OGLJIK: LASTNOSTI, STRUKTURA, PRIDOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2026

Ogljik je non - kovinski kemični element, katerega kemijska simbol C poimenovana po premoga, rastlinskega ali mineralnega, kjer njeni atomi definiranje različnih struktur. Mnogi avtorji ga uvrščajo med kralja elementov, saj tvori široko paleto organskih in anorganskih spojin, pojavlja pa se tudi v precejšnjem številu alotropov.

In če to ni dovolj, da bi ga navajali kot poseben element, ga najdemo v vseh živih bitjih; vse njegove biomolekule so dolžne obstoju stabilnosti in trdnosti vezi CC in njihovi visoki nagnjenosti k združevanju. Ogljik je element življenja, z atomi pa so zgrajena njihova telesa.

Les dreves je sestavljen predvsem iz ogljikovih hidratov, ki je ena izmed številnih spojin, bogatih z ogljikom. Vir: Pexels.

Organske spojine, s katerimi gradijo biomateriale, so praktično sestavljene iz ogljikovih okostij in heteroatomov. Te je mogoče videti s prostim očesom v gozdu dreves; in tudi, ko jih strela udari in praži. Preostala inertna črna trdna snov ima tudi ogljik; vendar je oglje.

Tako obstajajo "mrtve" manifestacije tega elementa: oglje, produkt zgorevanja v okolju, ki ne vsebuje kisika; in mineralni premog, produkt geoloških procesov. Obe trdni snovi sta podobni, črni sta in gorita, da ustvarjata toploto in energijo; čeprav z različnimi donosi.

Od tega trenutka je ogljik 15. najpogostejši element v zemeljski skorji. Nič čudnega, ko na leto pridelajo milijone ton premoga. Ti minerali se razlikujejo po svojih lastnostih glede na stopnjo nečistoč in antracit postavljajo kot najkakovostnejši mineralni premog.

Zemeljska skorja ni bogata le z mineralnim premogom, ampak tudi s karbonati, zlasti apnenci in dolomiti. Kar zadeva Vesolje, je četrti najbolj obilen element; Mislim, več ogljika je na drugih planetih.

Karbonska zgodovina

Retrospektiva

Ogljik je lahko star toliko kot sama zemeljska skorja. Starodavne civilizacije so se že od nekdaj srečevale s tem elementom v številnih naravnih predstavitvah: saja, oglje, oglje, oglje, diamanti, grafit, premogov katran, antracit itd.

Vse te trdne snovi, čeprav so si delile temne tone (z izjemo diamanta), so se ostale njihove fizikalne lastnosti in tudi njihova sestava izjemno razlikovale. Takrat je bilo nemogoče trditi, da so v bistvu sestavljeni iz ogljikovih atomov.

Tako so premog v zgodovini razvrščali glede na njegovo kakovost v času gorenja in zagotavljanja toplote. In s plini, ki so nastali pri njegovem zgorevanju, so se segrevale vodne mase, kar je posledično proizvajalo hlape, ki so premikale turbine, ki so ustvarjale električni tok.

Ogljik je bil nepričakovano prisoten v oglju, ki ga pridobivajo kurjenje dreves v zaprtih ali hermetičnih prostorih; v grafitu, s katerim so bili izdelani svinčniki; v diamantih, ki se uporabljajo kot dragulji; odgovoren je za trdoto jekla.

Njegova zgodovina gre z roko v roki z lesom, smodnikom, plini za razsvetljavo v mestu, vlaki in ladjami, pivom, mazivi in ​​drugimi bistvenimi predmeti za napredek človeštva.

Priznanje

V katerem trenutku so znanstveniki lahko povezali alotrope in minerale ogljika z istim elementom? Na premog so gledali kot na mineral in nanj niso razmišljali kot o kemičnem elementu, vrednem periodične tabele. Prvi korak bi moral biti pokazati, da so se vse te trdne snovi pretvorile v isti plin: ogljikov dioksid, CO ₂ .

