פחמן הוא אטום פחמן. מסת פחמן

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 05:26

אחד היסודות המדהימים ביותר שיכולים ליצור מגוון עצום של תרכובות בעלות אופי אורגני ואי-אורגני הוא פחמן. האלמנט הזה כל כך יוצא דופן במאפיינים שלו שאפילו מנדלייב חזה לו עתיד גדול, מדבר על תכונות שטרם נחשפו.

מאוחר יותר זה אושר כמעט. נודע כי זהו האלמנט הביוגני העיקרי של הפלנטה שלנו, שהוא חלק לחלוטין מכל היצורים החיים. בנוסף, מסוגל להתקיים בצורות שונות בתכלית מכל הבחינות, אך יחד עם זאת מורכבות רק מאטומי פחמן.

באופן כללי, למבנה הזה יש תכונות רבות, ואנו ננסה להתמודד איתן במהלך המאמר.

פחמן: נוסחה ומיקום במערכת האלמנטים

במערכת המחזורית, היסוד פחמן ממוקם בקבוצת IV (לפי המודל החדש ב-14), תת-הקבוצה העיקרית. המספר הסידורי שלו הוא 6, ומשקלו האטומי הוא 12.011 ייעודו של יסוד עם הסימן C מציין את שמו בלטינית - קרבונאום. ישנן מספר צורות שונות שבהן קיים פחמן. לכן הנוסחה שלו שונה ותלויה בשינוי הספציפי.

עם זאת, לכתיבת משוואות תגובה, הסימון הוא ספציפי,כמובן שיש. באופן כללי, כשמדברים על חומר בצורתו הטהורה, מאמצים את הנוסחה המולקולרית של פחמן C, ללא אינדקס.

היסטוריית גילוי אלמנט

אלמנט זה עצמו ידוע מאז ימי קדם. אחרי הכל, אחד המינרלים החשובים בטבע הוא פחם. לכן, עבור היוונים, הרומאים והלאומים העתיקים, הוא לא היה סוד.

מלבד מגוון זה, נעשה שימוש גם ביהלומים ובגרפיט. היו הרבה מצבים מבלבלים עם האחרון במשך זמן רב, שכן לעתים קרובות, ללא ניתוח של ההרכב, תרכובות כאלה נלקחו עבור גרפיט, כגון:

• עופרת כסף;
• ברזל קרביד;
• מוליבדן גופרתי.

כולם נצבעו בשחור ולכן נחשבו לגרפיט. מאוחר יותר, אי ההבנה הזו התבהרה, וצורת הפחמן הזו הפכה לעצמה.

מאז 1725, ליהלומים יש חשיבות מסחרית רבה, ובשנת 1970, הטכנולוגיה להשגתם באופן מלאכותי עבר שליטה. מאז 1779, הודות לעבודתו של קארל שילה, נחקרו התכונות הכימיות שמציג פחמן. זו הייתה תחילתה של סדרה של תגליות חשובות בתחום היסוד הזה והפכה לבסיס לגילוי כל התכונות הייחודיות ביותר שלו.

איזוטופי פחמן והתפלגות בטבע

למרות העובדה שהיסוד המדובר הוא אחד הביוגניים החשובים ביותר, תכולתו הכוללת במסת קרום כדור הארץ היא 0.15%. זה נובע מהעובדה שהוא נתון למחזור קבוע, מחזור טבעי בטבע.

באופן כללי, יש כמהתרכובות מינרלים המכילות פחמן. אלו הם גזעים טבעיים כמו:

• דולומיטים ואבני גיר;
• anthracite;
• פצלי שמן;
• גז טבעי;
• coal;
• שמן;
• lignite;
• peat;
• bitumen.

מלבד זה, אל לנו לשכוח יצורים חיים, שהם רק מאגר של תרכובות פחמן. אחרי הכל, הם יצרו חלבונים, שומנים, פחמימות, חומצות גרעין, כלומר המולקולות המבניות החיוניות ביותר. באופן כללי, בהמרה של משקל גוף יבש מתוך 70 ק ג, 15 נופלים על יסוד טהור. וכך זה לגבי כל אדם, שלא לדבר על בעלי חיים, צמחים ושאר יצורים.

