Hiili on hiiliatomi. Hiilen massa

2024 Kirjoittaja: Angel Austin | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 05:25

Yksi hämmästyttävimmistä alkuaineista, jotka voivat muodostaa v altavan määrän erilaisia orgaanisia ja epäorgaanisia yhdisteitä, on hiili. Tämä elementti on ominaisuuksiltaan niin epätavallinen, että jopa Mendelejev ennusti sille suurta tulevaisuutta puhuen ominaisuuksista, joita ei ole vielä paljastettu.

Myöhemmin se käytännössä varmistettiin. Tuli tiedoksi, että se on planeettamme tärkein biogeeninen elementti, joka on osa ehdottomasti kaikkia eläviä olentoja. Lisäksi se pystyy esiintymään muodoissa, jotka ovat kaikilta osin radikaalisti erilaisia, mutta koostuvat samalla vain hiiliatomeista.

Yleensä tässä rakenteessa on monia ominaisuuksia, ja yritämme käsitellä niitä artikkelin aikana.

Hiili: kaava ja sijainti elementtijärjestelmässä

Periodisessa järjestelmässä alkuaine hiili sijaitsee IV (uuden mallin mukaan 14) ryhmässä, pääalaryhmässä. Sen sarjanumero on 6 ja atomipaino 12 011. Elementin nimitys merkillä C osoittaa sen latinaksi nimen - carboneum. Hiiltä on olemassa useita eri muotoja. Sen kaava on siksi erilainen ja riippuu tietystä muutoksesta.

Reaktioyhtälöiden kirjoittamisessa merkintä on kuitenkin spesifinen,tietysti on. Yleensä kun puhutaan aineesta sen puhtaassa muodossa, käytetään hiilen C molekyylikaavaa ilman indeksointia.

Elementtien löytöhistoria

Tämä alkuaine itsessään on ollut tunnettu antiikista lähtien. Loppujen lopuksi yksi tärkeimmistä luonnon mineraaleista on kivihiili. Siksi hän ei ollut salaisuus muinaisille kreikkalaisille, roomalaisille ja muille kansallisuuksille.

Tämän lajikkeen lisäksi käytettiin myös timantteja ja grafiittia. Jälkimmäisen kanssa oli monia hämmentäviä tilanteita pitkään, koska usein ilman koostumuksen analysointia grafiitille otettiin sellaisia yhdisteitä, kuten:

• hopeajohto;
• rautakarbidi;
• molybdeenisulfidi.

Ne kaikki maalattiin mustaksi ja siksi niitä pidettiin grafiittisina. Myöhemmin tämä väärinkäsitys selvitettiin, ja tämä hiilen muoto tuli itsestään.

Vuodesta 1725 lähtien timanteilla on ollut suuri kaupallinen merkitys, ja vuonna 1970 niiden keinotekoisen hankinnan tekniikka on hallittu. Vuodesta 1779 lähtien, Karl Scheelen työn ansiosta, hiilen kemiallisia ominaisuuksia on tutkittu. Tämä oli alku sarjalle tärkeitä löytöjä tämän elementin alalla, ja siitä tuli perusta sen kaikkien ainutlaatuisimpien ominaisuuksien selvittämiselle.

Hiilen isotoopit ja leviäminen luonnossa

Huolimatta siitä, että kyseinen alkuaine on yksi tärkeimmistä biogeenisistä aineista, sen kokonaispitoisuus maankuoren massassa on 0,15 %. Tämä johtuu siitä tosiasiasta, että se on jatkuvassa kierrossa, luonnossa luonnossa.

Yleensä niitä on useitahiiltä sisältävät mineraaliyhdisteet. Nämä ovat sellaisia luonnollisia rotuja kuin:

• dolomiitit ja kalkkikivet;
• antrasiitti;
• öljyliuske;
• maakaasu;
• hiili;
• öljy;
• ruskohiili;
• turve;
• bitumi.

Tämän lisäksi emme saa unohtaa eläviä olentoja, jotka ovat vain hiiliyhdisteiden varasto. Loppujen lopuksi ne muodostivat proteiineja, rasvoja, hiilihydraatteja, nukleiinihappoja, mikä tarkoittaa tärkeimpiä rakennemolekyylejä. Yleensä kuivan ruumiinpainon muuntamisessa 70 kg:sta 15 putoaa puhtaalle alkuaineelle. Ja niin on jokaisen ihmisen kohdalla, eläimistä, kasveista ja muista olentoista puhumattakaan.

