Ogleklis ir oglekļa atoms. Oglekļa masa

2024 Autors: Angel Austin | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 05:35

Viens no pārsteidzošākajiem elementiem, kas var veidot ļoti dažādus organiskas un neorganiskas dabas savienojumus, ir ogleklis. Šis elements ir tik neparasts savās īpašībās, ka pat Mendeļejevs prognozēja tam lielisku nākotni, runājot par iezīmēm, kas vēl nav izpaustas.

Vēlāk tas praktiski apstiprinājās. Kļuva zināms, ka tas ir mūsu planētas galvenais biogēnais elements, kas ir daļa no absolūti visām dzīvajām būtnēm. Turklāt spēj pastāvēt formās, kas visos aspektos ir radikāli atšķirīgas, bet tajā pašā laikā sastāv tikai no oglekļa atomiem.

Kopumā šai struktūrai ir daudz iezīmju, un mēs centīsimies tās aplūkot raksta gaitā.

Ogleklis: formula un pozīcija elementu sistēmā

Periodiskajā sistēmā elements ogleklis atrodas IV (saskaņā ar jauno modeli 14) grupā, galvenajā apakšgrupā. Tā sērijas numurs ir 6, un atomsvars ir 12 011. Elementa apzīmējums ar zīmi C norāda tā nosaukumu latīņu valodā - carboneum. Ir vairākas dažādas oglekļa formas. Tāpēc tā formula ir atšķirīga un ir atkarīga no konkrētās modifikācijas.

Tomēr reakcijas vienādojumu rakstīšanai apzīmējums ir specifisks,protams ir. Kopumā, runājot par vielu tīrā veidā, tiek pieņemta oglekļa C molekulārā formula bez indeksācijas.

Elementu atklāšanas vēsture

Pats šis elements ir zināms kopš senatnes. Galu galā viens no svarīgākajiem minerāliem dabā ir ogles. Tāpēc senajiem grieķiem, romiešiem un citām tautībām viņš nebija noslēpums.

Bez šīs šķirnes tika izmantoti arī dimanti un grafīts. Ar pēdējo ilgu laiku bija daudz mulsinošu situāciju, jo bieži vien bez sastāva analīzes grafītam tika ņemti tādi savienojumi kā:

• sudraba svins;
• dzelzs karbīds;
• molibdēna sulfīds.

Tie visi bija nokrāsoti melnā krāsā un tāpēc tika uzskatīti par grafītu. Vēlāk šis pārpratums tika noskaidrots, un šī oglekļa forma kļuva pati par sevi.

Kopš 1725. gada dimantiem ir liela komerciāla nozīme, un 1970. gadā tika apgūta to mākslīgās iegūšanas tehnoloģija. Kopš 1779. gada, pateicoties Karla Šēles darbam, ir pētītas oglekļa ķīmiskās īpašības. Tas bija sākums virknei svarīgu atklājumu šī elementa jomā un kļuva par pamatu visu tā unikālāko īpašību izzināšanai.

Oglekļa izotopi un izplatība dabā

Neskatoties uz to, ka attiecīgais elements ir viens no svarīgākajiem biogēnajiem, tā kopējais saturs zemes garozas masā ir 0,15%. Tas ir saistīts ar faktu, ka tas ir pakļauts pastāvīgai cirkulācijai, dabiskajam ciklam dabā.

Kopumā ir vairākiminerālu savienojumi, kas satur oglekli. Šīs ir tādas dabiskas šķirnes kā:

• dolomīti un kaļķakmeņi;
• antracīts;
• degslāneklis;
• dabasgāze;
• ogles;
• eļļa;
• lignīts;
• kūdra;
• bitumens.

Turklāt nevajadzētu aizmirst par dzīvām būtnēm, kas ir tikai oglekļa savienojumu krātuve. Galu galā tie veidoja olb altumvielas, taukus, ogļhidrātus, nukleīnskābes, kas nozīmē vissvarīgākās strukturālās molekulas. Kopumā, pārrēķinot sauso ķermeņa svaru no 70 kg, 15 nokrīt uz tīra elementa. Un tā tas ir ar katru cilvēku, nemaz nerunājot par dzīvniekiem, augiem un citām radībām.