Antoine Lavoisier je leta 1772 z lesenim okvirjem z velikimi lečami osredotočil sončne žarke na vzorce oglja in diamanta. Ugotovil je, da nobeden od njih ne tvori vodnih hlapov, temveč CO ₂ . Enako je storil s saje in dosegel enake rezultate.

Carl Wilhelm Scheele je leta 1779 ugotovil kemijsko razmerje med ogljem in grafitom; to sta obe trdni snovi sestavljeni iz istih atomov.

Smithson Tennant in William Hyde Wollaston sta leta 1797 metodološko preverila (z reakcijami), da je bil diamant dejansko sestavljen iz ogljika pri nastajanju CO ₂ pri njegovem zgorevanju.

S temi rezultati se je svetloba kmalu vrgla na grafit in diamant, trdne snovi, ki jih tvori ogljik in zato visoke čistosti; za razliko od nečiste trdne snovi premoga in drugih ogljikovih mineralov.

Lastnosti

Fizikalne ali kemične lastnosti, ki jih najdemo v trdnih snoveh, mineralih ali ogljikovih materialih, so podvržene številnim spremenljivkam. Med njimi so: sestava ali stopnja nečistoč, hibridizacija ogljikovih atomov, raznolikost struktur ter morfologija ali velikost pore.

Pri opisovanju lastnosti ogljika večina besedil ali bibliografskih virov temelji na grafitu in diamantu.

Zakaj? Ker so za ta element najbolj znani alotropi in predstavljajo trdne snovi ali materiale visoke čistosti; to pomeni, da so praktično sestavljeni iz nič več kot atomi ogljika (čeprav z različnimi strukturami, kot bo razloženo v naslednjem razdelku).

Lastnosti oglja in mineralnega premoga se razlikujejo po izvoru oziroma sestavah. Na primer, lignit (nizkoogljični) kot gorivo plazi v primerjavi z antracitom (visokoogljični). Kaj pa drugi alotropi: nanocevke, fulereni, grafeni, grafini itd.

Kemično imajo skupno točko: oksidirajo s presežkom kisika v CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Hitrost ali temperatura, ki ju potrebujejo za oksidacijo, sta značilni za vsak od teh alotropov.

Grafit v primerjavi z diamantom

Tukaj bo tudi kratek komentar glede zelo različnih lastnosti teh dveh alotropov:

Tabela, v kateri se primerjajo nekatere lastnosti obeh kristalnih alotropov ogljika. Vir: Gabriel Bolívar.

Struktura in elektronska konfiguracija

Hibridizacije

Razmerje med hibridnimi orbitalami in možnimi strukturami za ogljik. Vir: Gabriel Bolívar.

Konfiguracija elektronov za atom ogljika je 1s ² 2s ² 2p ² , napisana tudi kot 2s ² 2p ² (zgornja slika). Ta predstavitev ustreza njegovemu osnovnemu stanju: ogljikov atom izoliran in suspendiran v vakuumu, da ne more komunicirati z drugimi.

Vidimo, da eni od njegovih 2p orbitov primanjkuje elektronov, ki prek elektronske promocije sprejme elektron iz orbita nižje energije 2s; in tako atom pridobi sposobnost, da tvori do štiri kovalentne vezi s svojimi štirimi sp ³ hibridnimi orbitalami .

Upoštevajte, da so vse štiri sp ³ orbite energijsko degenerirane (poravnane na isti ravni). Čiste p orbitale so bolj energične, zato jih postavimo nad druge hibridne orbitale (desno od slike).

Če obstajajo tri hibridne orbitale, je to zato, ker ostane ena nebridizirana p orbitala; torej gre za tri sp ² orbitale . Kadar sta med temi hibridnimi orbitali dve, sta na voljo dve p orbitali, da tvorita dvojne ali trojne vezi, kar predstavlja hibridizacijo ogljika sp.

Takšni elektronski vidiki so bistveni za razumevanje, zakaj lahko ogljik najdemo v neskončnosti alotropov.

Oksidacijske številke

Preden nadaljujemo s strukturami, je treba omeniti, da ima ogljik lahko glede na elektronsko konfiguracijo valencnosti 2s ² 2p ² naslednje oksidacijske številke: +4, +2, 0, -2 in -4.

