Um dos elementos mais surpreendentes que podem formar uma enorme variedade de compostos de natureza orgânica e inorgânica é o carbono. Esse elemento é tão inusitado em suas propriedades que até Mendeleev previu um grande futuro para ele, falando de recursos que ainda não foram divulgados.
Depois foi praticamente confirmado. Ficou conhecido que é o principal elemento biogênico do nosso planeta, que faz parte de absolutamente todos os seres vivos. Além disso, capaz de existir em formas que são radicalmente diferentes em todos os aspectos, mas ao mesmo tempo consistem apenas em átomos de carbono.
Em geral, essa estrutura possui muitas características, e tentaremos lidar com elas no decorrer do artigo.
Carbon: fórmula e posição no sistema de elementos
No sistema periódico, o elemento carbono está localizado no grupo IV (segundo o novo modelo em 14), o subgrupo principal. Seu número de série é 6 e seu peso atômico é 12.011. A designação de um elemento com o sinal C indica seu nome em latim - carboneum. Existem várias formas diferentes em que o carbono existe. Sua fórmula é, portanto, diferente e depende da modificação específica.
No entanto, para escrever equações de reação, a notação é específica,claro tem. Em geral, quando se fala de uma substância em sua forma pura, adota-se a fórmula molecular do carbono C, sem indexação.
Histórico de descoberta de elementos
Este elemento é conhecido desde a antiguidade. Afinal, um dos minerais mais importantes da natureza é o carvão. Portanto, para os antigos gregos, romanos e outras nacionalidades, ele não era um segredo.
Além dessa variedade, diamantes e grafite também foram usados. Houve muitas situações confusas com este último por muito tempo, pois muitas vezes, sem análise da composição, tais compostos eram tomados por grafite, como:
- chumbo de prata;
- carboneto de ferro;
- sulfeto de molibdênio.
Eles foram todos pintados de preto e, portanto, considerados grafite. Mais tarde, esse mal-entendido foi esclarecido e essa forma de carbono se tornou ela mesma.
Desde 1725, os diamantes têm grande importância comercial e, em 1970, a tecnologia de obtê-los artificialmente foi dominada. Desde 1779, graças ao trabalho de Karl Scheele, estudam-se as propriedades químicas que o carbono exibe. Este foi o início de uma série de descobertas importantes no campo deste elemento e tornou-se a base para descobrir todas as suas características mais originais.
Isótopos de carbono e distribuição na natureza
Apesar do elemento em questão ser um dos biogênicos mais importantes, seu conteúdo total na massa da crosta terrestre é de 0,15%. Isso se deve ao fato de estar sujeito a uma circulação constante, um ciclo natural na natureza.
Em geral, existem várioscompostos minerais contendo carbono. Estas são raças naturais como:
- dolomitas e calcários;
- antracite;
- xisto betuminoso;
- gás natural;
- carvão;
- óleo;
- lignite;
- turfa;
- betume.
Além disso, não devemos nos esquecer dos seres vivos, que são apenas um repositório de compostos de carbono. Afinal, eles formaram proteínas, gorduras, carboidratos, ácidos nucléicos, o que significa as moléculas estruturais mais vitais. Em geral, na conversão do peso corporal seco de 70 kg, 15 recai sobre um elemento puro. E assim é com todas as pessoas, sem falar nos animais, plantas e outras criaturas.
Se considerarmos a composição do ar e da água, ou seja, a hidrosfera como um todo e a atmosfera, então existe uma mistura carbono-oxigênio, expressa pela fórmula CO2. O dióxido ou dióxido de carbono é um dos principais gases que compõem o ar. É nesta forma que a fração de massa de carbono é de 0,046%. Ainda mais dióxido de carbono é dissolvido nas águas dos oceanos.
A massa atômica do carbono como elemento é 12,011. Sabe-se que esse valor é calculado como a média aritmética entre os pesos atômicos de todas as espécies isotópicas existentes na natureza, levando em consideração sua prevalência (em porcentagem). Este é também o caso da substância em questão. Existem três isótopos principais nos quais o carbono é encontrado. Isto é:
- 12С - sua fração de massa na grande maioria é 98,93%;
- 13C -1,07%;
- 14C - radioativo, meia-vida de 5700 anos, emissor beta estável.
Na prática de determinação da idade geocronológica de amostras, é amplamente utilizado o isótopo radioativo 14С, que é um indicador devido ao seu longo período de decaimento.
Modificações alotrópicas de um elemento
Carbono é um elemento que existe como uma substância simples em várias formas. Ou seja, é capaz de formar o maior número de modificações alotrópicas conhecidas hoje.
1. Variações cristalinas - existem na forma de estruturas fortes com redes regulares do tipo atômico. Este grupo inclui variedades como:
- diamantes;
- fulerenos;
- grafites;
- carabinas;
- lonsdaleites;
- fibras e tubos de carbono.