Ja ņemam vērā gaisa un ūdens sastāvu, tas ir, hidrosfēru kopumā un atmosfēru, tad ir oglekļa-skābekļa maisījums, kas izteikts ar formulu CO_{2. Dioksīds vai oglekļa dioksīds ir viena no galvenajām gāzēm, kas veido gaisu. Šajā formā oglekļa masas daļa ir 0,046%. Vēl vairāk oglekļa dioksīda ir izšķīdis okeānu ūdeņos.}

Oglekļa kā elementa atommasa ir 12,011. Zināms, ka šo vērtību aprēķina kā vidējo aritmētisko vērtību starp visu dabā esošo izotopu sugu atomu svariem, ņemot vērā to izplatību (procentos).). Tas attiecas arī uz attiecīgo vielu. Ir trīs galvenie izotopi, kuros atrodams ogleklis. Tas ir:

• ¹²С - tā masas daļa lielākajā daļā ir 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - radioaktīvs, pussabrukšanas periods 5700 gadi, stabils beta izstarotājs.

Paraugu ģeohronoloģiskā vecuma noteikšanas praksē plaši tiek izmantots radioaktīvais izotops ¹⁴С, kas ir rādītājs tā ilgā sabrukšanas perioda dēļ.

Elementa alotropās modifikācijas

Ogleklis ir elements, kas pastāv kā vienkārša viela vairākos veidos. Tas ir, tas spēj veidot lielāko mūsdienās zināmo alotropo modifikāciju skaitu.

1. Kristāliskas variācijas - pastāv spēcīgu struktūru veidā ar regulāriem atomu tipa režģiem. Šajā grupā ietilpst tādas šķirnes kā:

• dimanti;
• fullerenes;
• grafīti;
• karabīnes;
• lonsdaleites;
• oglekļa šķiedras un caurules.

Tie visi atšķiras pēc kristāliskā režģa struktūras, kura mezglos atrodas oglekļa atoms. Līdz ar to pilnīgi unikālas, atšķirīgās īpašības, gan fizikālās, gan ķīmiskās.

2. Amorfās formas - tās veido oglekļa atoms, kas ir daļa no dažiem dabīgiem savienojumiem. Tas ir, tās nav tīras šķirnes, bet ar citu elementu piemaisījumiem nelielos daudzumos. Šajā grupā ietilpst:

• aktivētā ogle;
• akmens un koks;
• kvēpi;
• oglekļa nanoputas;
• antracīts;
• glassy carbon;
• tehniska veida viela.

Tos vieno arī pazīmeskristāla režģa struktūras, izskaidrojot un izpaužot īpašības.

3. Oglekļa savienojumi kopu veidā. Tāda struktūra, kurā atomi no iekšpuses ir noslēgti īpašā konformācijas dobumā, piepildīti ar ūdeni vai citu elementu kodoliem. Piemēri:

• oglekļa nanokonusi;
• astralens;
• dikarbons.

Amorfā oglekļa fizikālās īpašības

Alotropo modifikāciju daudzveidības dēļ ir grūti noteikt kādas kopīgas oglekļa fizikālās īpašības. Vieglāk ir runāt par konkrētu formu. Piemēram, amorfajam ogleklim ir šādas īpašības.

1. Visu formu pamatā ir smalki kristāliski grafīta veidi.
2. Augsta siltumietilpība.
3. Labas vadītspējas īpašības.
4. Oglekļa blīvums ir aptuveni 2 g/cm³.
5. Karsējot virs 1600 ⁰C, notiek pāreja uz grafīta formām.

Rūpnieciskos nolūkos plaši izmanto kvēpu, ogļu un akmens šķirnes. Tie nav oglekļa modifikācijas izpausme tīrā veidā, bet satur to ļoti lielos daudzumos.

Kristāliskā ogleklis

Ir vairākas iespējas, kurās ogleklis ir viela, kas veido regulārus dažāda veida kristālus, kur atomi ir savienoti virknē. Rezultātā veidojas šādas modifikācijas.

