Көміртек – бұл Көміртек атомы. Көміртектің массасы

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 05:33

Органикалық және бейорганикалық табиғаттың алуан түрлі қосылыстарын құра алатын ең таңғажайып элементтердің бірі - көміртек. Бұл элемент өзінің қасиеттері бойынша ерекше болғандықтан, тіпті Менделеев оның әлі ашылмаған мүмкіндіктері туралы айтып, оның керемет болашағын болжаған.

Кейінірек бұл іс жүзінде расталды. Бұл біздің планетамыздың негізгі биогендік элементі екені белгілі болды, ол барлық тірі тіршілік иелерінің бөлігі болып табылады. Сонымен қатар, барлық жағынан түбегейлі өзгеше, бірақ сонымен бірге тек көміртек атомдарынан тұратын формаларда өмір сүруге қабілетті.

Жалпы, бұл құрылымның көптеген мүмкіндіктері бар және біз оларды мақала барысында қарастыруға тырысамыз.

Көміртек: формуласы және элементтер жүйесіндегі орны

Периодтық жүйеде көміртегі элементі IV (14-тегі жаңа үлгі бойынша) топта, негізгі топшада орналасқан. Оның реттік нөмірі – 6, ал атомдық салмағы – 12.011. С белгісі бар элементтің белгіленуі оның латын тілінде – carboneum атауын көрсетеді. Көміртегінің бірнеше түрлі формалары бар. Сондықтан оның формуласы әртүрлі және нақты модификацияға байланысты.

Бірақ реакция теңдеулерін жазу үшін белгілеу ерекше,Әрине бар. Жалпы, зат туралы оның таза түрінде айтқанда, индекстеусіз С көміртегінің молекулалық формуласы қабылданады.

Элементтерді табу тарихы

Бұл элементтің өзі ерте заманнан белгілі. Өйткені табиғаттағы ең маңызды пайдалы қазбалардың бірі – көмір. Сондықтан ежелгі гректер, римдіктер және басқа ұлттар үшін ол құпия емес еді.

Бұл әртүрліліктен басқа гауһар тастар мен графит те қолданылған. Соңғысымен ұзақ уақыт бойы көптеген шатастыратын жағдайлар болды, өйткені көбінесе құрамын талдаусыз графит үшін мұндай қосылыстар алынды, мысалы:

• күміс қорғасын;
• темір карбиді;
• молибден сульфиді.

Олардың барлығы қара түске боялған, сондықтан графит деп саналған. Кейінірек бұл түсініспеушілік жойылып, көміртегінің бұл түрі өзіне айналды.

1725 жылдан бастап алмаздың коммерциялық маңызы зор болды, ал 1970 жылы оларды жасанды жолмен алу технологиясы игерілді. 1779 жылдан бастап Карл Шееле еңбегінің арқасында көміртегінің химиялық қасиеттері зерттеле бастады. Бұл осы элемент саласындағы маңызды жаңалықтар тізбегінің басы болды және оның барлық бірегей ерекшеліктерін анықтауға негіз болды.

Көміртек изотоптары және табиғатта таралуы

Қарастырылып отырған элемент ең маңызды биогендік элементтердің бірі болғанымен, оның жер қыртысының массасындағы жалпы мөлшері 0,15% құрайды. Бұл оның тұрақты айналымға, табиғаттағы табиғи айналымға ұшырауымен байланысты.

Жалпы, бірнешеу барқұрамында көміртегі бар минералды қосылыстар. Бұл табиғи тұқымдар:

• доломиттер мен әктастар;
• антрацит;
• мұнай тақтатас;
• табиғи газ;
• көмір;
• май;
• қоңыр көмір;
• шымтезек;
• битум.

Осыған қоса, көміртегі қосылыстарының қоймасы ғана болып табылатын тірі жандарды да ұмытпау керек. Өйткені, олар ақуыздарды, майларды, көмірсуларды, нуклеин қышқылдарын түзді, бұл ең маңызды құрылымдық молекулаларды білдіреді. Жалпы алғанда, 70 кг-нан құрғақ дене салмағын түрлендіруде 15 таза элементке түседі. Жануарларды, өсімдіктерді және басқа тіршілік иелерін айтпағанда, әрбір адамда солай.

