Um dos elementos mais surpreendentes, capaz de formar uma grande variedade de compostos de natureza orgânica e inorgânica, é o carbono. Trata-se de um elemento com propriedades tão inusitadas que Mendeleev previu um grande futuro para ele, falando de características que ainda não haviam sido reveladas.

Mais tarde isso foi praticamente confirmado. Ficou sabendo que é o principal elemento biogênico do nosso planeta, que faz parte de absolutamente todos os seres vivos. Além disso, é capaz de existir em formas que diferem radicalmente em todos os aspectos, mas ao mesmo tempo consistem apenas em átomos de carbono.

Em geral, essa estrutura possui muitas funcionalidades, e tentaremos entendê-las no decorrer do artigo.

Carbono: fórmula e posição no sistema de elementos

Na tabela periódica, o elemento carbono está localizado no grupo IV (de acordo com o novo modelo em 14), o subgrupo principal. Seu número atômico 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, portanto, varia e depende da modificação específica.

No entanto, é claro, existe uma notação específica para escrever equações de reação. Em geral, quando se fala em uma substância em sua forma pura, aceita-se a fórmula molecular do carbono C, sem indexação.

História da descoberta de elementos

Este elemento em si é conhecido desde os tempos antigos. Afinal, um dos minerais mais importantes da natureza é o carvão. Portanto, não era segredo para os antigos gregos, romanos e outras nações.

Além dessa variedade, também foram utilizados diamantes e grafite. Durante muito tempo existiram muitas situações confusas com este último, uma vez que compostos como este eram muitas vezes confundidos com grafite sem análise da composição:

• chumbo prateado;
• carboneto de ferro;
• Sulfeto de molibdênio.

Todos eles foram pintados de preto e, portanto, considerados grafite. Mais tarde, esse mal-entendido foi esclarecido e essa forma de carbono tornou-se ela mesma.

Desde 1725, os diamantes adquiriram grande importância comercial e, em 1970, a tecnologia para sua produção artificial foi dominada. Desde 1779, graças ao trabalho de Karl Scheele, as propriedades químicas exibidas pelo carbono foram estudadas. Isto serviu como o início de uma série de descobertas importantes no campo deste elemento e tornou-se a base para elucidar todas as suas características únicas.

Isótopos de carbono e distribuição na natureza

Apesar de o elemento em questão ser um dos mais importantes biogênicos, seu conteúdo total na massa da crosta terrestre é de 0,15%. Isso acontece porque está sujeito a uma circulação constante, ao ciclo natural da natureza.

Em geral, podemos citar vários compostos minerais que contêm carbono. Estas são raças naturais, como:

• dolomitas e calcários;
• antracite;
• xisto betuminoso;
• gás natural;
• carvão;
• óleo;
• lenhite;
• turfa;
• betumes.

Além disso, não devemos esquecer os seres vivos, que são simplesmente um repositório de compostos de carbono. Afinal, forma proteínas, gorduras, carboidratos, ácidos nucléicos e, portanto, as moléculas estruturais mais vitais. Em geral, de 70 kg de massa corporal seca, 15 são contabilizados pelo elemento puro. E assim é para todas as pessoas, sem falar nos animais, plantas e outras criaturas.

Se considerarmos a água, ou seja, a hidrosfera como um todo e a atmosfera, então existe uma mistura de carbono e oxigênio, expressa pela fórmula CO 2. O dióxido ou dióxido de carbono é um dos principais gases que compõem o ar. É nesta forma que a fração mássica do carbono é de 0,046%. Ainda mais dióxido de carbono é dissolvido nas águas do Oceano Mundial.

A massa atômica do carbono como elemento é 12,011. Sabe-se que este valor é calculado como a média aritmética entre os pesos atômicos de todas as variedades isotópicas existentes na natureza, levando em consideração a sua abundância (em porcentagem). Isto acontece com a substância em questão. Existem três isótopos principais nos quais ocorre o carbono. Esse:

• 12 C - sua fração de massa é esmagadoramente de 98,93%;
• 13C - 1,07%;
• 14 C - radioativo, meia-vida de 5.700 anos, emissor beta estável.

Na prática de determinação da idade geocronológica de amostras, é amplamente utilizado o isótopo radioativo 14 C, que é um indicador devido ao seu longo período de decaimento.

Modificações alotrópicas do elemento

O carbono é um elemento que, como substância simples, existe em diversas formas. Ou seja, é capaz de formar o maior número de modificações alotrópicas conhecidas atualmente.

1. Variações cristalinas - existem na forma de estruturas fortes com redes regulares do tipo atômico. Este grupo inclui variedades como:

• diamantes;
• fulerenos;
• grafites;
• carabinas;
• lonsdaleitas;
• e tubos.

Todos eles têm redes diferentes, em cujos nós existe 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 se trata de variedades puras, mas sim com misturas de outros elementos em pequenas quantidades. Este grupo inclui:

• Carvão ativado;
• pedra e madeira;
• fuligem;
• nanoespuma de carbono;
• antracite;
• carbono vítreo;
• variedade técnica de uma substância.

Eles também estão unidos pelas características estruturais da rede cristalina, que explicam e exibem propriedades.

3. Compostos de carbono na forma de aglomerados. Esta é uma estrutura na qual os átomos estão presos em uma conformação especial que é oca por dentro, preenchida com água ou núcleos de outros elementos. Exemplos:

• nanocones de carbono;
• astralens;
• dicarbono.

Propriedades físicas do carbono amorfo

Devido à grande variedade de modificações alotrópicas, é difícil identificar quaisquer propriedades físicas gerais do carbono. É mais fácil falar sobre um formulário específico. Por exemplo, o carbono amorfo tem as seguintes características.

1. Todas as formas são baseadas em variedades cristalinas finas de grafite.
2. Alta capacidade térmica.
3. Boas propriedades condutoras.
4. A densidade do carbono é de cerca de 2 g/cm3.
5. Quando aquecido acima de 1600 0 C, ocorre uma transição para as formas de grafite.

As variedades de fuligem e pedra são amplamente utilizadas para fins técnicos. Eles não são uma manifestação da modificação do carbono em sua forma pura, mas o contêm em quantidades muito grandes.

Carbono cristalino

Existem diversas opções em que o carbono é uma substância que forma cristais regulares de vários tipos, onde os átomos estão ligados em série. Como resultado, as seguintes modificações são formadas.

1. - cúbico, no qual quatro tetraedros estão conectados. Como resultado, todas as ligações químicas covalentes de cada átomo são tão saturadas e fortes quanto possível. Isto explica as propriedades físicas: densidade de carbono 3300 kg/m3. Alta dureza, baixa capacidade térmica, falta de condutividade elétrica - tudo isso é resultado da estrutura da rede cristalina. Existem diamantes produzidos 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, é tão alto quanto a resistência - cerca de 3500 0 C.
2. Grafite. Os átomos estão dispostos de forma semelhante à estrutura da substância anterior, porém, apenas três ligações estão saturadas, e a quarta torna-se mais longa e menos forte; conecta as “camadas” de anéis de rede hexagonal. 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 0 C. Capaz de sublimação - sublimação do estado sólido para o gasoso, contornando o líquido (a uma temperatura de 3700 0 C). A densidade do carbono é de 2,26 g/cm3, muito inferior à do diamante. Isso explica suas diferentes propriedades. Devido à estrutura em camadas da rede cristalina, o grafite pode ser usado para fazer minas de lápis. Ao passar sobre o papel, as escamas se desprendem e deixam uma marca preta no papel.
3. Fulerenos. Eles foram descobertos apenas na década de 80 do século passado. São modificações nas quais os carbonos são conectados entre si em uma estrutura fechada convexa especial com um vazio no centro. Além disso, a forma do cristal é um poliedro, de organização regular. O número de átomos é par. A forma mais famosa de fulereno C 60. Amostras de uma substância semelhante foram encontradas durante a pesquisa:

• meteoritos;
• sedimentos de fundo;
• folguritos;
• shungitas;
• espaço sideral, onde estavam contidos na forma de gases.