אם ניקח בחשבון את הרכב האוויר והמים, כלומר את ההידרוספירה כולה ואת האטמוספרה, אז יש תערובת של פחמן-חמצן, המתבטאת בנוסחה CO_{2. דו חמצני או פחמן דו חמצני הוא אחד הגזים העיקריים המרכיבים את האוויר. בצורה זו שבריר המסה של פחמן הוא 0.046%. אפילו יותר פחמן דו חמצני מומס במימי האוקיינוסים.}

המסה האטומית של פחמן כיסוד היא 12.011. ידוע שערך זה מחושב כממוצע האריתמטי בין המשקלים האטומיים של כל המינים האיזוטופים הקיימים בטבע, תוך התחשבות בשכיחותם (כאחוז).). כך גם לגבי החומר הנדון. ישנם שלושה איזוטופים עיקריים שבהם נמצא פחמן. זה:

• ¹²С - שבר המסה שלו ברוב המוחלט הוא 98.93%;
• ¹³C -1.07%;
• ¹⁴C - רדיואקטיבי, מחצית חיים 5700 שנים, פולט בטא יציב.

בפרקטיקה של קביעת הגיל הגיאכרונולוגי של דגימות, האיזוטופ הרדיואקטיבי ¹⁴С נמצא בשימוש נרחב, המהווה אינדיקציה בשל תקופת ההתפרקות הארוכה שלו.

שינויים אלוטרופיים של אלמנט

פחמן הוא יסוד שקיים כחומר פשוט בכמה צורות. כלומר, הוא מסוגל ליצור את המספר הגדול ביותר של שינויים אלוטרופיים הידועים כיום.

1. וריאציות גבישיות - קיימות בצורה של מבנים חזקים עם סריג רגיל מסוג אטומי. קבוצה זו כוללת זנים כגון:

• יהלומים;
• fullerenes;
• graphites;
• carbines;
• lonsdaleites;
• סיבי פחמן וצינורות.

כולם נבדלים במבנה של סריג הגביש, שבצמתים שלו יש אטום פחמן. מכאן התכונות הייחודיות לחלוטין, השונות, הן הפיזיקליות והן הכימיות.

2. צורות אמורפיות - הן נוצרות על ידי אטום פחמן, שהוא חלק מכמה תרכובות טבעיות. כלומר, לא מדובר בזנים טהורים, אלא עם זיהומים של יסודות אחרים בכמויות קטנות. קבוצה זו כוללת:

• פחם פעיל;
• אבן ועץ;
• soot;
• ננו-קצף פחמן;
• anthracite;
• פחמן מזכוכית;
• סוג טכני של חומר.

הם מאוחדים גם על ידי תכונותמבנים של סריג הגביש, מסבירים ומבטאים תכונות.

3. תרכובות של פחמן בצורת אשכולות. מבנה כזה שבו אטומים סגורים במבנה מיוחד חלול מבפנים, מלא במים או בגרעינים של יסודות אחרים. דוגמאות:

• ננוקונוס פחמן;
• astralens;
• dicarbon.

מאפיינים פיזיים של פחמן אמורפי

בשל המגוון הרחב של שינויים אלוטרופיים, קשה לזהות תכונות פיזיקליות נפוצות לפחמן. קל יותר לדבר על צורה מסוימת. לדוגמה, לפחמן אמורפי יש את המאפיינים הבאים.

1. בלב כל הצורות נמצאים זנים עדינים-גבישיים של גרפיט.
2. קיבולת חום גבוהה.
3. תכונות מוליכות טובות.
4. צפיפות הפחמן היא בערך 2 גרם/ס"מ³.
5. כאשר מחומם מעל 1600 ⁰C, מתרחש מעבר לצורות גרפיט.

זני פיח, פחם ואבן נמצאים בשימוש נרחב למטרות תעשייתיות. הם אינם ביטוי של שינוי פחמן בצורתו הטהורה, אלא מכילים אותו בכמויות גדולות מאוד.

פחמן גבישי

ישנן מספר אפשרויות בהן פחמן הוא חומר היוצר גבישים רגילים מסוגים שונים, שבהם אטומים מחוברים בסדרה. כתוצאה מכך נוצרים השינויים הבאים.