Егер ауа мен судың құрамын, яғни гидросфераны тұтастай алғанда және атмосфераны қарастыратын болсақ, онда CO_{2 формуласымен өрнектелетін көміртегі-оттегі қоспасы болады.. Диоксид немесе көмірқышқыл газы ауаны құрайтын негізгі газдардың бірі болып табылады. Дәл осы формада көміртектің массалық үлесі 0,046% құрайды. Мұхит суларында одан да көп көмірқышқыл газы еріген.}

Көміртектің элемент ретіндегі атомдық массасы 12,011. Бұл шама табиғатта бар барлық изотоптық түрлердің таралуын ескере отырып (пайызбен) атомдық салмақтары арасындағы орташа арифметикалық шама ретінде есептелетіні белгілі.). Бұл қарастырылып отырған затқа да қатысты. Көміртек кездесетін үш негізгі изотоптар бар. Бұл:

• ¹²С - оның басым көпшілігінде массалық үлесі 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - радиоактивті, жартылай ыдырау периоды 5700 жыл, тұрақты бета эмитент.

Үлгілердің геохронологиялық жасын анықтау тәжірибесінде радиоактивті изотоп ¹⁴С кеңінен қолданылады, бұл оның ұзақ ыдырау кезеңінің көрсеткіші болып табылады.

Элементтің аллотропты модификациялары

Көміртек - қарапайым зат ретінде бірнеше формада болатын элемент. Яғни, ол бүгінгі күні белгілі аллотроптық модификациялардың ең көп санын құра алады.

1. Кристалды вариациялар – тұрақты атомдық типті торлары бар күшті құрылымдар түрінде болады. Бұл топқа келесідей сорттар кіреді:

• гауһар тастар;
• фуллерендер;
• графиттер;
• карбиндер;
• lonsdaleites;
• көміртекті талшықтар мен түтіктер.

Олардың барлығы түйіндерінде көміртегі атомы орналасқан кристалдық тордың құрылымымен ерекшеленеді. Демек, физикалық және химиялық сияқты мүлдем бірегей, ұқсас емес қасиеттер.

2. Аморфты формалар – олар кейбір табиғи қосылыстардың құрамына кіретін көміртек атомынан түзіледі. Яғни, бұл таза сорттар емес, басқа элементтердің қоспалары аз мөлшерде. Бұл топқа мыналар кіреді:

• белсенді көмір;
• тас және ағаш;
• күйе;
• көміртекті нанокөбік;
• антрацит;
• шыны көміртек;
• заттың техникалық түрі.

Оларды да мүмкіндіктер біріктіредікристалдық тордың құрылымы, қасиеттерін түсіндіретін және көрсететін.

3. Кластер түріндегі көміртегі қосылыстары. Атомдары ішінен сумен немесе басқа элементтердің ядроларымен толтырылған ерекше конформациялық қуыста тұйықталған мұндай құрылым. Мысалдар:

• көміртекті нанокондар;
• астралия;
• дикарбон.

Аморфты көміртектің физикалық қасиеттері

Аллотропиялық модификациялардың алуан түрлілігіне байланысты көміртегінің кез келген жалпы физикалық қасиеттерін анықтау қиын. Белгілі бір пішін туралы айту оңайырақ. Мысалы, аморфты көміртектің келесі сипаттамалары бар.

1. Барлық формалардың негізінде графиттің жұқа кристалды түрлері жатыр.
2. Жоғары жылу сыйымдылығы.
3. Жақсы өткізгіштік қасиеттері.
4. Көміртек тығыздығы шамамен 2 г/см³.
5. 1600 ⁰C жоғары қыздырғанда графит пішіндеріне ауысу орын алады.

Өндірістік мақсатта күйе, көмір және тас сорттары кеңінен қолданылады. Олар таза күйінде көміртегі модификациясының көрінісі емес, бірақ оны өте көп мөлшерде қамтиды.

Кристалды көміртек

Көміртек атомдары тізбектей жалғанған әр түрлі типтегі қалыпты кристалдар түзетін зат болып табылатын бірнеше нұсқалар бар. Нәтижесінде келесі модификациялар қалыптасады.