Todas as variedades de carbono cristalino são de grande importância prática porque possuem uma série de propriedades úteis em tecnologia.

Atividade química

O carbono molecular apresenta baixa reatividade química devido à sua configuração estável. Ele pode ser forçado a reagir apenas transmitindo energia adicional ao átomo e forçando a vaporização dos elétrons do nível externo. Neste ponto, a valência passa a ser 4. Portanto, nos compostos possui um estado de oxidação de + 2, + 4, - 4.

Quase todas as reações com substâncias simples, tanto metálicas quanto não metálicas, ocorrem sob a influência de altas temperaturas. O elemento em questão pode ser um agente oxidante ou um agente redutor. No entanto, as últimas propriedades são especialmente pronunciadas nele, e é isso que baseia seu uso na indústria metalúrgica e outras.

Em geral, a capacidade de entrar em interações químicas depende de três fatores:

• dispersão de carbono;
• modificação alotrópica;
• temperatura de reação.

Assim, em alguns casos, ocorre interação com as seguintes substâncias:

• não metais (hidrogênio, oxigênio);
• metais (alumínio, ferro, cálcio e outros);
• óxidos metálicos e seus sais.

Não reage com ácidos e álcalis, muito raramente com halogéneos. A propriedade mais importante do carbono é a capacidade de formar longas cadeias entre si. Eles podem fechar um ciclo e formar ramificações. É assim que ocorre a formação de compostos orgânicos, que hoje chegam a milhões. A base desses compostos são dois elementos - carbono e hidrogênio. A composição também pode incluir outros átomos: oxigênio, nitrogênio, enxofre, halogênios, fósforo, metais e outros.

Conexões básicas e suas características

Existem muitos compostos diferentes que contêm carbono. A fórmula do mais famoso deles é CO 2 - dióxido de carbono. Porém, além desse óxido, existe também o CO - monóxido ou monóxido de carbono, bem como o subóxido C 3 O 2.

Dentre os sais que contêm esse elemento, os mais comuns são os carbonatos de cálcio e magnésio. Assim, o carbonato de cálcio possui vários sinônimos em seu nome, pois ocorre na natureza na forma:

• giz;
• mármore;
• calcário;
• dolomite

A importância dos carbonatos de metais alcalino-terrosos se manifesta no fato de serem participantes ativos na formação de estalactites e estalagmites, bem como nas águas subterrâneas.

O ácido carbônico é outro composto que forma carbono. Sua fórmula é H 2 CO 3. No entanto, na sua forma habitual é extremamente instável e decompõe-se imediatamente em solução em dióxido de carbono e água. Portanto, apenas seus sais são conhecidos, e não ele mesmo como solução.

Os halogenetos de carbono são obtidos principalmente indiretamente, uma vez que a síntese direta ocorre apenas em temperaturas muito altas e com baixos rendimentos de produto. Um dos mais comuns é o CCL 4 - tetracloreto de carbono. Um composto tóxico que pode causar envenenamento se inalado. Obtido por reações de substituição fotoquímica radical em metano.

Carbonetos metálicos são compostos de carbono nos quais apresenta um estado de oxidação 4. Também é possível que existam combinações com boro e silício. A principal propriedade dos carbonetos de alguns metais (alumínio, tungstênio, titânio, nióbio, tântalo, háfnio) é alta resistência e excelente condutividade elétrica. O carboneto de boro B 4 C é uma das substâncias mais duras depois do diamante (9,5 segundo Mohs). Esses compostos são utilizados na tecnologia, assim como na indústria química, como fontes de hidrocarbonetos (o carboneto de cálcio com água leva à formação de acetileno e hidróxido de cálcio).

Muitas ligas metálicas são feitas com carbono, aumentando significativamente sua qualidade e características técnicas (o aço é uma liga de ferro e carbono).

Inúmeros compostos orgânicos de carbono merecem atenção especial, nos quais é um elemento fundamental capaz de se combinar com os mesmos átomos para formar longas cadeias de diversas estruturas. Esses incluem:

• alcanos;
• alcenos;
• arenas;
• proteínas;
• carboidratos;
• ácidos nucleicos;
• álcoois;
• ácidos carboxílicos e muitas outras classes de substâncias.

Aplicação de carbono

A importância dos compostos de carbono e suas modificações alotrópicas na vida humana é muito grande. Você pode citar vários dos setores mais globais para deixar claro que esse é realmente o caso.

1. Este elemento forma todos os tipos de combustível orgânico a partir do qual os humanos obtêm energia.
2. A indústria metalúrgica utiliza o carbono como poderoso agente redutor para obter metais a partir de seus compostos. Carbonatos também são amplamente utilizados aqui.
3. A construção e a indústria química consomem enormes quantidades de compostos de carbono para sintetizar novas substâncias e produzir os produtos necessários.

Você também pode nomear setores da economia como:

• indústria nuclear;
• fabricação de joias;
• equipamento técnico (lubrificantes, cadinhos resistentes ao calor, lápis, etc.);
• determinação da idade geológica das rochas - indicador radioativo 14 C;
• O carbono é um excelente adsorvente, o que permite sua utilização na fabricação de filtros.

Ciclo na natureza

A massa de carbono encontrada na natureza está inserida em um ciclo constante, que ocorre ciclicamente a cada segundo em todo o globo. Assim, a fonte atmosférica de carbono, o CO 2, é absorvida pelas plantas e liberada por todos os seres vivos durante a respiração. Assim que entra na atmosfera, é absorvido novamente e assim o ciclo continua. Nesse caso, a morte dos restos orgânicos leva à liberação de carbono e ao seu acúmulo no solo, de onde é novamente absorvido pelos organismos vivos e liberado na atmosfera na forma de gás.

A química orgânica é a química do átomo de carbono. O número de compostos orgânicos é dezenas de vezes maior que os inorgânicos, o que só pode ser explicado características do átomo de carbono :

a) ele está em meio da escala de eletronegatividade e o segundo período, portanto, não é lucrativo para ele doar os seus e aceitar os elétrons de outras pessoas e adquirir uma carga positiva ou negativa;

b) estrutura especial da camada eletrônica – não existem pares de elétrons e orbitais livres (existe apenas mais um átomo com estrutura semelhante - o hidrogênio, provavelmente por isso que o carbono e o hidrogênio formam tantos compostos - os hidrocarbonetos).

Estrutura eletrônica do átomo de carbono

C – 1s 2 2s 2 2p 2 ou 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

Em forma gráfica:

Um átomo de carbono em estado excitado tem a seguinte fórmula eletrônica:

*C – 1s 2 2s 1 2p 3 ou 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

Na forma de células:

Forma dos orbitais s e p

Orbital atômico - a região do espaço onde é mais provável encontrar um elétron, com os números quânticos correspondentes.

É um "mapa de contorno" tridimensional do elétron no qual a função de onda determina a probabilidade relativa de encontrar um elétron naquele ponto específico do orbital.

Os tamanhos relativos dos orbitais atômicos aumentam à medida que suas energias aumentam ( Número quântico principal- n), e sua forma e orientação no espaço são determinadas pelos números quânticos l e m. Os elétrons nos orbitais são caracterizados por um número quântico de spin. Cada orbital não pode conter mais do que 2 elétrons com spins opostos.

Ao formar ligações com outros átomos, o átomo de carbono transforma sua camada eletrônica para que se formem as ligações mais fortes e, conseqüentemente, seja liberada tanta energia quanto possível, e o sistema adquira a maior estabilidade.

Mudar a camada eletrônica de um átomo requer energia, que é então compensada pela formação de ligações mais fortes.

A transformação da camada de elétrons (hibridização) pode ser principalmente de 3 tipos, dependendo do número de átomos com os quais o átomo de carbono forma ligações.

