat sa buong mundo at sa iba't ibang mga bansa. Iyon ang dahilan kung bakit ang ilang mga bansa ay mas nag-export ng isa sa mga mineral na ito kaysa sa iba. Sa madaling sabi, "kailangan mong maghukay ng lupa" upang makuha ang carbon.

Ang parehong naaangkop sa mineral karbon at mga uri nito. Ngunit hindi ito ang kaso sa uling, dahil ang isang katawan na mayaman sa carbon ay dapat munang "mapahamak", alinman sa ilalim ng apoy, o isang de-koryenteng kidlat; syempre, sa kawalan ng oxygen, kung hindi man mailalabas ang CO ₂ .

Ang isang buong kagubatan ay isang mapagkukunan ng carbon tulad ng uling; hindi lamang para sa mga puno nito, kundi pati na rin sa fauna nito.

Sa pangkalahatan, ang mga halimbawang naglalaman ng carbon ay dapat sumailalim sa pyrolysis (nasusunog sa kawalan ng oxygen) upang palayain ang ilan sa mga dumi bilang mga gas; at sa gayon, ang isang solidong mayaman sa carbon (amorphous o crystalline) ay nananatiling bilang nalalabi.

Aplikasyon

Muli, tulad ng mga katangian at istraktura, ang mga gamit o aplikasyon ay naaayon sa mga allotropes o mineralogical form ng carbon. Gayunpaman, may ilang mga pangkalahatang pangkalahatang maaaring mabanggit, bilang karagdagan sa ilang mga kilalang puntos. Ganito ang:

Ang Carbon ay ginamit nang mahabang panahon bilang isang ahente ng pagbabawas ng mineral sa pagkuha ng mga purong metal; halimbawa, iron, silikon at posporus, bukod sa iba pa.

-Ito ang batong bato ng buhay, at ang organikong kimika at biochemistry ang mga pag-aaral ng repleksyon na ito.

-May isa ring fuel fossil na pinapayagan ang mga unang makina na magsimula ng kanilang mga gears. Sa parehong paraan, ang carbon gas para sa mga lumang sistema ng pag-iilaw ay nakuha mula dito. Ang karbon ay magkasingkahulugan ng ilaw, init at enerhiya.

-Ako bilang isang additive na may bakal sa iba't ibang mga proporsyon pinapayagan ang pag-imbento at pagpapabuti ng mga steel.

-Ang itim na kulay ay naganap sa sining, lalo na ang grapayt at lahat ng mga akdang ginawa gamit ang mga linya nito.

Mga panganib at pag-iingat

Ang carbon at ang mga solido nito ay hindi nagbigay ng anumang panganib sa kalusugan. Sino ang nag-alaga tungkol sa isang bag ng uling? Ibinebenta sila sa mga droga sa loob ng mga pasilyo ng ilang mga merkado, at hangga't walang sunog na malapit, ang kanilang mga itim na bloke ay hindi masusunog.

Ang coke, sa kabilang banda, ay maaaring magdulot ng isang panganib kung ang nilalaman ng asupre ay mataas. Kapag nasusunog ito, magpapalabas ito ng mga gasolina na, bilang karagdagan sa pagiging nakakalason, nag-aambag sa acid rain. At kahit na ang CO ₂ sa maliit na halaga ay hindi maghahabol sa amin, malaki ang epekto nito sa kapaligiran bilang isang gasolina sa greenhouse.

Mula sa pananaw na ito, ang carbon ay isang "pangmatagalan" na panganib, dahil ang pagkasunog nito ay nagbabago sa klima ng ating planeta.

At sa isang mas pisikal na pang-unawa, ang solid o carbonaceous na mga materyales kung sila ay pinulbos ay madaling madadala ng mga air currents; at dahil dito, ipinakilala ang mga ito nang direkta sa mga baga, na maaaring masira ang mga ito.

Para sa natitira, napaka-pangkaraniwan na kumonsumo ng "uling" kapag ang ilang pagkain ay luto.

Mga Sanggunian

1. Morrison, RT at Boyd, R, N. (1987). Kemikal na Organiko. 5th Edition. Editoryal ng Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Kemikal na Organiko. (Ika-anim na edisyon). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Kemikal na Organiko. Amines. (Ika-10 edisyon.). Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Carbon, ang mga Allotropes at Structures nito. Nabawi mula sa: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Coal. Ipinaliwanag ang Chemistry. Nabawi mula sa: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Hulyo 11, 2018). 10 Carbon Facts (Atomic Number 6 o C). Nabawi mula sa: thoughtco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Ano ang Carbon? - Aralin sa Katotohanan at Kasaysayan para sa Mga Bata. Pag-aaral. Nabawi mula sa: study.com
8. Föll. (sf). Kasaysayan ng Carbon. Nabawi mula sa: tf.uni-kiel.de