UHLÍK: VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, ZÍSKAVANIE, POUŽITIA - CHÉMIA - 2026

Uhlík je non - kovový chemický prvok, ktorého chemická značka je C pomenované po uhlí, rastlinné alebo minerálne, kde jeho atómy definovať rôzne štruktúry. Mnohí autori ho označujú za kráľa prvkov, pretože tvorí širokú škálu organických a anorganických zlúčenín a vyskytuje sa tiež v značnom počte alotrópov.

A ak to nestačí na to, aby sa to označovalo ako osobitný prvok, nachádza sa u všetkých živých bytostí; všetky jeho biomolekuly vďačia za svoju existenciu stabilite a pevnosti väzieb CC a ich vysokej tendencii zreťaziť. Uhlík je prvkom života a jeho atómy sú stavané.

Drevo stromov sa skladá hlavne z uhľohydrátov, jednej z mnohých zlúčenín bohatých na uhlík. Zdroj: Pexels.

Organické zlúčeniny, s ktorými sú biomateriály budované, prakticky pozostávajú z uhlíkových skeletov a heteroatómov. To je možné vidieť voľným okom v lese stromov; a tiež, keď na ne zasiahne blesk a opečie ich. Zvyšná inertná čierna tuhá látka má tiež uhlík; ale je to uhlie.

Existujú teda „mŕtve“ prejavy tohto prvku: uhlie, produkt spaľovania v prostrediach chudobných na kyslík; a minerálne uhlie, produkt geologických procesov. Obe pevné látky vyzerajú rovnako, sú čierne a horia, aby vytvorili teplo a energiu; hoci s rôznymi výťažkami.

Od tejto chvíle je uhlík 15. najhojnejším prvkom zemskej kôry. Niet divu, kedy sa ročne produkujú milióny ton uhlia. Tieto minerály sa líšia svojimi vlastnosťami v závislosti od stupňa nečistôt, čo predstavuje antracit ako najkvalitnejšie minerálne uhlie.

Zemská kôra je bohatá nielen na minerálne uhlie, ale aj na uhličitany, najmä vápenec a dolomit. Pokiaľ ide o vesmír, je to štvrtý najhojnejší prvok; Myslím, že na iných planétach je viac uhlíka.

História uhlíka

Retrospect

Uhlík môže byť rovnako starý ako samotná zemská kôra. Od nepamäti sa s týmto prvkom stretávali starodávne civilizácie v mnohých prírodných prezentáciách: sadze, drevené uhlie, drevené uhlie, drevené uhlie, diamanty, grafit, uhoľný decht, antracit atď.

Všetky tieto pevné látky, aj keď zdieľali tmavé odtiene (s výnimkou diamantu), ostatné ich fyzikálne vlastnosti, ako aj ich zloženie, sa výrazne líšili. Vtedy nebolo možné tvrdiť, že v podstate pozostávali z atómov uhlíka.

Bolo to tak, že v celej histórii bolo uhlie klasifikované podľa jeho kvality v čase spaľovania a poskytovania tepla. A s plynmi vznikajúcimi pri jeho spaľovaní sa ohrievali vodné hmoty, ktoré zase produkovali výpary, ktoré pohybovali turbínami, ktoré generovali elektrické prúdy.

Uhlie neočakávaným spôsobom bolo prítomné v drevenom uhlí produkovanom spaľovaním stromov v uzavretých alebo hermetických priestoroch; v grafite, pomocou ktorého boli ceruzky vyrobené; v diamantoch používaných ako drahokamy; bol zodpovedný za tvrdosť ocele.

Jeho história ide ruka v ruke s drevom, strelným prachom, plynmi pre mestské osvetlenie, vlakmi a loďami, pivom, mazivami a ďalšími základnými predmetmi pre rozvoj ľudstva.

uznanie

V akom okamihu vedci dokázali spojiť allotropy a minerály uhlíka s rovnakým prvkom? Uhlie sa považovalo za minerál a nepovažovalo sa to za chemický prvok hodný periodickej tabuľky. Prvým krokom by malo byť ukázať, že všetky tieto pevné látky boli transformované do rovnakého plynu: oxid uhličitý, CO ₂ .