Tipos de hibridização:

sp 3 – um átomo forma ligações com 4 átomos vizinhos (hibridização tetraédrica):

Fórmula eletrônica de sp 3 – átomo de carbono híbrido:

*С –1s 2 2(sp 3) 4 na forma de células

O ângulo de ligação entre os orbitais híbridos é de aproximadamente 109°.

Fórmula estereoquímica do átomo de carbono:

sp 2 – Hibridização (estado de valência)– um átomo forma ligações com 3 átomos vizinhos (hibridização trigonal):

Fórmula eletrônica de sp 2 – átomo de carbono híbrido:

*С –1s 2 2(sp 2) 3 2p 1 na forma de células

O ângulo de ligação entre os orbitais híbridos é de aproximadamente 120°.

Fórmula estereoquímica de sp 2 - átomo de carbono híbrido:

sp– Hibridização (estado de valência) – um átomo forma ligações com 2 átomos vizinhos (hibridização linear):

Fórmula eletrônica de sp – átomo de carbono híbrido:

*С –1s 2 2(sp) 2 2p 2 na forma de células

O ângulo de ligação entre os orbitais híbridos é de aproximadamente 180°.

Fórmula estereoquímica:

O orbital s está envolvido em todos os tipos de hibridização, porque tem energia mínima.

A reestruturação da nuvem eletrônica permite a formação das ligações mais fortes possíveis e a interação mínima dos átomos na molécula resultante. Em que orbitais híbridos podem não ser idênticos, mas os ângulos de ligação podem ser diferentes, por exemplo CH 2 Cl 2 e CCl 4

2. Ligações covalentes em compostos de carbono

Ligações covalentes, propriedades, métodos e razões de formação - currículo escolar.

Deixe-me apenas lembrá-lo:

1. Comunicações Educacionais entre átomos pode ser considerada como resultado da sobreposição de seus orbitais atômicos, e quanto mais eficaz for (quanto maior a integral de sobreposição), mais forte será a ligação.

De acordo com os dados calculados, as eficiências de sobreposição relativa dos orbitais atômicos S rel aumentam da seguinte forma:

Portanto, o uso de orbitais híbridos, como orbitais de carbono sp 3, para formar ligações com quatro átomos de hidrogênio resulta em ligações mais fortes.

2. As ligações covalentes em compostos de carbono são formadas de duas maneiras:

A)Se dois orbitais atômicos se sobrepõem ao longo de seus eixos principais, a ligação resultante é chamada - ligação σ.

Geometria. Assim, quando ligações são formadas com átomos de hidrogênio no metano, quatro orbitais sp 3 ~ híbridos do átomo de carbono se sobrepõem aos orbitais s de quatro átomos de hidrogênio, formando quatro ligações σ fortes idênticas localizadas em um ângulo de 109°28" entre si. outro (ângulo tetraédrico padrão) Uma estrutura tetraédrica estritamente simétrica semelhante também surge, por exemplo, durante a formação de CCl 4; se os átomos que formam ligações com o carbono são desiguais, por exemplo, no caso de CH 2 C1 2, a estrutura espacial irá diferem um pouco do completamente simétrico, embora permaneça essencialmente tetraédrico.

comprimento da ligação σ entre átomos de carbono depende da hibridização dos átomos e diminui durante a transição de sp 3 - hibridização para sp. Isso se explica pelo fato do orbital s estar mais próximo do núcleo do que o orbital p, portanto, quanto maior sua participação no orbital híbrido, mais curto ele é e, portanto, mais curta é a ligação formada.

B) Se dois átomos p -orbitais localizados paralelos entre si realizam sobreposição lateral acima e abaixo do plano onde os átomos estão localizados, então a ligação resultante é chamada - π (pi) -comunicação

Sobreposição lateral orbitais atômicos são menos eficientes do que a sobreposição ao longo do eixo principal, então π - as conexões são menos fortes do que σ - conexões. Isto manifesta-se, em particular, no facto de a energia de uma ligação dupla carbono-carbono ser inferior ao dobro da energia de uma ligação simples. Assim, a energia da ligação CC no etano é 347 kJ/mol, enquanto a energia da ligação C = C no eteno é de apenas 598 kJ/mol, e não ~ 700 kJ/mol.

Grau de sobreposição lateral de dois orbitais 2p atômicos e, portanto, força π -as ligações são máximas se houver dois átomos de carbono e quatro ligados a eles os átomos estão localizados estritamente em um plano, ou seja, se eles coplanar , já que somente neste caso os orbitais atômicos 2p são exatamente paralelos entre si e, portanto, capazes de sobreposição máxima. Qualquer desvio do estado coplanar devido à rotação em torno σ -ligação conectando dois átomos de carbono levará a uma diminuição no grau de sobreposição e, consequentemente, a uma diminuição na força π -bond, que ajuda a manter o nivelamento da molécula.

Rotação em torno de uma ligação dupla carbono-carbono não é possível.

Distribuição π -elétrons acima e abaixo do plano da molécula significam a existência áreas de carga negativa, pronto para interagir com quaisquer reagentes deficientes em elétrons.

Átomos de oxigênio, nitrogênio, etc. também têm diferentes estados de valência (hibridização), e seus pares de elétrons podem estar em orbitais híbridos e p.

Uma importante área de aplicação prática das últimas descobertas no campo da física, da química e até da astronomia é a criação e pesquisa de novos materiais com propriedades incomuns, às vezes únicas. Falaremos sobre os rumos em que esse trabalho está sendo realizado e o que os cientistas já conseguiram em uma série de artigos elaborados em parceria com a Universidade Federal dos Urais. Nosso primeiro texto é dedicado a materiais incomuns que podem ser obtidos a partir da substância mais comum - o carbono.

Se você perguntar a um químico qual elemento é o mais importante, poderá obter muitas respostas diferentes. Alguns dirão sobre o hidrogênio - o elemento mais comum no Universo, outros sobre o oxigênio - o elemento mais comum na crosta terrestre. Mas na maioria das vezes você ouvirá a resposta “carbono” - é a base de todas as substâncias orgânicas, desde DNA e proteínas até álcoois e hidrocarbonetos.

Nosso artigo é dedicado às diversas formas desse elemento: acontece que dezenas de materiais diferentes podem ser construídos apenas a partir de seus átomos - do grafite ao diamante, do carbino aos fulerenos e nanotubos. Embora sejam todos compostos exatamente pelos mesmos átomos de carbono, suas propriedades são radicalmente diferentes - e o papel principal nisso é desempenhado pela disposição dos átomos no material.

Grafite

Na maioria das vezes, na natureza, o carbono puro pode ser encontrado na forma de grafite - um material preto macio que esfolia facilmente e parece escorregadio ao toque. Muitos podem se lembrar que as grafites dos lápis são feitas de grafite - mas isso nem sempre é verdade. Freqüentemente, a grafite é feita de um composto de lascas de grafite e cola, mas também existem lápis totalmente de grafite. Curiosamente, mais de um vigésimo da produção mundial de grafite natural vai para lápis.

O que há de especial no grafite? Em primeiro lugar, conduz bem a eletricidade - embora o carbono em si não seja como outros metais. Se pegarmos uma placa de grafite, verifica-se que ao longo de seu plano a condutividade é cerca de cem vezes maior do que na direção transversal. Isso está diretamente relacionado à forma como os átomos de carbono no material estão organizados.

Se observarmos a estrutura do grafite, veremos que ela consiste em camadas individuais com a espessura de um átomo. Cada camada é uma grade de hexágonos, que lembra um favo de mel. Os átomos de carbono dentro da camada estão ligados por ligações químicas covalentes. Além disso, alguns dos elétrons que fornecem ligações químicas estão “espalhados” por todo o plano. A facilidade de seu movimento determina a alta condutividade do grafite ao longo do plano dos flocos de carbono.

As camadas individuais são conectadas entre si graças às forças de van der Waals - elas são muito mais fracas do que uma ligação química convencional, mas são suficientes para garantir que o cristal de grafite não se desfaça espontaneamente. Essa discrepância torna muito mais difícil para os elétrons se moverem perpendicularmente aos planos - a resistência elétrica aumenta 100 vezes.