Todos eles diferem na estrutura da rede cristalina, nos nós dos quais há um átomo de carbono. Daí as propriedades completamente únicas e diferentes, tanto físicas quanto químicas.
2. Formas amorfas - são formadas por um átomo de carbono, que faz parte de alguns compostos naturais. Ou seja, não são variedades puras, mas com impurezas de outros elementos em pequenas quantidades. Este grupo inclui:
- carvão ativado;
- pedra e madeira;
- fuligem;
- nanoespuma de carbono;
- antracite;
- carbono vítreo;
- um tipo técnico de substância.
Eles também são unidos por recursosestruturas da rede cristalina, explicando e manifestando propriedades.
3. Compostos de carbono na forma de clusters. Tal estrutura na qual os átomos são fechados em uma conformação especial oca por dentro, cheia de água ou núcleos de outros elementos. Exemplos:
- nanocones de carbono;
- astralens;
- dicarbon.
Propriedades físicas do carbono amorfo
Devido à grande variedade de modificações alotrópicas, é difícil identificar quaisquer propriedades físicas comuns para o carbono. É mais fácil falar sobre um formulário específico. Por exemplo, o carbono amorfo tem as seguintes características.
- No coração de todas as formas estão as variedades finas e cristalinas de grafite.
- Alta capacidade de aquecimento.
- Boas propriedades condutoras.
- A densidade do carbono é de cerca de 2 g/cm3.
- Quando aquecido acima de 1600 0C, ocorre uma transição para formas de grafite.
As variedades de fuligem, carvão e pedra são amplamente utilizadas para fins industriais. Eles não são uma manifestação da modificação do carbono em sua forma pura, mas o contêm em quantidades muito grandes.
Carvão cristalino
Existem várias opções em que o carbono é uma substância que forma cristais regulares de vários tipos, onde os átomos são ligados em série. Como resultado, as seguintes modificações são formadas.
- Diamante. A estrutura é cúbica, na qual quatro tetraedros estão conectados. Como resultado, todas as ligações químicas covalentes de cada átomomaximamente saturada e durável. Isso explica as propriedades físicas: a densidade do carbono é 3300 kg/m3. Alta dureza, baixa capacidade de calor, f alta de condutividade elétrica - tudo isso é resultado da estrutura da rede cristalina. Existem diamantes obtidos tecnicamente. Eles são formados durante a transição do grafite para a próxima modificação sob a influência de alta temperatura e uma certa pressão. Em geral, o ponto de fusão do diamante é tão alto quanto a força - cerca de 3500 0C.
- Grafite. Os átomos estão dispostos de forma semelhante à estrutura da substância anterior, no entanto, apenas três ligações são saturadas, e a quarta se torna mais longa e menos forte, conecta as "camadas" dos anéis hexagonais da rede. Como resultado, verifica-se que o grafite é uma substância preta macia e gordurosa ao toque. Possui boa condutividade elétrica e alto ponto de fusão - 3525 0C. Capaz de sublimação - sublimação de um estado sólido para um estado gasoso, ignorando o estado líquido (a uma temperatura de 3700 0С). A densidade do carbono é 2,26 g/cm3, que é muito menor que a do diamante. Isso explica suas diferentes propriedades. Devido à estrutura em camadas da rede cristalina, é possível usar grafite para a fabricação de minas de lápis. Ao passar pelo papel, os flocos se soltam e deixam uma marca preta no papel.
- Fullerenes. Eles foram abertos apenas na década de 80 do século passado. São modificações nas quais os carbonos são interligados em uma estrutura fechada convexa especial, que tem no centrovazio. E a forma de um cristal - um poliedro, a organização correta. O número de átomos é par. A forma mais famosa de fulereno é С60. Amostras de uma substância semelhante foram encontradas durante a pesquisa:
- meteoritos;
- sedimentos de fundo;
- folgurite;
- shungite;
- espaço exterior, onde contido na forma de gases.
Todas as variedades de carbono cristalino são de grande importância prática, pois possuem várias propriedades úteis em engenharia.
Reatividade
O carbono molecular apresenta baixa reatividade devido à sua configuração estável. Ele pode ser forçado a entrar em reações apenas transmitindo energia adicional ao átomo e forçando os elétrons do nível externo a evaporar. Neste ponto, a valência torna-se 4. Portanto, em compostos, tem um estado de oxidação de + 2, + 4, - 4.
Praticamente todas as reações com substâncias simples, tanto metálicas quanto não metálicas, ocorrem sob a influência de altas temperaturas. O elemento em questão pode ser tanto um agente oxidante quanto um agente redutor. No entanto, as últimas propriedades são especialmente pronunciadas nele, e esta é a base para seu uso nas indústrias metalúrgicas e outras.
