Презентация "Карбон" по химии – проект, доклад

Карбон

Карбон (С) або вуглець — хімічний елемент з атомним номером 6. Позначається С, належить до поширених елементів земної кори, складаючи близько 0,1% її маси. Сполуки вуглецю є основою всіх живих організмів.

Вуглець - речовина з найбільшим числом алотропічних модифікацій.

Природні: ●алмаз ●графіт ●лонсдейліт ●фулерен ●вуглецеві нанотрубки Штучні: ●карбіт ●лантануїд ●графен ●карботоменупрофіт ●бінотроксіцин ●аморфний вуглець у вигляді сажі і деревного вугілля.

Вуглець утворює декілька алотропних видозмін:

Відомі чотири кристалічні модифікації карбрну: графіт, алмаз, карбін і лонсдейліт

Графіт

Графіт - сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, дуже м'яка маса з металевим блиском. При кімнатній температурі і нормальному тиску (0,1 Мн/м2, або 1кгс/см2) графіт термодинамично стабільний. . При атмосферному тиску і температурі біля 3700°С графіт переганяється.

Алмаз

Алмаз - дуже тверда, кристалічна речовина. Кристали мають кубічні межацентрировані ґрати: а=3,560. При кімнатній температурі і нормальному тиску алмаз метастабільний. Помітне перетворення алмаза в графіт спостерігається при температурах вище за 1400°С у вакуумі або в інертній атмосфері.

Рідкий карбон може бути отриманий при тиску вище за 10,5 Мн/м2 (1051 кгс/см2) і температурах вище за 3700(З. Для твердого вуглеводу (кокс, сажа, деревне вугілля) характерно також стан з неврегульованою структурою “аморфний" вуглевод, який не являє собою самостійної модифікації; в основі його будови лежить структура мелкокристаллического графіту. Нагрівання деяких різновидів “аморфного" вуглеводу вище за 1500-1600(З без доступу повітря викликає їх перетворення в графіт. Фізичні властивості “аморфного" вуглеводу дуже сильно залежать від дисперсності часток і наявності домішок. Щільність, теплоємність, теплопровідність і електропровідність “аморфного" вуглеводу завжди вище, ніж графіту. Карбін отриманий штучно. Він являє собою мелкокристаллический порошок чорного кольору (щільність 1,9 - 2 г/см3). Побудований з довгих ланцюжків атомів С, укладених паралельно один одному. Лонсдейліт знайдений в метеоритах і отриманий штучно; його структура і властивості остаточно не встановлені.

Хімічні властивості:

Хімічна активність різних алотропних видозмін вуглецю різна. Алмаз і графіт майже не вступають в хімічні реакції. Вони можуть реагувати лише з чистим киснем і тільки за дуже високої температури. Аморфний вуглець, а також вугілля за звичайної температури досить інертні, але при сильному нагріванні їх активність різко зростає і вуглець безпосередньо сполучається з багатьма елементами. Так, при нагріванні на повітрі вугілля горить, утворюючи діоксид вуглецю C + O2 = CO2 При недостатньому доступі кисню повітря він частково згоряє до монооксиду вуглецю CO, в якому вуглець двовалентний: 2C + O2 = 2CO Коли через розжарене вугілля пропускати пари сірки, то утворюється сіковуглець: C + 2S = CS2 При високій температурі вугілля досить сильний відновник. Воно віднімає кисень від оксидів багатьох металів. Наприклад: 2CuO + C = 2Cu + CO2↑ Через цю здатність, вугілля широко застосовують у металургії для добування металів із руд. Ступені окислення +4, −4, рідко +2 (З, карбіди металів), +3 (C2N2, галогенциани); спорідненість до електрона 1,27 еВ; енергія іонізації при послідовному переході від С0 до С4+ відповідно 11,2604, 24,383, 47,871 і 64,19 еВ. Органічні сполуки Завдяки здатності вуглецю утворювати полімерні ланцюжки , існує величезний клас з'єднань на основі вуглецю, яких значно більше, ніж неорганічних. Найбільші групи: вуглеводні, білки, жири та ін.

Конфігурація зовнішньої оболонки атома карбону 2s22p2 . Для карбону характерне утворення чотирьох ковалентних зв'язків, зумовлене збудження зовнішньої електронної оболонки до стану 2sp3. Тому карбон здатний в рівній мірі як притягати, так і віддавати електрони. У сполуках карбон проявляє ступені окислення -4; +2; +4. Атомний радіус 0,77Á, ковалентні радіуси 0,77Á, 0,67Á, 0,60Á відповідно в одинарному, подвійному і потрійному зв'язках; іонної радіус С4- 2,60А, С4+ 0,20А. При звичайних умовах карбон хімічно інертний, при високих температурах він сполучається з багатьма елементами, виявляючи сильні відновні властивості.