Devido à sua condutividade elétrica, bem como à capacidade de incorporar átomos de outros elementos entre camadas, o grafite é usado como ânodos para baterias de íons de lítio e outras fontes de corrente. Eletrodos de grafite são necessários para produzir alumínio metálico - e até mesmo os trólebus usam contatos deslizantes de grafite para coletores de corrente.

Além disso, o grafite é um material diamagnético e possui uma das maiores suscetibilidades por unidade de massa. Isso significa que se você colocar um pedaço de grafite em um campo magnético, ele tentará de todas as maneiras possíveis empurrar esse campo para fora de si mesmo - a ponto de o grafite poder levitar acima de um ímã suficientemente forte.

E a última propriedade importante do grafite é a sua incrível refratariedade. A substância mais refratária hoje é considerada um dos carbonetos de háfnio com ponto de fusão de cerca de 4.000 graus Celsius. No entanto, se você tentar derreter o grafite, então, em pressões de cerca de cem atmosferas, ele manterá a dureza até 4.800 graus Celsius (na pressão atmosférica, o grafite sublima - evapora, contornando a fase líquida). Devido a isso, materiais à base de grafite são usados, por exemplo, em carcaças de bicos de foguetes.

Diamante

Muitos materiais sob pressão começam a mudar sua estrutura atômica - ocorre uma transição de fase. A grafite, neste sentido, não é diferente de outros materiais. A pressões de cem mil atmosferas e temperaturas de 1 a 2 mil graus Celsius, as camadas de carbono começam a se aproximar umas das outras, surgem ligações químicas entre elas e, uma vez lisos, os planos tornam-se corrugados. Forma-se o diamante, uma das mais belas formas de carbono.

As propriedades do diamante são radicalmente diferentes das propriedades do grafite - é um material duro e transparente. É extremamente difícil de riscar (classificação 10 na escala de dureza de Mohs, esta é a dureza máxima). Além disso, a condutividade elétrica do diamante e da grafite difere um quintilhão de vezes (este é um número com 18 zeros).

Diamante na rocha

Wikimedia Commons

Isso determina o uso de diamantes: a maioria dos diamantes extraídos e produzidos artificialmente são usados ​​na metalurgia e em outras indústrias. Por exemplo, discos de afiação e ferramentas de corte com pó ou revestimento de diamante são amplamente utilizados. Revestimentos de diamante são usados ​​até em cirurgia - para bisturis. O uso dessas pedras na indústria joalheira é bem conhecido de todos.

A incrível dureza também é usada em pesquisas científicas - é com a ajuda de diamantes de alta qualidade que os laboratórios estudam materiais a pressões de milhões de atmosferas. Você pode ler mais sobre isso em nosso material “”.

Grafeno

Em vez de comprimir e aquecer o grafite, nós, seguindo Andrei Geim e Konstantin Novoselov, colaremos um pedaço de fita adesiva no cristal de grafite. Em seguida, retire-o - uma fina camada de grafite permanecerá na fita. Vamos repetir esta operação novamente - aplique a fita em uma camada fina e retire-a novamente. A camada ficará ainda mais fina. Repetindo o procedimento mais algumas vezes, obtemos o grafeno, material pelo qual os citados físicos britânicos receberam o Prêmio Nobel em 2010.

O grafeno é uma monocamada plana de átomos de carbono, completamente idêntica às camadas atômicas do grafite. Sua popularidade se deve ao comportamento incomum dos elétrons nele contidos. Eles se movem como se não tivessem massa alguma. Na realidade, é claro, a massa dos elétrons permanece a mesma de qualquer substância. Os átomos de carbono da estrutura do grafeno são os culpados de tudo, atraindo partículas carregadas e formando um campo periódico especial.

Dispositivo baseado em grafeno. No fundo da foto estão contatos de ouro, acima deles está grafeno, acima está uma fina camada de polimetilmetacrilato

Engenharia em Cambridge / flickr.com

A consequência desse comportamento é a maior mobilidade dos elétrons – eles se movem no grafeno muito mais rápido do que no silício. Por esta razão, muitos cientistas esperam que o grafeno se torne a base da eletrônica do futuro.

Curiosamente, o grafeno tem irmãos de carbono - e. O primeiro deles consiste em seções pentagonais ligeiramente distorcidas e, ao contrário do grafeno, não conduz bem a eletricidade. Phagraphene consiste em seções pentagonais, hexagonais e heptagonais. Se as propriedades do grafeno forem iguais em todas as direções, então o fagrafeno terá uma anisotropia pronunciada de propriedades. Ambos os materiais foram previstos teoricamente, mas ainda não existem na realidade.

Um fragmento de um único cristal de silício (em primeiro plano) em um conjunto vertical de nanotubos de carbono

Nanotubos de carbono

Imagine que você enrolou um pequeno pedaço de folha de grafeno em um tubo e colou suas bordas. O resultado é uma estrutura oca composta pelos mesmos hexágonos de átomos de carbono do grafeno e da grafite - um nanotubo de carbono. Este material está em muitos aspectos relacionado ao grafeno - tem alta resistência mecânica (já foi proposto construir um elevador para o espaço a partir de nanotubos de carbono) e alta mobilidade de elétrons.

No entanto, existe uma característica incomum. A folha de grafeno pode ser enrolada paralelamente a uma borda imaginária (o lado de um dos hexágonos) ou em ângulo. Acontece que a maneira como torcemos um nanotubo de carbono influenciará muito suas propriedades eletrônicas, ou seja, se ele será mais parecido com um semicondutor com bandgap ou mais parecido com um metal.

Nanotubo de carbono de paredes múltiplas

Bens comuns da Wikimedia

Não se sabe ao certo quando os nanotubos de carbono foram observados pela primeira vez. Nas décadas de 1950 a 1980, vários grupos de pesquisadores envolvidos na catálise de reações envolvendo hidrocarbonetos (por exemplo, pirólise de metano) prestaram atenção às estruturas alongadas na fuligem que cobre o catalisador. Agora, para sintetizar nanotubos de carbono apenas de um tipo específico (quiralidade específica), os químicos propõem o uso de sementes especiais. Estas são pequenas moléculas em forma de anéis, que por sua vez consistem em anéis hexagonais de benzeno. Você pode ler sobre o trabalho de síntese deles, por exemplo.

Assim como o grafeno, os nanotubos de carbono têm muitas aplicações na microeletrônica. Os primeiros transistores baseados em nanotubos já foram criados e suas propriedades são semelhantes às dos dispositivos tradicionais de silício. Além disso, os nanotubos formaram a base de um transistor com.

Carabina

Falando em estruturas alongadas de átomos de carbono, não se pode deixar de mencionar as carabinas. São cadeias lineares que, segundo os teóricos, podem revelar-se o material mais resistente possível (estamos a falar de resistência específica). Por exemplo, o módulo de Young para o carbino é estimado em 10 giganewtons por quilograma. Para o aço esse número é 400 vezes menor, para o grafeno é pelo menos duas vezes menor.

Um fio fino estendendo-se em direção a uma partícula de ferro abaixo - carabina

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Carbynes vêm em dois tipos, dependendo de como as ligações entre os átomos de carbono estão organizadas. Se todas as ligações da cadeia forem iguais, então estamos falando de cumulenos, mas se as ligações se alternam (único-triplo-único-triplo e assim por diante), então estamos falando de poliinas. Os físicos demonstraram que um fio de carbino pode ser “alternado” entre esses dois tipos por deformação - quando esticado, o cumuleno se transforma em poliino. Curiosamente, isto altera radicalmente as propriedades elétricas do carbyne. Se o poliino conduz corrente elétrica, então o cumuleno é um isolante.