Zakaj? Te številke ustrezajo predpostavki, da obstaja ionska vez, tako da ione tvorite z ustreznimi naboji; to pomeni, C ⁴⁺ , Ci ²⁺ , Ci ⁰ (nevtralno), Ci ^2- in C ^4- .

Da ima ogljik pozitivno oksidacijsko število, mora izgubiti elektrone; Da bi to naredili, se mora nujno vezati na zelo elektronegativne atome (kot kisik).

Medtem, da ima ogljik negativno oksidacijsko število, mora pridobiti elektrone z vezanjem na kovinske atome ali manj elektronegativnega od njega (kot je vodik).

Prvo oksidacijsko število, +4, pomeni, da je ogljik izgubil vse valenčne elektrone; orbita 2s in 2p ostaneta prazna. Če 2p orbitala izgubi svoja dva elektrona, bo ogljik oksidacijsko število +2; če pridobite dva elektrona, boste imeli -2; in če dobite še dva elektrona, če dokončate valentni oktet, -4.

Primeri

Na primer, za CO ₂ je oksidacijsko število ogljika +4 (ker je kisik bolj elektronegativen); medtem ko je za CH ₄ ta -4 (ker je vodik manj elektronegativen).

Za CH ₃ OH, število oksidacijo ogljik -2 (1 za H in -2 za O); medtem ko je za HCOOH to +2 (preverite, ali vsota daje 0).

Verjetna so tudi druga oksidacijska stanja, kot sta -3 in +3, zlasti kadar gre za organske molekule; na primer, v metilnih skupin, -CH ₃ .

Molekularne geometrije

Zgornja slika ni pokazala samo hibridizacije orbital za atom ogljika, ampak tudi nastale molekularne geometrije, ko je bilo več atomov (črnih kroglic) povezanih v osrednjo. Ta centralni atom, da ima v vesolju točno določeno geometrijsko okolje, mora imeti ustrezno kemijsko hibridizacijo, ki mu to omogoča.

Na primer, za tetraeder ima centralni ogljik sp ³ hibridizacijo ; ker je takšna najstabilnejša ureditev štirih hibridnih orbitalov sp ³ . V primeru ogljika sp ² lahko tvorijo dvojne vezi in imajo trigonalno ravninsko okolje; in tako ti trikotniki definirajo popoln šesterokotnik. Za sp hibridizacijo pa ogljiki prevzemajo linearno geometrijo.

Tako geometrije, ki jih opazimo v strukturah vseh alotropov, preprosto urejajo tetraedri (sp ³ ), šesterokotniki ali pentagoni (sp ² ) in črte (sp).

Tetraedre definirajo 3D strukturo, šesterokotniki, peterokotniki in črte, 3D ali 2D strukture; Slednje so ravnine ali plošče, podobne stenam satja:

Stena s šesterokotno zasnovo satja po analogiji z ravninami, sestavljenimi iz ogljika sp2. Vir: Pixabay.

In če zložimo to šestkotno steno (peterokotno ali mešano), bomo dobili cev (nanocevke) ali kroglico (fulereni) ali drugo figuro. Interakcije med temi podatki povzročajo različne morfologije.

Amorfne ali kristalne trdne snovi

Če pustimo ob strani geometrije, hibridizacije ali morfologije možnih struktur ogljika, se njegove trdne snovi lahko globalno razvrstijo v dve vrsti: amorfne ali kristalne. In med tema dvema razvrstitvama so razporejeni njihovi alotropi.

Amorfni ogljik je preprosto tisti, ki predstavlja poljubno mešanico tetraedrov, šesterokotnikov ali črt, ki ne morejo vzpostaviti strukturnega vzorca; tak primer je premog, oglje ali aktivno oglje, koks, saja itd.

Medtem ko je kristalni ogljik sestavljen iz strukturnih vzorcev, sestavljenih iz katere koli od predlaganih geometrij; na primer diamant (tridimenzionalna mreža tetraedrov) in grafit (zloženi šestkotni listi).