1. Dimants. Struktūra ir kubiska, kurā ir savienoti četri tetraedri. Rezultātā katra atoma visas kovalentās ķīmiskās saitesmaksimāli piesātināts un izturīgs. Tas izskaidro fizikālās īpašības: oglekļa blīvums ir 3300 kg/m³. Augsta cietība, zema siltumietilpība, elektrovadītspējas trūkums - tas viss ir kristāla režģa struktūras rezultāts. Ir tehniski iegūti dimanti. Tie veidojas grafīta pārejas laikā uz nākamo modifikāciju augstas temperatūras un noteikta spiediena ietekmē. Kopumā dimanta kušanas temperatūra ir tikpat augsta kā stiprums - aptuveni 3500 ⁰C.
2. Grafīts. Atomi izkārtojušies līdzīgi kā iepriekšējās vielas struktūrā, tomēr piesātinātas ir tikai trīs saites, un ceturtā kļūst garāka un mazāk stipra, savieno režģa sešstūra gredzenu "slāņus". Rezultātā izrādās, ka grafīts uz tausti ir mīksta, taukaina melna viela. Tam ir laba elektrovadītspēja un augsta kušanas temperatūra - 3525 ⁰C. Spēj sublimēt - sublimācija no cieta stāvokļa uz gāzveida stāvokli, apejot šķidro stāvokli (3700 ⁰С temperatūrā). Oglekļa blīvums ir 2,26 g/cm^3, , kas ir daudz mazāks nekā dimanta blīvums. Tas izskaidro to dažādās īpašības. Pateicoties kristāla režģa slāņainajai struktūrai, ir iespējams izmantot grafītu zīmuļu vadu izgatavošanai. Pārvelkot pāri papīram, pārslas nolobās un atstāj melnu zīmi uz papīra.
3. Fullerenes. Tie tika atvērti tikai pagājušā gadsimta 80. gados. Tās ir modifikācijas, kurās oglekli ir savstarpēji savienoti īpašā izliektā slēgtā struktūrā, kas atrodas centrātukšums. Un kristāla forma - daudzskaldnis, pareiza organizācija. Atomu skaits ir pāra. Slavenākā fullerēna forma ir С₆₀. Pētījuma laikā tika atrasti līdzīgas vielas paraugi:

• meteorīti;
• grunts nogulumi;
• folgurīts;
• šungīts;
• kosmosa, kur atrodas gāzu veidā.

Visām kristāliskā oglekļa šķirnēm ir liela praktiska nozīme, jo tām piemīt vairākas inženierzinātnēs noderīgas īpašības.

Reaktivitāte

Molekulārajam ogleklim ir zema reaktivitāte, pateicoties tā stabilai konfigurācijai. To var piespiest iesaistīties reakcijās, tikai piešķirot atomam papildu enerģiju un piespiežot ārējā līmeņa elektronus iztvaikot. Šajā brīdī valence kļūst par 4. Tāpēc savienojumos tā oksidācijas pakāpe ir + 2, + 4, - 4.

Praktiski visas reakcijas ar vienkāršām vielām, gan metāliem, gan nemetāliem, notiek augstas temperatūras ietekmē. Attiecīgais elements var būt gan oksidētājs, gan reducētājs. Tomēr pēdējās īpašības tajā ir īpaši izteiktas, un tas ir pamats tā izmantošanai metalurģijā un citās nozarēs.

Kopumā spēja iesaistīties ķīmiskā mijiedarbībā ir atkarīga no trim faktoriem:

• oglekļa dispersija;
• allotropiskā modifikācija;
• reakcijas temperatūra.

Tādējādi dažos gadījumos pastāv mijiedarbība ar tālāk norādītovielas:

• nemetāli (ūdeņradis, skābeklis);
• metāli (alumīnijs, dzelzs, kalcijs un citi);
• metālu oksīdi un to sāļi.

Nereaģē ar skābēm un sārmiem, ļoti reti ar halogēniem. Vissvarīgākā no oglekļa īpašībām ir spēja veidot garas ķēdes savā starpā. Tie var noslēgties ciklā, veidot zarus. Tādā veidā veidojas organiskie savienojumi, kuru skaits mūsdienās ir miljons. Šo savienojumu pamatā ir divi elementi - ogleklis, ūdeņradis. Var būt iekļauti arī citi atomi: skābeklis, slāpeklis, sērs, halogēni, fosfors, metāli un citi.

Galvenie savienojumi un to īpašības

Ir daudz dažādu savienojumu, kas satur oglekli. Slavenākā no tām formula ir CO₂ - oglekļa dioksīds. Taču papildus šim oksīdam ir arī CO – monoksīds jeb oglekļa monoksīds, kā arī suboksīds C₃O₂.

No sāļiem, kas satur šo elementu, visizplatītākie ir kalcija un magnija karbonāti. Tātad kalcija karbonātam nosaukumā ir vairāki sinonīmi, jo dabā tas sastopams šādā formā:

• krīts;
• marmors;
• kaļķakmens;
• dolomīts.