A principal dificuldade no estudo das carabinas é que elas são muito difíceis de sintetizar. São substâncias quimicamente ativas que também são facilmente oxidadas. Hoje as cadeias têm apenas seis mil átomos de comprimento. Para conseguir isso, os químicos tiveram que cultivar carbino dentro de um nanotubo de carbono. Além disso, a síntese do carbyne ajudará a quebrar o recorde de tamanho da porta de um transistor - ela pode ser reduzida a um átomo.

Fulerenos

Embora o hexágono seja uma das configurações mais estáveis ​​que os átomos de carbono podem formar, existe toda uma classe de objetos compactos onde ocorre o pentágono regular de carbono. Esses objetos são chamados de fulerenos.

Em 1985, Harold Kroteau, Robert Curl e Richard Smalley estudaram o vapor de carbono e como os átomos de carbono se aglomeram quando resfriados. Descobriu-se que existem duas classes de objetos na fase gasosa. O primeiro são aglomerados que consistem em 2 a 25 átomos: cadeias, anéis e outras estruturas simples. O segundo são aglomerados que consistem em 40–150 átomos, que não foram observados antes. Nos cinco anos seguintes, os químicos conseguiram provar que esta segunda classe consiste em estruturas ocas de átomos de carbono, a mais estável das quais consiste em 60 átomos e tem a forma de uma bola de futebol. C 60, ou buckminsterfulereno, consistia em vinte seções hexagonais e 12 seções pentagonais, unidas em uma esfera.

A descoberta dos fulerenos despertou grande interesse entre os químicos. Posteriormente, uma classe incomum de endofulerenos foi sintetizada - fulerenos em cuja cavidade havia algum átomo estranho ou pequena molécula. Por exemplo, há apenas um ano, uma molécula de ácido fluorídrico foi incorporada pela primeira vez num fulereno, o que permitiu determinar com muita precisão as suas propriedades electrónicas.

Fulleritas - cristais de fulereno

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Em 1991, descobriu-se que os fulerídeos - cristais de fulerenos nos quais parte das cavidades entre os poliedros vizinhos são ocupados por metais - são supercondutores moleculares com uma temperatura de transição recorde para esta classe, ou seja, 18 Kelvin (para K 3 C 60). Mais tarde, foram encontrados fulerídeos com uma temperatura de transição ainda mais alta - 33 Kelvin, Cs 2 RbC 60. Tais propriedades acabaram por estar diretamente relacionadas à estrutura eletrônica da substância.

Carbono Q

Entre as formas de carbono recentemente descobertas está o chamado carbono Q. Foi introduzido pela primeira vez por cientistas de materiais americanos da Universidade da Carolina do Norte em 2015. Os cientistas irradiaram carbono amorfo usando um poderoso laser, aquecendo localmente o material a 4.000 graus Celsius. Como resultado, aproximadamente um quarto de todos os átomos de carbono da substância adotou a hibridização sp 2, ou seja, o mesmo estado eletrônico do grafite. Os átomos de carbono Q restantes mantiveram a característica de hibridização do diamante.

Carbono Q

Ao contrário do diamante, grafite e outras formas de carbono, o carbono Q é ferromagnético, como a magnetita ou o ferro. Ao mesmo tempo, sua temperatura Curie era de cerca de 220 graus Celsius - somente com esse aquecimento o material perdeu suas propriedades magnéticas. E ao dopar o carbono Q com boro, os físicos obtiveram outro supercondutor de carbono, com uma temperatura de transição de cerca de 58 Kelvin.

***

A seguir não estão todas as formas conhecidas de carbono. Além disso, neste momento, teóricos e experimentadores estão a criar e a estudar novos materiais de carbono. Em particular, esse trabalho está sendo realizado na Universidade Federal dos Urais. Recorremos a Anatoly Fedorovich Zatsepin, professor associado e pesquisador-chefe do Instituto de Física e Tecnologia UrFU, para descobrir como podemos prever as propriedades de materiais que ainda não foram sintetizados e criar novas formas de carbono.

Anatoly Zatsepin está trabalhando em um dos seis projetos científicos inovadores da UrFU “Desenvolvimento dos princípios fundamentais de novos materiais funcionais baseados em modificações de carbono de baixa dimensão”. O trabalho é realizado com parceiros acadêmicos e industriais na Rússia e no mundo.

O projeto está sendo implementado pelo Instituto UrFU de Física e Tecnologia, unidade acadêmica estratégica (SAU) da universidade. A posição da universidade nas classificações russas e internacionais, principalmente nas classificações de disciplinas, depende do sucesso dos investigadores.

N+1: As propriedades dos nanomateriais de carbono são altamente dependentes da estrutura e variam amplamente. É possível prever de alguma forma as propriedades de um material com base em sua estrutura?

Anatoly Zatsepin:É possível prever e estamos fazendo isso. Existem métodos de modelagem computacional que permitem que os cálculos sejam feitos a partir dos primeiros princípios ( desde o início) - estabelecemos uma determinada estrutura, modelamos e pegamos todas as características fundamentais dos átomos que compõem essa estrutura. O resultado são as propriedades que o material ou nova substância que estamos modelando pode ter. Em particular, no que diz respeito ao carbono, conseguimos simular novas modificações desconhecidas pela natureza. Eles podem ser criados artificialmente.

Em particular, nosso laboratório no Instituto de Física e Tecnologia da UrFU está atualmente desenvolvendo, sintetizando e pesquisando as propriedades de um novo tipo de carbono. Pode ser chamado assim: carbono de cadeia linear ordenado bidimensionalmente. Um nome tão longo se deve ao fato de este material ser uma estrutura chamada 2D. São filmes compostos por cadeias de carbono individuais, e dentro de cada cadeia os átomos de carbono estão na mesma “forma química” - hibridização sp 1. Isso confere propriedades completamente incomuns ao material: nas cadeias de carbono sp 1, a resistência excede a resistência do diamante e de outras modificações de carbono.

Quando formamos filmes a partir dessas cadeias, obtém-se um novo material que possui as propriedades inerentes às cadeias de carbono, além da combinação dessas cadeias ordenadas formar uma estrutura bidimensional ou superrede sobre um substrato especial. Este material apresenta grandes perspectivas não apenas pelas suas propriedades mecânicas. Mais importante ainda, as cadeias de carbono numa determinada configuração podem ser fechadas num anel, o que dá origem a propriedades muito interessantes, como a supercondutividade, e as propriedades magnéticas de tais materiais podem ser melhores do que as dos ferromagnetos existentes.

O desafio permanece para realmente criá-los. Nossa modelagem mostra o caminho por onde seguir.

Sempre há um erro, mas a questão é que os cálculos e a modelagem a partir dos primeiros princípios usam as características fundamentais dos átomos individuais – propriedades quânticas. E quando estruturas são formadas a partir desses átomos quânticos em tal micro e nanoescala, os erros estão associados às limitações existentes da teoria e dos modelos que existem. Por exemplo, sabe-se que a equação de Schrödinger pode ser resolvida com exatidão apenas para o átomo de hidrogênio, e para átomos mais pesados ​​é necessário usar certas aproximações se estivermos falando de sólidos ou de sistemas mais complexos.

Por outro lado, podem ocorrer erros devido a cálculos informáticos. Em tudo isso, excluem-se erros grosseiros e a precisão é suficiente para prever uma ou outra propriedade ou efeito que será inerente a um determinado material.

Quando se trata de materiais de carbono, há muitas variações e tenho certeza de que ainda há muito a ser explorado e descoberto. A UrFU tem tudo para pesquisar novos materiais de carbono e há muito trabalho pela frente.

Também trabalhamos em outros objetos, por exemplo, materiais de silício para microeletrônica. A propósito, o silício e o carbono são análogos; estão no mesmo grupo na tabela periódica.

Vladímir Korolev

O carbono (C) é o sexto elemento da tabela periódica com peso atômico 12. O elemento é um não metal e possui um isótopo de 14 C. A estrutura do átomo de carbono é a base de toda química orgânica, uma vez que todas as substâncias orgânicas incluem moléculas de carbono .