1. יהלום. המבנה הוא מעוקב, שבו מחוברות ארבע טטרהדרות. כתוצאה מכך, כל הקשרים הכימיים הקוולנטיים של כל אטוםרווי ועמיד בצורה מקסימלית. זה מסביר את התכונות הפיזיקליות: צפיפות הפחמן היא 3300 ק"ג/מ"ר³. קשיות גבוהה, קיבולת חום נמוכה, חוסר מוליכות חשמלית - כל זה הוא תוצאה של מבנה סריג הגביש. ישנם יהלומים שהושגו טכנית. הם נוצרים במהלך המעבר של גרפיט לשינוי הבא בהשפעת טמפרטורה גבוהה ולחץ מסוים. באופן כללי, נקודת ההיתוך של היהלום גבוהה כמו החוזק - בערך 3500 ⁰C.
2. גרפיט. האטומים מסודרים בדומה למבנה של החומר הקודם, אולם רק שלושה קשרים רוויים, והרביעי הופך ארוך יותר וחזק פחות, הוא מחבר בין "השכבות" של הטבעות המשושים של הסריג. כתוצאה מכך, מתברר שגרפיט הוא חומר שחור רך ושומני למגע. יש לו מוליכות חשמלית טובה ובעל נקודת התכה גבוהה - 3525 ⁰C. מסוגל לסובלמציה - סובלימציה ממצב מוצק למצב גזי, עוקף את המצב הנוזלי (בטמפרטורה של 3700 ⁰С). צפיפות הפחמן היא 2.26 גרם/ס"מ^3, שהיא נמוכה בהרבה מזו של יהלום. זה מסביר את המאפיינים השונים שלהם. בשל המבנה השכבתי של סריג הקריסטל, ניתן להשתמש בגרפיט לייצור מובילי עיפרון. כאשר מחליקים את הנייר, הפתיתים מתקלפים ומשאירים סימן שחור על הנייר.
3. Fullerenes. הם נפתחו רק בשנות ה-80 של המאה הקודמת. הם שינויים שבהם פחמנים מחוברים זה לזה במבנה סגור קמור מיוחד, שבמרכזורֵיקָנוּת. וצורת גביש - פולידרון, הארגון הנכון. מספר האטומים הוא זוגי. הצורה המפורסמת ביותר של פולרן היא С₆₀. דגימות של חומר דומה נמצאו במהלך מחקר:

• מטאוריטים;
• משקעים תחתונים;
• folgurite;
• shungite;
• החלל החיצון, שבו כלול בצורה של גזים.

לכל הזנים של פחמן גבישי יש חשיבות מעשית רבה, שכן יש להם מספר תכונות שימושיות בהנדסה.

Reactivity

פחמן מולקולרי מפגין תגובתיות נמוכה בשל התצורה היציבה שלו. ניתן לאלץ אותו להיכנס לתגובות רק על ידי הענקת אנרגיה נוספת לאטום ואילץ האלקטרונים של המפלס החיצוני להתאדות. בשלב זה, הערכיות הופכת ל-4. לכן, בתרכובות, יש לה מצב חמצון של + 2, + 4, - 4.

כמעט כל התגובות עם חומרים פשוטים, הן מתכות והן לא-מתכות, מתרחשות תחת השפעת טמפרטורות גבוהות. היסוד המדובר יכול להיות גם חומר מחמצן וגם חומר מפחית. אולם המאפיינים האחרונים בולטים בו במיוחד, וזהו הבסיס לשימוש בו בתעשיות המטלורגיות ואחרות.

באופן כללי, היכולת להיכנס לאינטראקציה כימית תלויה בשלושה גורמים:

• פיזור פחמן;
• שינוי אללוטרופי;
• טמפרטורת תגובה.

לכן, במקרים מסוימים יש אינטראקציה עם הדברים הבאיםחומרים:

• לא-מתכות (מימן, חמצן);
• מתכות (אלומיניום, ברזל, סידן ואחרות);
• תחמוצות מתכת ומלחיהם.

אינו מגיב עם חומצות ואלקליות, לעתים רחוקות מאוד עם הלוגנים. התכונות החשובות ביותר של פחמן היא היכולת ליצור שרשראות ארוכות זו עם זו. הם יכולים להיסגר במחזור, ליצור ענפים. כך נוצרת תרכובות אורגניות, המונה היום מיליונים. הבסיס של תרכובות אלה הם שני יסודות - פחמן, מימן. ניתן לכלול גם אטומים אחרים: חמצן, חנקן, גופרית, הלוגנים, זרחן, מתכות ואחרים.

תרכובות עיקריות והמאפיינים שלהן

ישנן תרכובות רבות ושונות המכילות פחמן. הנוסחה של המפורסמים שבהם היא CO₂ - פחמן דו חמצני. עם זאת, בנוסף לתחמוצת זו, יש גם CO - חד חמצני או פחמן חד חמצני, וכן תת חמצון C₃O₂.

בין המלחים המכילים יסוד זה, הנפוצים ביותר הם סידן ומגנזיום פחמתי. אז, לסידן פחמתי יש כמה מילים נרדפות בשם, מכיוון שהוא מופיע בטבע בצורה:

• גיר;
• marble;
• גיר;
• dolomite.