Sārmzemju metālu karbonātu nozīme izpaužas tajā, ka tie ir aktīvi stalaktītu un stalagmītu, kā arī gruntsūdeņu veidošanās dalībnieki.

Ogļskābe ir vēl viens savienojums, kas veido oglekli. Tās formula irH₂CO₃. Tomēr parastajā formā tas ir ārkārtīgi nestabils un šķīdumā nekavējoties sadalās oglekļa dioksīdā un ūdenī. Tāpēc kā šķīdums ir zināmi tikai tā sāļi, nevis paši par sevi.

Oglekļa halogenīdi - tiek iegūti galvenokārt netieši, jo tiešā sintēze notiek tikai ļoti augstās temperatūrās un ar zemu produkta iznākumu. Viens no izplatītākajiem - CCL₄ - tetrahlorogleklis. Toksisks savienojums, kas ieelpojot var izraisīt saindēšanos. Iegūst ūdeņraža atomu radikālas fotoķīmiskās aizvietošanas reakcijās metānā.

Metālu karbīdi ir oglekļa savienojumi, kuros tā oksidācijas pakāpe ir 4. Ir iespējamas arī asociācijas ar boru un silīciju. Dažu metālu (alumīnija, volframa, titāna, niobija, tantala, hafnija) karbīdu galvenā īpašība ir augsta izturība un lieliska elektrovadītspēja. Bora karbīds В₄С ir viena no cietākajām vielām pēc dimanta (9,5 pēc Mosa). Šos savienojumus izmanto inženierzinātnēs, kā arī ķīmiskajā rūpniecībā kā avotus ogļūdeņražu ražošanai (kalcija karbīds kopā ar ūdeni izraisa acetilēna un kalcija hidroksīda veidošanos).

Daudzi metālu sakausējumi tiek izgatavoti, izmantojot oglekli, tādējādi ievērojami uzlabojot to kvalitāti un tehniskos parametrus (tērauds ir dzelzs un oglekļa sakausējums).

Īpaša uzmanība ir pelnījusi daudzus organiskos oglekļa savienojumus, kuros tas ir pamatelements, kas spēj apvienoties ar vieniem un tiem pašiem atomiem dažādu struktūru garās ķēdēs. Tie ietver:

• alkāni;
• alkēni;
• arēnas;
• proteīni;
• ogļhidrāti;
• nukleīnskābes;
• alkoholi;
• karbonskābes un daudzas citas vielu klases.

Oglekļa izmantošana

Oglekļa savienojumu un to alotropo modifikāciju nozīme cilvēka dzīvē ir ļoti liela. Varat nosaukt dažas no globālākajām nozarēm, lai būtu skaidrs, ka tā ir taisnība.

1. Šis elements veido visu veidu fosilo kurināmo, no kuriem cilvēks saņem enerģiju.
2. Metalurģijas rūpniecība izmanto oglekli kā spēcīgāko reducētāju, lai iegūtu metālus no to savienojumiem. Šeit plaši izmanto arī karbonātus.
3. Būvniecība un ķīmiskā rūpniecība patērē milzīgu daudzumu oglekļa savienojumu, lai sintezētu jaunas vielas un iegūtu nepieciešamos produktus.

Varat arī nosaukt tādas tautsaimniecības nozares kā:

• kodolrūpniecība;
• juvelierizstrādājumi;
• tehniskais aprīkojums (smērvielas, karstumizturīgi tīģeļi, zīmuļi utt.);
• iežu ģeoloģiskā vecuma noteikšana - radioaktīvais marķieris ¹⁴С;
• ogleklis ir lielisks adsorbents, tāpēc tas ir piemērots filtru izgatavošanai.

Cirkulācija dabā

Dabā sastopamā oglekļa masa ir iekļauta pastāvīgā ciklā, kas ik sekundi riņķo apkārt pasaulei. Tādējādi tiek absorbēts atmosfēras oglekļa avots CO₂augiem un to izdala visas dzīvās būtnes elpošanas procesā. Nokļūstot atmosfērā, tas atkal tiek absorbēts, un tāpēc cikls neapstājas. Tajā pašā laikā organisko atlieku nāve izraisa oglekļa izdalīšanos un tā uzkrāšanos zemē, no kurienes to atkal absorbē dzīvie organismi un izdala atmosfērā gāzes veidā.