átomo de carbono

A posição do carbono na tabela periódica de Mendeleev:

• sexto número de série;
• quarto grupo;
• segundo período.

Arroz. 1. Posição do carbono na tabela periódica.

Com base nos dados da tabela, podemos concluir que a estrutura do átomo do elemento carbono inclui duas camadas nas quais estão localizados seis elétrons. A valência do carbono incluído nas substâncias orgânicas é constante e igual a IV. Isso significa que o nível eletrônico externo possui quatro elétrons e o nível interno possui dois.

Dos quatro elétrons, dois ocupam um orbital 2s esférico e os dois restantes ocupam um orbital haltere 2p. Num estado excitado, um elétron do orbital 2s vai para um dos orbitais 2p. Quando um elétron se move de um orbital para outro, há gasto de energia.

Assim, um átomo de carbono excitado possui quatro elétrons desemparelhados. Sua configuração pode ser expressa pela fórmula 2s 1 2p 3. Isto torna possível formar quatro ligações covalentes com outros elementos. Por exemplo, numa molécula de metano (CH4), o carbono forma ligações com quatro átomos de hidrogénio - uma ligação entre os orbitais s do hidrogénio e do carbono e três ligações entre os orbitais p do carbono e os orbitais s do hidrogénio.

A estrutura do átomo de carbono pode ser representada como +6C) 2) 4 ou 1s 2 2s 2 2p 2.

Arroz. 2. Estrutura do átomo de carbono.

Propriedades físicas

O carbono ocorre naturalmente na forma de rochas. Várias modificações alotrópicas do carbono são conhecidas:

• grafite;
• diamante;
• carabina;
• carvão;
• fuligem.

Todas essas substâncias diferem na estrutura de sua rede cristalina. A substância mais dura, o diamante, tem a forma cúbica do carbono. Em altas temperaturas, o diamante se transforma em grafite com estrutura hexagonal.

Arroz. 3. Redes cristalinas de grafite e diamante.

Propriedades quimicas

A estrutura atômica do carbono e sua capacidade de anexar quatro átomos de outra substância determinam as propriedades químicas do elemento. O carbono reage com metais para formar carbonetos:

• Ca + 2C → CaC 2;
• Cr + C → CrC;
• 3Fe + C → Fe 3 C.

Também reage com óxidos metálicos:

• 2ZnO + C → 2Zn + CO 2 ;
• PbO + C → Pb + CO;
• SnO 2 + 2C → Sn + 2CO.

Em altas temperaturas, o carbono reage com não metais, em particular com hidrogênio, formando hidrocarbonetos:

C + 2H 2 → CH 4.

Com o oxigênio, o carbono forma dióxido de carbono e monóxido de carbono:

• C + O 2 → CO 2;
• 2C + O 2 → 2СО.

O monóxido de carbono também é formado ao interagir com a água:

C + H 2 O → CO + H 2 .

Os ácidos concentrados oxidam o carbono, formando dióxido de carbono:

• 2H 2 SO 4 + C → CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;
• 4HNO 3 + C → CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O.

Avaliação do relatório

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CARBONO, C, elemento químico do grupo IV do sistema periódico, peso atômico 12,00, número atômico 6. Até recentemente, considerava-se que o carbono não possuía isótopos; Só recentemente foi possível, através de métodos particularmente sensíveis, detectar a existência do isótopo C 13. O carbono é um dos elementos mais importantes em termos da sua prevalência, do número e da diversidade dos seus compostos, do seu significado biológico (como organogénio), da extensa utilização técnica do próprio carbono e dos seus compostos (como matéria-prima e como fonte de energia para necessidades industriais e domésticas) e, finalmente, em termos do seu papel no desenvolvimento da ciência química. O carbono no estado livre apresenta um pronunciado fenômeno de alotropia, conhecido há mais de um século e meio, mas ainda não totalmente estudado, tanto pela extrema dificuldade de obtenção do carbono na forma quimicamente pura, quanto porque a maioria das constantes de as modificações alotrópicas do carbono variam muito dependendo das características morfológicas de sua estrutura, determinadas pelo método e condições de produção.

O carbono forma duas formas cristalinas - diamante e grafite e também é conhecido no estado amorfo na forma do chamado. carvão amorfo. A individualidade deste último tem sido contestada em decorrência de pesquisas recentes: o carvão foi identificado com o grafite, considerando ambos como variedades morfológicas da mesma forma - “carbono negro”, e a diferença em suas propriedades foi explicada pela estrutura física e grau de dispersão da substância. No entanto, muito recentemente, foram obtidos factos que confirmam a existência do carvão como uma forma alotrópica especial (ver abaixo).

Fontes naturais e estoques de carbono. Em termos de prevalência na natureza, o carbono ocupa o 10º lugar entre os elementos, constituindo 0,013% da atmosfera, 0,0025% da hidrosfera e cerca de 0,35% da massa total da crosta terrestre. A maior parte do carbono está na forma de compostos de oxigênio: o ar atmosférico contém aproximadamente 800 bilhões de toneladas de carbono na forma de dióxido de CO 2; nas águas dos oceanos e mares - até 50 bilhões de toneladas de carbono na forma de CO 2, íons de ácido carbônico e bicarbonatos; nas rochas - carbonatos insolúveis (cálcio, magnésio e outros metais), e apenas a participação do CaCO 3 é responsável por ~160,10 6 bilhões de toneladas de carbono. Estas reservas colossais, porém, não representam qualquer valor energético; muito mais valiosos são os materiais carbonáceos combustíveis - carvões fósseis, turfa, depois petróleo, gases de hidrocarbonetos e outros betumes naturais. A reserva dessas substâncias na crosta terrestre também é bastante significativa: a massa total de carbono nos carvões fósseis chega a ~6.000 bilhões de toneladas, no petróleo ~10 bilhões de toneladas, etc. No estado livre, o carbono é bastante raro (diamante e parte da substância grafite). Os carvões fósseis contêm quase ou nenhum carbono livre: eles consistem em ch. arr. de alto peso molecular (policíclicos) e compostos de carbono muito estáveis ​​com outros elementos (H, O, N, S) ainda são muito pouco estudados. Os compostos de carbono da natureza viva (a biosfera do globo), sintetizados em células vegetais e animais, distinguem-se por uma extraordinária variedade de propriedades e quantidades de composição; as substâncias mais comuns no mundo vegetal - fibra e lignina - também desempenham um papel como recursos energéticos. O carbono mantém uma distribuição constante na natureza graças a um ciclo contínuo, cujo ciclo consiste na síntese de substâncias orgânicas complexas em células vegetais e animais e na desagregação reversa dessas substâncias durante sua decomposição oxidativa (combustão, decomposição, respiração), levando para a formação de CO 2, que é utilizado novamente pelas plantas para síntese. O esquema geral deste ciclo poderia ser apresentado da seguinte forma:

Produção de carbono. Os compostos carbonáceos de origem vegetal e animal são instáveis ​​a altas temperaturas e, quando aquecidos a pelo menos 150-400°C sem acesso ao ar, decompõem-se, libertando água e compostos voláteis de carbono e deixando um resíduo sólido não volátil rico em carbono e geralmente chamado carvão. Este processo pirolítico é chamado de carbonização, ou destilação a seco, e é amplamente utilizado em tecnologia. A pirólise a alta temperatura de carvões fósseis, petróleo e turfa (a uma temperatura de 450-1150°C) leva à libertação de carbono na forma de grafite (coque, carvão de retorta). Quanto maior a temperatura de carbonização dos materiais de partida, mais próximo o carvão ou coque resultante estará do carbono livre em composição e da grafite em propriedades.