חשיבותם של קרבונטים מתכת אדמה אלקליין מתבטאת בעובדה שהם משתתפים פעילים ביצירת נטיפים וזקיפים, כמו גם מי תהום.

חומצה פחמית היא תרכובת נוספת שיוצרת פחמן. הנוסחה שלו היאH₂CO₃. עם זאת, בצורתו הרגילה, הוא מאוד לא יציב ומתפרק מיד לפחמן דו חמצני ומים בתמיסה. לכן ידועים רק המלחים שלו, ולא הוא עצמו, כפתרון.

הלידי פחמן - מתקבלים בעיקר בעקיפין, שכן סינתזה ישירה מתבצעת רק בטמפרטורות גבוהות מאוד ובתפוקה נמוכה של המוצר. אחד הנפוצים ביותר - CCL₄ - פחמן טטרכלוריד. תרכובת רעילה שעלולה לגרום להרעלה בשאיפה. מתקבל על ידי תגובות של החלפה פוטוכימית רדיקלית של אטומי מימן במתאן.

קרבידים של מתכת הם תרכובות פחמן שבהן הוא מציג מצב חמצון של 4. ייתכן גם קיומם של אסוציאציות עם בורון וסיליקון. המאפיין העיקרי של קרבידים של מתכות מסוימות (אלומיניום, טונגסטן, טיטניום, ניוביום, טנטלום, הפניום) הוא חוזק גבוה ומוליכות חשמלית מעולה. בורון קרביד В₄С הוא אחד החומרים הקשים ביותר אחרי יהלום (9.5 לפי Mohs). תרכובות אלו משמשות בהנדסה, כמו גם בתעשייה הכימית, כמקורות לייצור פחמימנים (סידן קרביד עם מים מוביל ליצירת אצטילן וסידן הידרוקסיד).

סגסוגות מתכת רבות מיוצרות באמצעות פחמן, ובכך מגדילות משמעותית את האיכות והמאפיינים הטכניים שלהן (פלדה היא סגסוגת של ברזל ופחמן).

תשומת לב מיוחדת ראויה למספר רב של תרכובות אורגניות של פחמן, שבהן הוא יסוד בסיסי המסוגל לשלב עם אותם אטומים לשרשראות ארוכות של מבנים שונים. אלה כוללים:

• alkanes;
• alkenes;
• arenas;
• proteins;
• carbs;
• חומצות גרעין;
• alcohols;
• חומצות קרבוקסיליות ועוד סוגים רבים אחרים של חומרים.

שימוש בפחמן

החשיבות של תרכובות פחמן והשינויים האלוטרופיים שלו בחיי אדם היא גבוהה מאוד. אתה יכול למנות כמה מהתעשיות הגלובליות ביותר כדי להבהיר שזה נכון.

1. אלמנט זה יוצר את כל סוגי הדלקים המאובנים שמהם אדם מקבל אנרגיה.
2. תעשיית המתכות משתמשת בפחמן כחומר המפחית החזק ביותר להשגת מתכות מהתרכובות שלהם. גם כאן נעשה שימוש נרחב בקרבונטים.
3. הבנייה והתעשייה הכימית צורכות כמויות אדירות של תרכובות פחמן כדי לסנתז חומרים חדשים ולהשיג את המוצרים הדרושים.

אתה יכול גם למנות סקטורים כאלה בכלכלה כמו:

• תעשייה גרעינית;
• jewellery;
• ציוד טכני (חומרי סיכה, כור היתוך עמיד בחום, עפרונות וכו');
• קביעת העידן הגיאולוגי של סלעים - מעקב רדיואקטיבי ¹⁴С;
• carbon הוא סופח מצוין, מה שהופך אותו מתאים לייצור מסננים.

המחזור בטבע

מסת הפחמן המצוי בטבע נכללת במחזור קבוע שמסתובב בכל שנייה מסביב לכדור הארץ. כך, המקור האטמוספרי של פחמן - CO₂, נספגצומח ומשוחרר על ידי כל היצורים החיים בתהליך הנשימה. ברגע שהוא נמצא באטמוספירה הוא נספג שוב, וכך המחזור לא מפסיק. במקביל, מוות של שאריות אורגניות מוביל לשחרור פחמן והצטברותו בכדור הארץ, משם הוא נספג שוב על ידי אורגניזמים חיים ומשתחרר לאטמוספירה בצורת גז.