Jos tarkastelemme ilman ja veden koostumusta, eli hydrosfääriä kokonaisuutena ja ilmakehää, niin kyseessä on hiili-hapen seos, joka ilmaistaan kaavalla CO_{2. Dioksidi tai hiilidioksidi on yksi pääkaasuista, jotka muodostavat ilman. Tässä muodossa hiilen massaosuus on 0,046%. Vielä enemmän hiilidioksidia liukenee v altamerten vesiin.}

Hiilen atomimassa alkuaineena on 12,011. Tiedetään, että tämä arvo lasketaan aritmeettisena keskiarvona kaikkien luonnossa esiintyvien isotooppilajien atomipainojen välillä, kun otetaan huomioon niiden esiintyvyys (prosentteina). Tämä koskee myös kyseistä ainetta. On kolme pääisotooppia, joissa hiiltä löytyy. Tämä on:

• ¹²С - sen massaosuus on suurimmassa osassa 98,93 %;
• ¹³C -1,07 %;
• ¹⁴C - radioaktiivinen, puoliintumisaika 5700 vuotta, vakaa beetasäteilijä.

Näytteiden geokronologisen iän määrittämisessä käytetään laaj alti radioaktiivista isotooppia ¹⁴С, joka on indikaattori pitkästä hajoamisjaksostaan.

Elementin allotrooppiset modifikaatiot

Hiili on alkuaine, joka esiintyy yksinkertaisena aineena useissa muodoissa. Eli se pystyy muodostamaan suurimman määrän nykyään tunnettuja allotrooppisia modifikaatioita.

1. Kiteiset muunnelmat - esiintyvät vahvojen rakenteiden muodossa, joissa on säännölliset atomityyppiset hilat. Tähän ryhmään kuuluvat lajikkeet, kuten:

• timantit;
• fullerenes;
• grafiitit;
• karbiinit;
• lonsdaleites;
• hiilikuidut ja -putket.

Ne kaikki eroavat kidehilan rakenteesta, jonka solmuissa on hiiliatomi. Tästä johtuen täysin ainutlaatuiset, erilaiset ominaisuudet, sekä fysikaaliset että kemialliset.

2. Amorfiset muodot - ne muodostuvat hiiliatomista, joka on osa joitakin luonnollisia yhdisteitä. Eli nämä eivät ole puhtaita lajikkeita, vaan muiden alkuaineiden epäpuhtauksia pieninä määrinä. Tämä ryhmä sisältää:

• aktiivihiili;
• kivi ja puu;
• noki;
• hiilenanofoam;
• antrasiitti;
• lasimainen hiili;
• tekninen aine.

Niitä yhdistävät myös ominaisuudetkidehilan rakenteet, selittävät ja ilmentävät ominaisuuksia.

3. Hiilen yhdisteet klusterien muodossa. Tällainen rakenne, jossa atomit on suljettu erityiseen konformaatioonteloon sisältäpäin, täytetty vedellä tai muiden alkuaineiden ytimillä. Esimerkkejä:

• hiilinanokartioita;
• astralens;
• dicarbon.

Amorfisen hiilen fysikaaliset ominaisuudet

Allotrooppisten modifikaatioiden laajan valikoiman vuoksi on vaikea tunnistaa hiilen yhteisiä fysikaalisia ominaisuuksia. On helpompi puhua tietystä muodosta. Esimerkiksi amorfisella hiilellä on seuraavat ominaisuudet.

1. Kaikkien muotojen ytimessä ovat hienokiteiset grafiitin lajikkeet.
2. Suuri lämpökapasiteetti.
3. Hyvät johtamisominaisuudet.
4. Hiilen tiheys on noin 2 g/cm³.
5. Kun kuumennetaan yli 1600 ⁰C, tapahtuu siirtymä grafiittimuotoihin.

Noki-, puu- ja kivilajikkeita käytetään laaj alti teollisiin tarkoituksiin. Ne eivät ole osoitus hiilen modifikaatiosta sen puhtaassa muodossa, mutta sisältävät sitä erittäin suuria määriä.

Kiteinen hiili

On olemassa useita vaihtoehtoja, joissa hiili on aine, joka muodostaa erityyppisiä säännöllisiä kiteitä, joissa atomit on kytketty sarjaan. Tämän seurauksena muodostuu seuraavat muutokset.