Antoine Lavoisier v roku 1772 pomocou dreveného rámu s veľkými šošovkami sústredil slnečné lúče na vzorky aktívneho uhlia a diamantu. Zistil, že ani jeden z nich tvorili vodnej pary, ale CO ₂ . To isté urobil s sadzami a dosiahol rovnaké výsledky.

Carl Wilhelm Scheele v roku 1779 zistil chemický vzťah medzi aktívnym uhlím a grafitom; to znamená, že obe pevné látky boli zložené z rovnakých atómov.

Smithson Tennant a William Hyde Wollaston v roku 1797 metodicky overili (prostredníctvom reakcií), že diamant sa pri spaľovaní CO ₂ skutočne skladal z uhlíka .

S týmito výsledkami bolo čoskoro hodené svetlo na grafit a diamant, tuhé látky tvorené uhlíkom, a preto mali vysokú čistotu; na rozdiel od nečistých tuhých látok uhlia a iných uhlíkatých minerálov.

vlastnosti

Fyzikálne alebo chemické vlastnosti nájdené v pevných látkach, mineráloch alebo uhlíkatých materiáloch podliehajú mnohým premenným. Medzi ne patrí: zloženie alebo stupeň nečistôt, hybridizácia atómov uhlíka, rozmanitosť štruktúr a morfológia alebo veľkosť pórov.

Pri popisovaní vlastností uhlíka je väčšina textov alebo bibliografických zdrojov založená na grafite a diamantu.

Prečo? Pretože sú najznámejšími allotropmi pre tento prvok a predstavujú tuhé látky alebo materiály vysokej čistoty; to znamená, že sú prakticky vyrobené iba z atómov uhlíka (hoci s rôznymi štruktúrami, ako bude vysvetlené v nasledujúcej časti).

Vlastnosti dreveného uhlia a minerálneho uhlia sa líšia v ich pôvode alebo zložení. Napríklad hnedé uhlie (s nízkym obsahom uhlíka) sa ako palivo plazí v porovnaní s antracitom (s vysokým obsahom uhlíka). A čo ďalšie allotropy: nanotrubice, fullerény, grafény, graffíny atď.

Avšak chemicky majú jedno spoločné: sú oxidovať s prebytkom kyslíka v CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Teraz sú rýchlosť alebo teplota, ktorú potrebujú na oxidáciu, špecifické pre každú z týchto alotrópov.

Grafit vs diamant

Tu sa tiež stručne vyjadria veľmi odlišné vlastnosti týchto dvoch alotrópov:

Tabuľka, v ktorej sa porovnávajú niektoré vlastnosti dvoch kryštalických alotrópov uhlíka. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

hybridizácia

Vzťah medzi hybridnými orbitálmi a možnými štruktúrami uhlíka. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Konfigurácia elektrónu pre atóm uhlíka, 1s ² 2s ² 2p ² , písané aj ako 2s ² 2p ² (horný obrázok). Toto znázornenie zodpovedá jeho základnému stavu: atóm uhlíka sa izoloval a suspendoval v takom vákuu, že nemôže interagovať s ostatnými.

Je vidieť, že na jednom z jeho 2p orbitálov chýba elektrón, ktorý prijíma elektrón z orbitálu s nízkou energiou 2s prostredníctvom elektronickej propagácie; a tým, atóm získava schopnosť tvoriť až štyri kovalentných väzieb prostredníctvom štyroch sp ³ hybridný orbitály .

Všimnite si, že všetky štyri obežnice Sp ³ sú energeticky degenerované (zarovnané na rovnakej úrovni). Čisté orbitaly sú energetickejšie, preto sú umiestnené nad ostatnými hybridnými orbitálmi (napravo od obrázka).

Ak existujú tri hybridné orbitály, je to preto, že zostáva jeden nehybridizovaný orbitál; preto sú to obežné dráhy troch sp ² . A keď existujú dva z týchto hybridných orbitálov, sú k dispozícii dva p orbitaly na vytvorenie dvojitých alebo trojitých väzieb, čo je hybridizácia sp uhlíka.

Takéto elektronické aspekty sú nevyhnutné na pochopenie toho, prečo sa uhlík nachádza v nekonečných množstvách alotrópov.