Pridobitev

Ogljik je lahko čist kot grafit ali diamant. Najdemo jih v njihovih mineraloških nahajališčih, raztresenih po vsem svetu in v različnih državah. Zato so nekatere države več izvoznikov enega od teh mineralov kot druge. Skratka, "zemljo moraš kopati", da dobiš ogljik.

Enako velja za mineralni premog in njegove vrste. Vendar pa pri oglju to ne drži, saj mora telo, bogato z ogljikom, najprej "poginuti", bodisi pod ognjem, bodisi z električno strelo; seveda v odsotnosti kisika se sicer sprosti CO ₂ .

Ves gozd je vir ogljika kot oglje; ne samo zaradi svojih dreves, ampak tudi zaradi favne.

Na splošno morajo biti vzorci, ki vsebujejo ogljik, podvrženi pirolizi (izgorevanje, če kisika ni), da se nekatere nečistoče sprostijo kot plini; tako ostane ostanek trdne snovi z ogljikom (amorfnim ali kristalnim).

Prijave

Tako kot lastnosti in struktura so tudi uporabe ali aplikacije skladne z atrotropi ali mineraloškimi oblikami ogljika. Obstajajo pa nekatere splošnosti, ki jih lahko poleg nekaterih dobro poznanih točk omenimo. Taki so:

-Ogljik se že dolgo uporablja kot sredstvo za zmanjševanje mineralov pri pridobivanju čistih kovin; na primer železo, silicij in fosfor.

-To je temelj življenja, organska kemija in biokemija pa sta študiji tega razmišljanja.

-To je tudi fosilno gorivo, ki je omogočilo, da so prvi stroji zagnali prestave. Na enak način je bil iz njega pridobljen ogljikov plin za stare svetlobne sisteme. Premog je bil sinonim za svetlobo, toploto in energijo.

-Mesiran kot dodatek z železom v različnih razmerjih je omogočil izum in izboljšanje jekel.

-V crni barvi je šlo za umetnost, zlasti grafit in vse zapise, narejene z njegovimi črtami.

Tveganja in previdnostni ukrepi

Ogljik in njegove trdne snovi ne predstavljajo nobenega tveganja za zdravje. Kdo je skrbel za vrečko z ogljem? Prodajajo jih z dvojnimi vozili na oknih nekaterih trgov, in dokler v bližini ni ognja, njihovi črni bloki ne bodo goreli.

Koks pa po drugi strani lahko predstavlja tveganje, če je vsebnost žvepla visoka. Ko izgori, bo sproščal žveplene pline, ki poleg tega, da so strupeni, prispevajo k kislemu dežju. Čeprav nas CO ₂ v majhnih količinah ne more zadušiti, ima ogromen vpliv na okolje kot toplogredni plin.

S tega vidika je ogljik dolgoročna nevarnost, saj njegovo izgorevanje spreminja podnebje našega planeta.

V fizičnem smislu se trdni ali ogljikovi materiali, če so prašeni, zlahka prevažajo z zračnimi tokovi; posledično se vnesejo neposredno v pljuča, kar jih lahko nepopravljivo poškoduje.

Za ostalo pa je zelo pogosto zaužiti "oglje", ko se kuha neka hrana.

Reference

1. Morrison, RT in Boyd, R, N. (1987). Organska kemija. 5. izdaja Uredništvo Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesta izdaja). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10. izdaja.). Wiley Plus.
4. Andreja. (2019). Ogljik, njegovi alotropi in strukture. Pridobljeno: everyscience.com
5. (2019). Premog. Pojasnjena kemija. Pridobljeno: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, dr. (11. julij 2018). 10 Dejstva ogljika (atomska številka 6 ali C). Pridobljeno: misel.com
7. Tawnya Eash. (2019). Kaj je ogljik? - Detekcija in pouk zgodovine za otroke. Študij. Pridobljeno: study.com
8. Föll. (sf). Zgodovina ogljika. Pridobljeno: tf.uni-kiel.de