1. Timantti. Rakenne on kuutiomainen, jossa neljä tetraedria on yhdistetty. Tämän seurauksena jokaisen atomin kaikki kovalenttiset kemialliset sidoksetmaksimaalisesti kylläinen ja kestävä. Tämä selittää fysikaaliset ominaisuudet: hiilen tiheys on 3300 kg/m³. Korkea kovuus, alhainen lämpökapasiteetti, sähkönjohtavuuden puute - kaikki tämä on seurausta kidehilan rakenteesta. Siellä on teknisesti hankittuja timantteja. Ne muodostuvat grafiitin siirtymisen aikana seuraavaan modifikaatioon korkean lämpötilan ja tietyn paineen vaikutuksesta. Yleensä timantin sulamispiste on yhtä korkea kuin lujuus - noin 3500 ⁰C.
2. Grafiitti. Atomit on järjestetty samalla tavalla kuin edellisen aineen rakenne, mutta vain kolme sidosta on tyydyttyneitä, ja neljäs muuttuu pidemmäksi ja vähemmän vahvaksi, se yhdistää hilan kuusikulmaisten renkaiden "kerrokset". Tuloksena käy ilmi, että grafiitti on pehmeää, rasvaista mustaa ainetta kosketettaessa. Sillä on hyvä sähkönjohtavuus ja korkea sulamispiste - 3525 ⁰C. Sublimoituva - sublimaatio kiinteästä tilasta kaasumaiseen tilaan ohittaen nestemäisen tilan (lämpötilassa 3700 ⁰С). Hiilen tiheys on 2,26 g/cm^3, , mikä on paljon pienempi kuin timantin. Tämä selittää niiden erilaiset ominaisuudet. Kidehilan kerrosrakenteen ansiosta on mahdollista käyttää grafiittia kynän lyijykynän valmistukseen. Pyyhkäisemällä paperin poikki hiutaleet irtoavat ja jättävät paperiin mustan jäljen.
3. Fullerenes. Ne avattiin vasta viime vuosisadan 80-luvulla. Ne ovat muunnelmia, joissa hiilet on kytketty toisiinsa erityisessä kuperassa suljetussa rakenteessa, joka on keskellätyhjyys. Ja kristallin muoto - monitahoinen, oikea organisaatio. Atomien lukumäärä on parillinen. Fullereenin tunnetuin muoto on С₆₀. Tutkimuksen aikana löydettiin näytteitä vastaavasta aineesta:

• meteoriitit;
• pohjasedimentit;
• folguriitti;
• sungiitti;
• ulkoavaruus, jossa se on kaasujen muodossa.

Kaikilla kiteisen hiilen muodoilla on suuri käytännön merkitys, koska niillä on useita suunnittelussa hyödyllisiä ominaisuuksia.

Reaktiivisuus

Molekyylihiilen reaktiivisuus on alhainen sen vakaan konfiguraation ansiosta. Se voidaan pakottaa reaktioihin vain antamalla lisäenergiaa atomille ja pakottamalla ulkotason elektronit haihtumaan. Tässä vaiheessa valenssista tulee 4. Siksi sen hapetusaste yhdisteissä on + 2, + 4, - 4.

Käytännössä kaikki reaktiot yksinkertaisten aineiden, sekä metallien että ei-metallien, kanssa tapahtuvat korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta. Kyseinen alkuaine voi olla sekä hapetin että pelkistävä aine. Jälkimmäiset ominaisuudet ovat kuitenkin erityisen voimakkaita siinä, ja tämä on perusta sen käytölle metallurgialla ja muilla teollisuudenaloilla.

Yleensä kyky päästä kemialliseen vuorovaikutukseen riippuu kolmesta tekijästä:

• hiilen dispersio;
• allotrooppinen muunnos;
• reaktiolämpötila.

Joissain tapauksissa on siis vuorovaikutusta seuraavien kanssaaineet:

• epämetallit (vety, happi);
• metallit (alumiini, rauta, kalsium ja muut);
• metallioksidit ja niiden suolat.

Ei reagoi happojen ja emästen kanssa, erittäin harvoin halogeenien kanssa. Hiilen ominaisuuksista tärkein on kyky muodostaa pitkiä ketjuja keskenään. Ne voivat sulkeutua kierrossa, muodostaa oksia. Näin muodostuu orgaanisia yhdisteitä, joita on nykyään miljoonia. Näiden yhdisteiden perustana on kaksi alkuainetta - hiili, vety. Muita atomeja voidaan myös sisältää: happi, typpi, rikki, halogeenit, fosfori, metallit ja muut.

Pääyhdisteet ja niiden ominaisuudet

On olemassa monia erilaisia hiiltä sisältäviä yhdisteitä. Niistä tunnetuimman kaava on CO₂ - hiilidioksidi. Tämän oksidin lisäksi on kuitenkin myös CO -monoksidia tai hiilimonoksidia sekä suboksidia C₃O₂.