Oxidačné čísla

Pred pokračovaním sa štruktúrami, stojí za zmienku, že vzhľadom na elektrónová konfigurácia valenčných 2s ² 2p ² , uhlík môže mať nasledujúce oxidačných čísel: 4, 2, 0, -2 a -4.

Prečo? Tieto čísla zodpovedajú predpokladu, že existuje iónová väzba, takže ióny tvoria príslušné náboje; to znamená, že C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (nula), C ^2- a C ⁴ .

Aby uhlík mal kladné oxidačné číslo, musí stratiť elektróny; Aby to bolo možné, musí byť nevyhnutne naviazané na veľmi elektronegatívne atómy (napríklad kyslík).

Medzitým, aby uhlík mal záporné oxidačné číslo, musí získavať elektróny väzbou na atómy kovu alebo menej elektronegatívnejšie ako vodík (napríklad vodík).

Prvé oxidačné číslo +4 znamená, že uhlík stratil všetky svoje valenčné elektróny; obežníky 2s a 2p zostávajú prázdne. Ak 2p obežná dráha stratí svoje dva elektróny, uhlík bude mať oxidačné číslo +2; ak získate dva elektróny, budete mať -2; a ak získate ďalšie dva elektróny vyplnením valenčného oktetu, -4.

Príklady

Napríklad pre CO ₂ sa počet oxidácia uhlíka je 4 (pretože kyslík je viac elektronegativní); zatiaľ čo pre CH ₄ , je -4 (pretože vodík je menej elektronegativní).

Pre CH ₃ OH, číslo oxidácia uhlíka je -2 (1 H pre a -2 pre O); pokiaľ ide o HCOOH, je to +2 (skontrolujte, či suma dáva 0).

Iné oxidačné stavy, ako sú -3 a +3, sú tiež pravdepodobné, najmä pokiaľ ide o organické molekuly; napríklad v metyl skupín, -CH ₃ .

Molekulárne geometrie

Horný obrázok ukázal nielen hybridizáciu orbitálov pre atóm uhlíka, ale tiež výsledné molekulárne geometrie, keď bolo niekoľko atómov (čierne gule) spojené s centrálnym. Tento centrálny atóm, ktorý má v priestore špecifické geometrické prostredie, musí mať príslušnú chemickú hybridizáciu, ktorá mu to umožňuje.

Napríklad pre štvorstena centrálne uhlík má SP ³ hybridizácia ; pretože taký je najstabilnejší usporiadanie pre štyri sp ³ hybridný orbitály . V prípade atómov uhlíka sp ² môžu tvoriť dvojité väzby a mať prostredie trigonálnej roviny; a preto tieto trojuholníky definujú dokonalý šesťuholník. A pre hybridizáciu sp majú uhlíky lineárnu geometriu.

Geometria pozorovaná v štruktúrach všetkých alotrópov sa teda jednoducho riadi tetrahedrou (sp ³ ), hexagónmi alebo pentagónmi (sp ² ) a čiarami (sp).

Tetrahedra definuje 3D štruktúru, zatiaľ čo šesťuholníky, päťuholníky a čiary, 3D alebo 2D štruktúry; Jedná sa o roviny alebo listy podobné stenám voštín:

Stena so šesťuholníkovými vzormi voštiny analogicky k rovinám zloženým z uhlíkov sp2. Zdroj: Pixabay.

Ak zložíme túto šesťuholníkovú stenu (päťuholníkovú alebo zmiešanú), získame trubicu (nanorúrky) alebo guľu (fullerény) alebo inú postavu. Interakcie medzi týmito číslami vedú k rôznym morfológiám.

Amorfné alebo kryštalické pevné látky

Ak necháme stranou geometriu, hybridizáciu alebo morfológiu možných štruktúr uhlíka, jej pevné látky sa dajú globálne rozdeliť na dva typy: amorfný alebo kryštalický. A medzi týmito dvoma klasifikáciami sú distribuované ich alotrópy.

Amorfný uhlík je jednoducho taký, ktorý predstavuje ľubovoľnú zmes tetraedry, šesťuholníkov alebo čiar, ktoré nedokážu vytvoriť štruktúrny vzorec; ako je to uhlie, drevené uhlie alebo aktívne uhlie, koks, sadze atď.