Всі форми карбону стійкі до лугів і кислот і повільно окислюються тільки дуже сильними окислювачами “Аморфний" карбон реагує з фтором при кімнатній температурі, графіт і алмаз - при нагріванні. При температурах вище за 1000°С карбон взаємодіє з багатьма металами, даючи карбіди. Всі форми карбону при нагріванні відновлюють оксиди металів з утворенням вільних металів (Zn, Cd, Cu, Pb і інш.) або карбідів (CaC2, Mo2C, WC, TaC і інш.). Карбон реагує при температурах вище за 600 - 800°С з водяною парою і оксидои карбону (IV) - вуглекислим газом Всі форми карбону нерозчинні в звичайних неорганічних і органічних розчинниках, але розчиняються в деяких розплавлених металах (наприклад, Fe, Ni, Co).

Застосування:

Деревне вугілля має здатність адсорбувати (поглинати) на своїй поверхні різні гази і деякі речовини з розчинів. Адсорбція відбувається поверхнею вугілля, тому воно здатне поглинати (адсорбувати) тим більшу кількість речовин, чим більша його сумарна поверхня, тобто чим більше воно подрібнене або пористе. Пористість, а разом з тим і адсорбційна здатність деревного вугілля різко збільшується при попередньому нагріванні в струмені водяної пари. При цьому пори вугілля очищаються від смолистих речовин і його внутрішня поверхня дуже збільшується. Таке вугілля називається активованим. Активоване деревне вугілля широко використовують у цукровому виробництві для очистки цукрового сиропу від домішок, що надають йому жовтого забарвлення, в спиртовому виробництві для очистки винного спирту від сивушних олій, в деяких виробництвах для вловлювання парів цінних летких речовин — бензину, ефіру, сірковуглецю, бензолу тощо з наступним видаленням їх при нагріванні. У першу світову війну активоване вугілля за пропозицією академіка М. Д. Зелінського було застосовано в протигазах для захисту органів дихання від отруйних газів, зокрема від хлору, який німці застосували в 1915 р. проти французьких військ. Активоване вугілля як адсорбент застосовується і в сучасних протигазах.

Графіт використовується в олівцевій промисловості. Також його використовують як мастило при особливо високих або низьких температурах.

Алмаз, завдяки винятковій твердості, незамінний абразивний матеріал. Алмазним напиленням володіють шліфувальні насадки бормашин. Крім цього, ограновані алмази — діаманти використовуються як дорогоцінне камення в ювелірних прикрасах. Завдяки рідкості, високим декоративним якостям і збігом історичних обставин, діамант незмінно є найдорожчим дорогоцінним каменем. Виключно висока теплопровідність алмазу (до 2000 Вт/м·К) робить його перспективним матеріалом для напівпровідникової техніки в якості підкладок для процесорів. Але відносно висока ціна (близько 50 доларів/грам) і складність обробки алмазу обмежують його застосування в цій галузі.

У фармакології та медицині широко використовуються різні сполуки вуглецю — похідні вугільної кислоти та карбонових кислот, різні гетероцикли, полімери та інші сполуки. Так, карболен (активоване вугілля), застосовується для абсорбції та виведення з організму різних токсинів; графіт (у вигляді мазей) — для лікування шкірних захворювань; радіоактивні ізотопи вуглецю — для наукових досліджень (радіовуглецевий аналіз).

Розповсюдження

Вуглець у природі зустрічається як у вільному стані (алмаз, графіт, карбін і лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки), так і у вигляді різноманітних сполук. Середній вміст вуглецю у земній корі 2,3×10−2 % (мас); основна маса вуглецю концентрується в осадових гірських породах. Вуглець накопичується у верхній частині земної кори, де його присутність пов'язана в основному з живою речовиною, кам'яним вугіллям, нафтою, антрацитом, а також з доломітами і вапняками. Відомо понад 100 мінералів вуглецю, серед яких найпоширеніші карбонати кальцію, магнію і заліза. Він входить до складу кам'яного вугілля, нафти і природного газу, а також різних мінералів: мармуру, крейди і вапняку —CaCO3 , доломіту — CaCO3·MgCO3 , магнезиту — MgCO, малахіту — CuCO3·Cu(OH)2 тощо. Важливу роль вуглець відіграє в космосі; на Сонці вуглець посідає 4-е місце за поширеністю після водню, гелію та кисню, ядра вуглецю беруть участь у процесах нуклеосинтезу (вуглецево-азотний цикл, потрійна α-реакція). Більшість сполук вуглецю, і насамперед вуглеводні, мають яскраво вираженим характером ковалентних сполук. Міцність простих, подвійних і потрійних зв'язків атомів С між собою, здатність утворювати стійкі ланцюги та цикли з атомів С обумовлюють існування величезного числа вуглецевмісних сполук, що вивчаються органічною хімією. У природі зустрічається мінерал шунгіт, в якому міститься як твердий вуглець (≈ 25%), так і значні кількості оксиду кремнію (≈ 35%).