O carvão amorfo, formado a temperaturas abaixo de 800°C, não pode. nós o consideramos como carbono livre, porque contém quantidades significativas de outros elementos quimicamente ligados, cap. arr. hidrogênio e oxigênio. Dos produtos técnicos, o carvão ativado e a fuligem são os que mais se aproximam em propriedades do carbono amorfo. O carvão mais puro pode ser obtido por carbonização de açúcar puro ou piperonal, tratamento especial de fuligem de gás, etc. A grafite artificial, obtida por meios eletrotérmicos, tem composição quase pura de carbono. A grafite natural está sempre contaminada com impurezas minerais e também contém uma certa quantidade de hidrogênio (H) e oxigênio (O) ligados; em um estado relativamente puro, poderia. obtido somente após uma série de tratamentos especiais: enriquecimento mecânico, lavagem, tratamento com agentes oxidantes e calcinação a altas temperaturas até a completa remoção das substâncias voláteis. Na tecnologia do carbono nunca se lida com carbono completamente puro; Isto se aplica não apenas às matérias-primas naturais de carbono, mas também aos produtos de seu enriquecimento, valorização e decomposição térmica (pirólise). Abaixo está o teor de carbono de alguns materiais carbonáceos (em%):

Propriedades físicas do carbono. O carbono livre é quase completamente infusível, não volátil e, em temperaturas normais, insolúvel em qualquer um dos solventes conhecidos. Dissolve-se apenas em alguns metais fundidos, especialmente em temperaturas próximas do ponto de ebulição destes últimos: em ferro (até 5%), prata (até 6%) | rutênio (até 4%), cobalto, níquel, ouro e platina. Na ausência de oxigênio, o carbono é o material mais resistente ao calor; O estado líquido do carbono puro é desconhecido e sua transformação em vapor começa apenas em temperaturas acima de 3.000°C. Portanto, a determinação das propriedades do carbono foi realizada exclusivamente para o estado sólido de agregação. Das modificações do carbono, o diamante possui as propriedades físicas mais constantes; as propriedades do grafite em suas diversas amostras (mesmo as mais puras) variam significativamente; As propriedades do carvão amorfo são ainda mais variáveis. As constantes físicas mais importantes de várias modificações de carbono são comparadas na tabela.

O diamante é um dielétrico típico, enquanto o grafite e o carbono possuem condutividade elétrica metálica. Em valor absoluto, sua condutividade varia muito, mas para os carvões é sempre menor do que para as grafites; nas grafites, a condutividade dos metais reais se aproxima. A capacidade térmica de todas as modificações de carbono em temperaturas >1000°C tende a um valor constante de 0,47. A temperaturas abaixo de -180°C, a capacidade calorífica do diamante torna-se extremamente pequena e a -27°C torna-se praticamente zero.

Propriedades químicas do carbono. Quando aquecidos acima de 1000°C, tanto o diamante como o carvão transformam-se gradualmente em grafite, que portanto deve ser considerada como a forma monotrópica de carbono mais estável (a altas temperaturas). A transformação do carvão amorfo em grafite aparentemente começa por volta de 800°C e termina em 1100°C (neste último ponto, o carvão perde sua atividade de adsorção e capacidade de reativação, e sua condutividade elétrica aumenta acentuadamente, permanecendo quase constante no futuro). O carbono livre é caracterizado pela inércia em temperaturas normais e atividade significativa em altas temperaturas. O carvão amorfo é o mais quimicamente ativo, enquanto o diamante é o mais resistente. Por exemplo, o flúor reage com o carvão a uma temperatura de 15°C, com o grafite apenas a 500°C, e com o diamante a 700°C. Quando aquecido ao ar, o carvão poroso começa a oxidar abaixo de 100°C, o grafite a cerca de 650°C e o diamante acima de 800°C. A temperaturas de 300°C e superiores, o carvão combina-se com o enxofre para formar dissulfureto de carbono CS 2. Em temperaturas acima de 1800°C, o carbono (carvão) começa a interagir com o nitrogênio, formando (em pequenas quantidades) cianogênio C 2 N 2. A interação do carbono com o hidrogênio começa a 1200°C, e na faixa de temperatura de 1200-1500°C apenas o metano CH 4 é formado; acima de 1500°C - uma mistura de metano, etileno (C 2 H 4) e acetileno (C 2 H 2); a temperaturas da ordem de 3000°C obtém-se quase exclusivamente acetileno. Na temperatura do arco elétrico, o carbono entra em combinação direta com metais, silício e boro, formando os carbonetos correspondentes. Maneiras diretas ou indiretas podem. foram obtidos compostos de carbono com todos os elementos conhecidos, exceto gases do grupo zero. O carbono é um elemento não metálico que apresenta alguns sinais de anfotericidade. O átomo de carbono tem um diâmetro de 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) e contém na esfera externa 4 elétrons de valência, que são igualmente facilmente cedidos ou adicionados a 8; portanto, a valência normal do carbono, tanto do oxigênio quanto do hidrogênio, é quatro. Na grande maioria dos seus compostos, o carbono é tetravalente; Apenas um pequeno número de compostos de carbono divalente (monóxido de carbono e seus acetais, isonitrilas, ácido fulminato e seus sais) e carbono trivalente (o chamado “radical livre”) é conhecido.

Com o oxigênio, o carbono forma dois óxidos normais: dióxido de carbono ácido CO 2 e monóxido de carbono neutro CO. Além disso, há um número subóxidos de carbono contendo mais de 1 átomo de C e sem significado técnico; Destes, o mais conhecido é o subóxido de composição C 3 O 2 (um gás com ponto de ebulição de +7 ° C e ponto de fusão de -111 ° C). O primeiro produto da combustão do carbono e seus compostos é o CO 2, formado de acordo com a equação:

C+O 2 = CO 2 +97600 cal.

A formação de CO durante a combustão incompleta do combustível é resultado de um processo de redução secundária; O agente redutor neste caso é o próprio carbono, que em temperaturas acima de 450°C reage com o CO 2 de acordo com a equação:

CO 2 +C = 2СО -38800 cal;

esta reação é reversível; acima de 950°C, a conversão de CO 2 em CO torna-se quase completa, o que é realizado em fornos geradores de gás. A capacidade redutora energética do carbono em altas temperaturas também é utilizada na produção de gás água (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) e em processos metalúrgicos para obtenção de metal livre a partir de seu óxido. As formas alotrópicas de carbono reagem de maneira diferente à ação de alguns agentes oxidantes: por exemplo, uma mistura de KCIO 3 + HNO 3 não tem nenhum efeito sobre o diamante, o carvão amorfo é completamente oxidado em CO 2, enquanto a grafite produz compostos aromáticos - ácidos grafíticos com a fórmula empírica (C 2 OH) x em diante ácido melítico C 6 (COOH) 6 . Os compostos de carbono com hidrogênio - hidrocarbonetos - são extremamente numerosos; a partir deles, a maioria dos outros compostos orgânicos são produzidos geneticamente, que, além do carbono, na maioria das vezes incluem H, O, N, S e halogênios.

A excepcional diversidade de compostos orgânicos, dos quais são conhecidos até 2 milhões, deve-se a certas características do carbono como elemento. 1) O carbono é caracterizado por uma forte ligação química com a maioria dos outros elementos, tanto metálicos quanto não metálicos, devido à qual forma compostos bastante estáveis ​​com ambos. Quando se combina com outros elementos, o carbono tem muito pouca tendência para formar íons. A maioria dos compostos orgânicos são do tipo homeopolar e não se dissociam em condições normais; A quebra de ligações intramoleculares neles geralmente requer o gasto de uma quantidade significativa de energia. Ao julgar a força das conexões, deve-se, contudo, distinguir; a) força de ligação absoluta, medida termoquimicamente, eb) capacidade da ligação se romper sob a influência de vários reagentes; essas duas características nem sempre coincidem. 2) Os átomos de carbono ligam-se entre si com excepcional facilidade (apolares), formando cadeias de carbono, abertas ou fechadas. A extensão dessas cadeias aparentemente não está sujeita a quaisquer restrições; Assim, são conhecidas moléculas bastante estáveis ​​com cadeias abertas de 64 átomos de carbono. O alongamento e a complexidade das cadeias abertas não afetam a força da conexão de seus elos entre si ou com outros elementos. Entre as cadeias fechadas, os anéis de 6 e 5 membros são mais facilmente formados, embora sejam conhecidas cadeias em anel contendo de 3 a 18 átomos de carbono. A capacidade dos átomos de carbono de se interconectarem explica bem as propriedades especiais do grafite e o mecanismo dos processos de carbonização; também deixa claro o fato de que o carbono é desconhecido na forma de moléculas diatômicas de C 2, o que poderia ser esperado por analogia com outros elementos leves não metálicos (na forma de vapor, o carbono consiste em moléculas monoatômicas). 3) Devido à natureza apolar das ligações, muitos compostos de carbono apresentam inércia química não apenas externamente (lentidão de reação), mas também internamente (dificuldade de rearranjos intramoleculares). A presença de grandes “resistências passivas” complica muito a transformação espontânea de formas instáveis ​​em estáveis, muitas vezes reduzindo a taxa de tal transformação a zero. O resultado disto é a possibilidade de realizar um grande número de formas isoméricas que são quase igualmente estáveis ​​em temperaturas normais.