Kým kryštalický uhlík pozostáva zo štruktúrnych vzorov vytvorených z ktorejkoľvek z navrhovaných geometrií; napríklad diamant (trojrozmerná sieť štvorstena) a grafit (stohované šesťuholníkové listy).

získanie

Uhlík môže byť čistý ako grafit alebo diamant. Nachádza sa v ich príslušných mineralogických ložiskách roztrúsených po celom svete av rôznych krajinách. Preto sú niektoré krajiny vývozcami jedného z týchto minerálov viac ako iné. Stručne povedané, „musíte vykopať zeminu“, aby ste dostali uhlík.

To isté platí pre minerálne uhlie a jeho druhy. To však nie je prípad dreveného uhlia, pretože telo bohaté na uhlík musí najprv „zahynúť“, buď pod ohňom alebo elektrickým bleskom; Samozrejme, v neprítomnosti kyslíka, inak CO ₂ sa uvoľní .

Celý les je zdrojom uhlíka ako uhlie; nielen pre svoje stromy, ale aj pre svoju faunu.

Vzorky obsahujúce uhlík sa vo všeobecnosti musia podrobiť pyrolýze (spaľovanie v neprítomnosti kyslíka), aby sa uvoľnili niektoré nečistoty ako plyny; a teda tuhá látka bohatá na uhlík (amorfný alebo kryštalický) zostáva ako zvyšok.

aplikácia

Opäť, rovnako ako vlastnosti a štruktúra, sú použitia alebo aplikácie v súlade s allotropmi alebo mineralogickými formami uhlíka. Existujú však určité všeobecné prvky, ktoré je možné spomenúť okrem niektorých známych bodov. Sú to:

- Uhlík sa už dlho používa ako minerálne redukčné činidlo pri získavaní čistých kovov; napríklad železo, kremík a fosfor.

-Je to základný kameň života a organická chémia a biochémia sú štúdie tejto reflexie.

-Je to tiež fosílne palivo, ktoré umožnilo prvým strojom naštartovať prevodový stupeň. Rovnakým spôsobom sa z toho získal uhlíkový plyn pre staré osvetľovacie systémy. Uhlie bolo synonymom svetla, tepla a energie.

- Zmiešané ako prísada so železom v rôznych pomeroch umožnilo vynález a zlepšenie ocelí.

- V umení sa odohrávala čierna farba, najmä grafit a všetky spisy vytvorené s jej čiarami.

Riziká a bezpečnostné opatrenia

Uhlík a jeho tuhé látky nepredstavujú žiadne zdravotné riziko. Kto sa staral o vrece s uhlím? Predávajú sa v húfoch v uličkách niektorých trhov a pokiaľ nie je v blízkosti oheň, ich čierne bloky nebudú horieť.

Koks na druhej strane môže predstavovať riziko, ak je jeho obsah síry vysoký. Keď horí, uvoľňuje sírne plyny, ktoré okrem toho, že sú toxické, prispievajú k kyslému dažďu. Hoci nás CO ₂ v malom množstve nemôže udusiť, má obrovský vplyv na životné prostredie ako skleníkový plyn.

Z tohto hľadiska je uhlík „dlhodobým“ nebezpečenstvom, pretože jeho spaľovanie mení klímu našej planéty.

Vo fyzickejšom zmysle sa tuhé alebo uhlíkaté materiály, ak sú rozdrvené na prášok, ľahko prepravujú vzdušnými prúdmi; a následne sa dostanú priamo do pľúc, čo ich môže nenapraviteľne poškodiť.

Pokiaľ ide o zvyšok, je veľmi bežné konzumovať „uhlie“, keď sa varí nejaké jedlo.

Referencie

1. Morrison, RT a Boyd, R., N. (1987). Organická chémia. 5. vydanie. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organická chémia. (Šieste vydanie). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chémia. Amíny. (10. vydanie.). Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Uhlík, jeho allotropy a štruktúry. Získané z: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Coal. Vysvetlenie chémie. Obnovené z: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11. júla 2018). 10 Uhlíkové fakty (atómové číslo 6 alebo C). Získané z: thinkco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Čo je uhlík? - Fakty a história pre deti. Štúdia. Obnovené z: study.com
8. Follo. (SF). História uhlíka. Získané z: tf.uni-kiel.de