1. Гауһар тас. Құрылымы текше, онда төрт тетраэдра қосылған. Нәтижесінде әрбір атомның барлық ковалентті химиялық байланыстарыбарынша қаныққан және берік. Бұл физикалық қасиеттерді түсіндіреді: көміртегінің тығыздығы 3300 кг/м³. Жоғары қаттылық, төмен жылу сыйымдылығы, электр өткізгіштігінің болмауы - мұның бәрі кристалдық тордың құрылымының нәтижесі. Техникалық жолмен алынған гауһар тастар бар. Олар жоғары температура мен белгілі қысымның әсерінен графиттің келесі модификацияға өтуі кезінде түзіледі. Жалпы алғанда, алмастың балқу температурасы беріктік сияқты жоғары - шамамен 3500 ⁰C.
2. Графит. Атомдар алдыңғы заттың құрылымына ұқсас орналасады, дегенмен тек үш байланыс қана қаныққан, ал төртіншісі ұзағырақ және күші азаяды, ол тордың алтыбұрышты сақиналарының «қабаттарын» байланыстырады. Нәтижесінде графит ұстағанда жұмсақ, майлы қара зат екені белгілі болды. Оның электр өткізгіштігі жақсы және балқу температурасы жоғары – 3525 ⁰C. Сублимацияға қабілетті – сұйық күйді айналып өтіп, қатты күйден газ тәрізді күйге сублимация (3700 ⁰С температурада). Көміртектің тығыздығы 2,26 г/см^3, алмазға қарағанда әлдеқайда төмен. Бұл олардың әртүрлі қасиеттерін түсіндіреді. Кристалл торының қабатты құрылымына байланысты қарындаш сымдарын жасау үшін графитті қолдануға болады. Қағазды сырғытқанда, қабыршақтары қабығынан шығып, қағазда қара із қалдырады.
3. Фуллерендер. Олар өткен ғасырдың 80-жылдары ғана ашылды. Олар орталықта орналасқан арнайы дөңес тұйық құрылымда көміртектер өзара байланысқан модификациялар.бостық. Ал кристалдың пішіні – көп қырлы, дұрыс ұйымдастырылуы. Атомдардың саны жұп. Фуллереннің ең танымал түрі - С₆₀. Зерттеу барысында ұқсас зат үлгілері табылды:

• метеориттер;
• төменгі шөгінділер;
• фолгурит;
• шунгит;
• ғарыштық кеңістік, онда олар газ түрінде болды.

Кристалды көміртектің барлық түрлерінің практикалық маңызы зор, өйткені олардың инженерияда пайдалы бірқатар қасиеттері бар.

Реактивтілік

Молекулалық көміртегі тұрақты конфигурациясының арқасында төмен реактивтілікті көрсетеді. Оны тек атомға қосымша энергия беріп, сыртқы деңгейдегі электрондарды булануға мәжбүрлеу арқылы ғана реакцияларға түсуге мәжбүрлеуге болады. Бұл кезде валенттілік 4-ке айналады. Сондықтан қосылыстарда оның тотығу дәрежесі + 2, + 4, - 4.

Металдармен де, бейметалдармен де қарапайым заттармен іс жүзінде барлық реакциялар жоғары температураның әсерінен жүреді. Қарастырылып отырған элемент әрі тотықтырғыш, әрі тотықсыздандырғыш болуы мүмкін. Дегенмен, соңғы қасиеттер онда әсіресе айқын көрінеді және бұл оны металлургия және басқа салаларда пайдаланудың негізі болып табылады.

Жалпы, химиялық әрекеттесу мүмкіндігі үш факторға байланысты:

• көміртектің дисперсиясы;
• аллотропты модификация;
• реакция температурасы.

Осылайша, кейбір жағдайларда төмендегілермен өзара әрекеттесу орын аладызаттар:

• метал еместер (сутегі, оттегі);
• металдар (алюминий, темір, кальций және т.б.);
• металл оксидтері және олардың тұздары.

Қышқылдармен және сілтілермен, өте сирек галогендермен әрекеттеспейді. Көміртектің ең маңызды қасиеттерінің бірі - бір-бірімен ұзын тізбектер түзу қабілеті. Олар циклде жабылып, бұтақтарды құра алады. Бүгінгі күні миллиондаған органикалық қосылыстар осылай түзіледі. Бұл қосылыстардың негізін екі элемент құрайды - көміртегі, сутегі. Басқа атомдарды да қосуға болады: оттегі, азот, күкірт, галогендер, фосфор, металдар және т.б.

Негізгі қосылыстар және олардың сипаттамалары

Құрамында көміртегі бар көптеген түрлі қосылыстар бар. Олардың ең танымал формуласы CO₂ - көмірқышқыл газы. Дегенмен, бұл оксидтен басқа CO - тотығы немесе көміртегі тотығы, сондай-ақ субоксид C₃O₂.

Құрамында осы элемент бар тұздардың ішінде ең көп таралғандары кальций мен магний карбонаттары. Сонымен, кальций карбонатының атауында бірнеше синонимдер бар, өйткені ол табиғатта келесі түрде кездеседі:

• бор;
• мрамор;
• әктас;
• доломит.