Alotropia e estrutura atômica do carbono . A análise de raios X permitiu estabelecer com segurança a estrutura atômica do diamante e da grafite. O mesmo método de investigação esclarece a questão da existência de uma terceira modificação alotrópica do carbono, que é essencialmente uma questão sobre a amorfa ou cristalinidade do carvão: se o carvão é uma formação amorfa, então não pode. não é identificado nem com a grafite nem com o diamante, mas deve ser considerado como uma forma especial de carbono, como uma substância simples e individual. No diamante, os átomos de carbono estão dispostos de tal forma que cada átomo fica no centro de um tetraedro, cujos vértices são 4 átomos adjacentes; cada um destes, por sua vez, é o centro de outro tetraedro semelhante; as distâncias entre átomos adjacentes são 1,54 Ᾰ (a borda de um cubo elementar da rede cristalina é 3,55 Ᾰ). Esta estrutura é a mais compacta; corresponde à alta dureza, densidade e inércia química do diamante (distribuição uniforme das forças de valência). A conexão mútua dos átomos de carbono na rede do diamante é a mesma que nas moléculas da maioria dos compostos orgânicos da série gordurosa (modelo tetraédrico de carbono). Nos cristais de grafite, os átomos de carbono estão dispostos em camadas densas, espaçadas de 3,35 a 3,41 Ᾰ umas das outras; a direção dessas camadas coincide com os planos de clivagem e planos de deslizamento durante as deformações mecânicas. No plano de cada camada, os átomos formam uma grade com células hexagonais (empresas); o lado desse hexágono é 1,42-1,45 Ᾰ. Nas camadas adjacentes, os hexágonos não ficam um abaixo do outro: sua coincidência vertical se repete somente após 2 camadas na terceira. As três ligações de cada átomo de carbono estão no mesmo plano, formando ângulos de 120°; A 4ª ligação é direcionada alternadamente em uma direção ou outra do plano para os átomos das camadas vizinhas. As distâncias entre os átomos em uma camada são estritamente constantes, mas a distância entre as camadas individuais pode ser alterado por influências externas: por exemplo, quando pressionado sob pressão de até 5.000 atm, diminui para 2,9 Ᾰ, e quando a grafite incha em HNO 3 concentrado, aumenta para 8 Ᾰ. No plano de uma camada, os átomos de carbono estão ligados homeopolarmente (como nas cadeias de hidrocarbonetos), mas as ligações entre os átomos das camadas adjacentes são de natureza bastante metálica; isso é evidente pelo fato de que a condutividade elétrica dos cristais de grafite na direção perpendicular às camadas é ~100 vezes maior que a condutividade na direção da camada. Que. a grafite tem as propriedades de um metal em uma direção e as propriedades de um não metal na outra. O arranjo dos átomos de carbono em cada camada da rede de grafite é exatamente o mesmo que nas moléculas de compostos aromáticos nucleares complexos. Esta configuração explica bem a acentuada anisotropia da grafite, a clivagem excepcionalmente desenvolvida, as propriedades antifricção e a formação de compostos aromáticos durante a sua oxidação. A modificação amorfa do carbono negro aparentemente existe como uma forma independente (O. Ruff). Para isso, o mais provável é uma estrutura celular espumosa, desprovida de qualquer regularidade; as paredes dessas células são formadas por camadas de átomos ativos carbono cerca de 3 átomos de espessura. Na prática, a substância ativa do carvão geralmente fica sob uma camada de átomos de carbono inativos estreitamente espaçados, orientados graficamente, e é penetrada por inclusões de cristalitos de grafite muito pequenos. Provavelmente não há um ponto específico de transformação de carvão → grafite: entre ambas as modificações há uma transição contínua, durante a qual a massa aglomerada aleatoriamente de átomos de carbono de carvão amorfo é transformada em uma rede cristalina regular de grafite. Devido ao seu arranjo aleatório, os átomos de carbono no carvão amorfo exibem uma afinidade residual máxima, que (de acordo com as ideias de Langmuir sobre a identidade das forças de adsorção com as forças de valência) corresponde à alta adsorção e atividade catalítica tão característica do carvão. Os átomos de carbono orientados na rede cristalina gastam toda a sua afinidade (no diamante) ou a maior parte dela (no grafite) na adesão mútua; Isto corresponde a uma diminuição na atividade química e na atividade de adsorção. No diamante, a adsorção só é possível na superfície de um único cristal, enquanto na grafite a valência residual pode aparecer em ambas as superfícies de cada rede plana (nas “fissuras” entre as camadas de átomos), o que é confirmado pelo fato de que a grafite pode inchar em líquidos (HNO 3) e o mecanismo de sua oxidação em ácido grafítico.

Significado técnico do carbono. Quanto a b. ou m. de carbono livre obtido durante os processos de carbonização e coque, então seu uso em tecnologia é baseado tanto em suas propriedades químicas (inércia, capacidade redutora) quanto em suas propriedades físicas (resistência ao calor, condutividade elétrica, capacidade de adsorção). Assim, o coque e o carvão vegetal, além de sua utilização parcial direta como combustível sem chama, são utilizados para produzir combustível gasoso (gases geradores); na metalurgia de metais ferrosos e não ferrosos - para redução de óxidos metálicos (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); na tecnologia química - como agente redutor na produção de sulfetos (Na, Ca, Ba) a partir de sulfatos, sais de cloreto anidro (Mg, Al), a partir de óxidos metálicos, na produção de vidro solúvel e fósforo - como matéria-prima para a produção de carboneto de cálcio, carborundo e outros carbonetos de dissulfeto de carbono, etc.; na indústria da construção - como material isolante térmico. Carvão de retorta e coque servem como materiais para eletrodos de fornos elétricos, banhos eletrolíticos e células galvânicas, para fabricação de carvões de arco, reostatos, escovas comutadoras, cadinhos de fusão, etc., e também como bocal em equipamentos químicos tipo torre. Além das aplicações acima, o carvão vegetal é utilizado para produzir monóxido de carbono concentrado, sais de cianeto, para a cimentação de aço, é amplamente utilizado como adsorvente, como catalisador para algumas reações sintéticas e, finalmente, é incluído na pólvora negra e outros explosivos. e composições pirotécnicas.

Determinação analítica de carbono. O carbono é determinado qualitativamente pela carbonização de uma amostra de uma substância sem acesso ao ar (o que não é adequado para todas as substâncias) ou, o que é muito mais confiável, por sua oxidação exaustiva, por exemplo, por calcinação em mistura com óxido de cobre, e a formação de CO 2 é comprovada por reações comuns. Para quantificar o carbono, uma amostra da substância é queimada em atmosfera de oxigênio; o CO 2 resultante é capturado por uma solução alcalina e determinado em peso ou volume usando métodos convencionais de análise quantitativa. Este método é adequado para determinar carbono não apenas em compostos orgânicos e carvões técnicos, mas também em metais.