Tätä alkuainetta sisältävistä suoloista yleisimmät ovat kalsium- ja magnesiumkarbonaatit. Joten kalsiumkarbonaatilla on nimessä useita synonyymejä, koska se esiintyy luonnossa muodossa:

• liitu;
• marmori;
• kalkkikivi;
• dolomiitti.

Maa-alkalimetallikarbonaattien merkitys ilmenee siinä, että ne ovat aktiivisia osallistujia tippukivikivikivikivikivivoitujen sekä pohjaveden muodostumisessa.

Hiilihappo on toinen yhdiste, joka muodostaa hiiltä. Sen kaava onH₂CO₃. Tavanomaisessa muodossaan se on kuitenkin erittäin epästabiili ja hajoaa välittömästi liuoksessa hiilidioksidiksi ja vedeksi. Siksi vain sen suolat tunnetaan liuoksena, ei itseään.

Hiilihalogenidit - saadaan pääasiassa epäsuorasti, koska suora synteesi tapahtuu vain erittäin korkeissa lämpötiloissa ja tuotteen alhaisella saannolla. Yksi yleisimmistä - CCL₄ - hiilitetrakloridi. Myrkyllinen yhdiste, joka voi aiheuttaa myrkytyksen hengitettynä. Saatu reaktioissa, joissa vetyatomit substituoidaan radikaalisti metaanissa.

Metallikarbidit ovat hiiliyhdisteitä, joissa sen hapetusaste on 4. Myös assosiaatio boorin ja piin kanssa on mahdollista. Joidenkin metallien (alumiini, volframi, titaani, niobi, tantaali, hafnium) karbidien pääominaisuus on korkea lujuus ja erinomainen sähkönjohtavuus. Boorikarbidi В₄С on yksi kovimmista aineista timantin jälkeen (9,5 Mohsin mukaan). Näitä yhdisteitä käytetään tekniikassa sekä kemianteollisuudessa hiilivetyjen tuotannon lähteinä (kalsiumkarbidi veden kanssa johtaa asetyleenin ja kalsiumhydroksidin muodostumiseen).

Monet metalliseokset valmistetaan hiilestä, mikä parantaa merkittävästi niiden laatua ja teknisiä ominaisuuksia (teräs on raudan ja hiilen seos).

Erityistä huomiota ansaitsee lukuisat orgaaniset hiilen yhdisteet, joissa se on peruselementti, joka kykenee yhdistymään samojen atomien kanssa pitkiksi erirakenteisiksi ketjuiksi. Näitä ovat:

• alkaanit;
• alkeenit;
• areenat;
• proteiinit;
• hiilihydraatit;
• nukleiinihapot;
• alkoholit;
• karboksyylihapot ja monet muut aineluokat.

Hiilen käyttö

Hiiliyhdisteiden ja niiden allotrooppisten muunnelmien merkitys ihmiselämässä on erittäin suuri. Voit nimetä muutamia globaaleimpia toimialoja tehdäksesi selväksi, että tämä on totta.

1. Tämä alkuaine muodostaa kaikentyyppisiä fossiilisia polttoaineita, joista ihminen saa energiaa.
2. Metallurginen teollisuus käyttää hiiltä vahvimpana pelkistimenä saadakseen metalleja yhdisteistään. Karbonaatteja käytetään myös täällä laajasti.
3. Rakennus ja kemianteollisuus kuluttavat v altavia määriä hiiliyhdisteitä uusien aineiden syntetisoimiseksi ja tarvittavien tuotteiden saamiseksi.

Voit myös nimetä sellaisia talouden aloja:

• ydinteollisuus;
• korut;
• tekniset laitteet (voiteluaineet, lämmönkestävät upokkaat, lyijykynät jne.);
• kivien geologisen iän määritys - radioaktiivinen merkkiaine ¹⁴С;
• hiili on erinomainen adsorbentti, joten se sopii suodattimien valmistukseen.

Kierrä luonnossa

Luonnossa oleva hiilimassa sisältyy jatkuvaan kiertokulkuun, joka kiertää joka sekunti maapallon ympäri. Siten ilmakehän hiilen lähde CO₂ absorboituukasveista, ja kaikki elävät olennot vapauttavat sen hengitysprosessissa. Kun se on ilmakehässä, se imeytyy uudelleen, joten kierto ei pysähdy. Samaan aikaan orgaanisten jäännösten kuolema johtaa hiilen vapautumiseen ja sen kerääntymiseen maahan, josta se sitten taas imeytyy eläviin organismeihin ja vapautuu ilmakehään kaasuna.