Em geral, a capacidade de entrar em interação química depende de três fatores:
- dispersão de carbono;
- modificação alotrópica;
- temperatura de reação.
Assim, em alguns casos há uma interação com o seguintesubstâncias:
- não-metais (hidrogênio, oxigênio);
- metais (alumínio, ferro, cálcio e outros);
- óxidos metálicos e seus sais.
Não reage com ácidos e álcalis, muito raramente com halogênios. A mais importante das propriedades do carbono é a capacidade de formar longas cadeias entre si. Eles podem fechar em um ciclo, formar ramificações. É assim que se forma a formação de compostos orgânicos, que hoje somam milhões. A base desses compostos são dois elementos - carbono, hidrogênio. Outros átomos também podem ser incluídos: oxigênio, nitrogênio, enxofre, halogênios, fósforo, metais e outros.
Principais compostos e suas características
Existem muitos compostos diferentes que contêm carbono. A fórmula do mais famoso deles é CO2 - dióxido de carbono. No entanto, além deste óxido, existe também CO - monóxido ou monóxido de carbono, assim como o subóxido C3O2.
Entre os sais que contêm este elemento, os mais comuns são os carbonatos de cálcio e magnésio. Assim, o carbonato de cálcio tem vários sinônimos no nome, pois ocorre na natureza na forma:
- giz;
- marble;
- calcário;
- dolomita.
A importância dos carbonatos de metais alcalino-terrosos se manifesta no fato de serem participantes ativos na formação de estalactites e estalagmites, bem como de águas subterrâneas.
O ácido carbônico é outro composto que forma carbono. Sua fórmula éH2CO3. No entanto, em sua forma usual, é extremamente instável e imediatamente se decompõe em dióxido de carbono e água em solução. Portanto, apenas seus sais são conhecidos, e não ele próprio, como solução.
Haletos de carbono - são obtidos principalmente indiretamente, pois a síntese direta ocorre apenas em temperaturas muito altas e com baixo rendimento do produto. Um dos mais comuns - CCL4 - tetracloreto de carbono. Um composto tóxico que pode causar envenenamento se inalado. Obtido por reações de substituição fotoquímica radical de átomos de hidrogênio em metano.
Carbetos metálicos são compostos de carbono nos quais apresenta um estado de oxidação de 4. A existência de associações com boro e silício também é possível. A principal propriedade dos carbonetos de alguns metais (alumínio, tungstênio, titânio, nióbio, tântalo, háfnio) é alta resistência e excelente condutividade elétrica. Carboneto de boro В4С é uma das substâncias mais duras depois do diamante (9,5 de acordo com Mohs). Esses compostos são utilizados na engenharia, bem como na indústria química, como fontes para a produção de hidrocarbonetos (carbeto de cálcio com água leva à formação de acetileno e hidróxido de cálcio).
Muitas ligas metálicas são fabricadas com carbono, aumentando significativamente sua qualidade e características técnicas (o aço é uma liga de ferro e carbono).
Atenção especial merece inúmeros compostos orgânicos de carbono, nos quais é um elemento fundamental capaz de se combinar com os mesmos átomos em longas cadeias de diversas estruturas. Estes incluem:
- alcanos;
- alcenos;
- arenas;
- proteínas;
- carboidratos;
- ácidos nucleicos;
- álcool;
- ácidos carboxílicos e muitas outras classes de substâncias.
Uso de carbono
A importância dos compostos de carbono e suas modificações alotrópicas na vida humana é muito alta. Você pode citar alguns dos setores mais globais para deixar claro que isso é verdade.
- Este elemento forma todos os tipos de combustíveis fósseis dos quais uma pessoa recebe energia.
- A indústria metalúrgica utiliza o carbono como o agente redutor mais forte para obter metais de seus compostos. Carbonatos também são amplamente utilizados aqui.
- A construção e a indústria química consomem enormes quantidades de compostos de carbono para sintetizar novas substâncias e obter os produtos necessários.
Você também pode nomear setores da economia como:
- indústria nuclear;
- joias;
- equipamentos técnicos (lubrificantes, cadinhos resistentes ao calor, lápis, etc.);
- determinação da idade geológica das rochas - traçador radioativo 14С;
- carbono é um excelente adsorvente, o que o torna adequado para fazer filtros.
Circulação na natureza
A massa de carbono encontrada na natureza está incluída em um ciclo constante que circula a cada segundo ao redor do globo. Assim, a fonte atmosférica de carbono - CO2, é absorvidaplantas e é liberado por todos os seres vivos no processo de respiração. Uma vez na atmosfera, é absorvido novamente, e assim o ciclo não para. Ao mesmo tempo, a morte de resíduos orgânicos leva à liberação de carbono e seu acúmulo na terra, de onde é novamente absorvido pelos organismos vivos e liberado na atmosfera na forma de gás.