Сілтілік жер металл карбонаттарының маңыздылығы олардың сталактиттер мен сталагмиттердің, сондай-ақ жер асты суларының түзілуіне белсенді қатысушылары болуында көрінеді.

Көмір қышқылы - көміртегі түзетін тағы бір қосылыс. Оның формуласыH₂CO₃. Бірақ оның әдеттегі түрінде ол өте тұрақсыз және ерітіндідегі көмірқышқыл газы мен суға бірден ыдырайды. Сондықтан ерітінді ретінде өзі емес, тек оның тұздары ғана белгілі.

Галоген көміртектері – негізінен жанама жолмен алынады, өйткені тікелей синтез тек өте жоғары температурада және өнімнің төмен шығымымен жүреді. Ең кең таралғандардың бірі - CCL₄ - төрт хлорлы көміртек. Ингаляция кезінде улануды тудыруы мүмкін улы қосылыс. Метандағы сутегі атомдарының радикалды фотохимиялық орын басу реакциялары арқылы алынған.

Металл карбидтері 4 тотығу дәрежесін көрсететін көміртегі қосылыстары. Сондай-ақ бор және кремниймен байланыс болуы мүмкін. Кейбір металдардың (алюминий, вольфрам, титан, ниобий, тантал, гафний) карбидтерінің негізгі қасиеті жоғары беріктік және тамаша электр өткізгіштік болып табылады. Бор карбиді В₄С алмаздан кейінгі ең қатты заттардың бірі (Mohs бойынша 9,5). Бұл қосылыстар машина жасауда, сондай-ақ химия өнеркәсібінде көмірсутектерді алу көздері ретінде қолданылады (сумен кальций карбиді ацетилен мен кальций гидроксидінің түзілуіне әкеледі).

Көптеген металл қорытпалары көміртегі арқылы жасалады, осылайша олардың сапасы мен техникалық сипаттамалары айтарлықтай артады (болат - темір мен көмірдің қорытпасы).

Көміртектің көптеген органикалық қосылыстарына ерекше назар аудару керек, онда көміртегі бірдей атомдармен әртүрлі құрылымдардың ұзын тізбектеріне біріктіруге қабілетті негізгі элемент болып табылады. Оларға мыналар жатады:

• алкандар;
• алкендер;
• ареналар;
• белоктар;
• көмірсулар;
• нуклеин қышқылдары;
• алкогольдер;
• карбон қышқылдары және көптеген басқа заттар кластары.

Көміртекті пайдалану

Көміртек қосылыстарының және оның аллотропты түрлендірулерінің адам өміріндегі маңызы өте жоғары. Мұның рас екенін түсіну үшін ең жаһандық салалардың бірнешеуін атауға болады.

1. Бұл элемент адам энергия алатын қазба отындарының барлық түрлерін құрайды.
2. Металлургия өнеркәсібі көміртекті олардың қосылыстарынан металдарды алу үшін ең күшті тотықсыздандырғыш ретінде пайдаланады. Мұнда карбонаттар да кеңінен қолданылады.
3. Құрылыс және химия өнеркәсібі жаңа заттарды синтездеу және қажетті өнімдерді алу үшін көміртегі қосылыстарының көп мөлшерін тұтынады.

Экономиканың осындай салаларын да атауға болады:

• атом өнеркәсібі;
• зергерлік бұйымдар;
• техникалық жабдық (майлау материалдары, ыстыққа төзімді тигельдер, қарындаштар және т.б.);
• тау жыныстарының геологиялық жасын анықтау - радиоактивті із ¹⁴С;
• көміртек - тамаша адсорбент, бұл оны сүзгілерді жасауға қолайлы етеді.

Табиғаттағы айналым

Табиғатта кездесетін көміртегінің массасы жер шарын әр секунд сайын айналатын тұрақты циклге кіреді. Осылайша, көміртегінің атмосфералық көзі - CO₂ сіңіріледі.өсімдіктер және тыныс алу процесінде барлық тірі организмдер шығарады. Атмосфераға түскеннен кейін ол қайтадан сіңеді, сондықтан цикл тоқтамайды. Сонымен бірге органикалық қалдықтардың өлуі көміртегінің бөлінуіне және оның жерге жиналуына әкеледі, одан кейін ол қайтадан тірі организмдерге сіңіп, газ түрінде атмосфераға шығарылады.