Kohlenstoff ist ein Kohlenstoffatom. Masse von Kohlenstoff

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 05:21

Eines der erstaunlichsten Elemente, das eine Vielzahl von Verbindungen organischer und anorganischer Natur bilden kann, ist Kohlenstoff. Dieses Element ist in seinen Eigenschaften so ungewöhnlich, dass sogar Mendeleev ihm eine große Zukunft voraussagte, indem er von noch nicht offenbarten Eigenschaften sprach.

Später wurde es praktisch bestätigt. Es wurde bekannt, dass es das wichtigste biogene Element unseres Planeten ist, das Teil aller Lebewesen ist. Darüber hinaus in der Lage, in in jeder Hinsicht radikal unterschiedlichen Formen zu existieren, die aber gleichzeitig nur aus Kohlenstoffatomen bestehen.

Im Allgemeinen hat diese Struktur viele Besonderheiten, auf die wir im Laufe des Artikels eingehen werden.

Kohlenstoff: Formel und Stellung im System der Elemente

Im Periodensystem steht das Element Kohlenstoff in der IV (nach neuem Modell in 14) Gruppe, der Hauptuntergruppe. Seine Seriennummer ist 6 und sein Atomgewicht ist 12.011. Die Bezeichnung eines Elements mit dem Zeichen C gibt seinen Namen in lateinischer Sprache an - Carboneum. Es gibt verschiedene Formen, in denen Kohlenstoff vorliegt. Seine Formel ist daher unterschiedlich und hängt von der spezifischen Modifikation ab.

Für das Schreiben von Reaktionsgleichungen ist die Notation jedoch spezifisch,natürlich gibt es. Im Allgemeinen wird, wenn von einer Substanz in ihrer reinen Form gesprochen wird, die Summenformel von Kohlenstoff C übernommen, ohne Indizierung.

Element-Entdeckungsverlauf

Dieses Element selbst ist seit der Antike bekannt. Schließlich ist Kohle eines der wichtigsten Mineralien in der Natur. Daher war er für die alten Griechen, Römer und andere Nationalitäten kein Geheimnis.

Neben dieser Sorte wurden auch Diamanten und Graphit verwendet. Bei Letzteren gab es lange Zeit viele Verwirrungssituationen, da oft ohne Analyse der Zusammensetzung solche Verbindungen für Graphit geh alten wurden, wie zum Beispiel:

• Silberblei;
• Eisencarbid;
• Molybdänsulfid.

Sie waren alle schwarz lackiert und g alten daher als Graphit. Später wurde dieses Missverständnis aufgeklärt und diese Form von Kohlenstoff wurde zu sich selbst.

Seit 1725 sind Diamanten von großer kommerzieller Bedeutung, und 1970 wurde die Technologie ihrer künstlichen Gewinnung gemeistert. Seit 1779 werden dank der Arbeit von Karl Scheele die chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff untersucht. Dies war der Beginn einer Reihe wichtiger Entdeckungen auf dem Gebiet dieses Elements und wurde zur Grundlage für die Entdeckung all seiner einzigartigsten Eigenschaften.

Kohlenstoffisotope und Verbreitung in der Natur

Trotz der Tatsache, dass das fragliche Element eines der wichtigsten biogenen Elemente ist, beträgt sein Gesamtgeh alt in der Masse der Erdkruste 0,15%. Dies liegt daran, dass es einem ständigen Kreislauf unterliegt, einem natürlichen Kreislauf in der Natur.

Im Allgemeinen gibt es mehrerekohlenstoffh altige mineralische Verbindungen. Dies sind solche natürlichen Rassen wie:

• Dolomiten und Kalksteine;
• anthrazit;
• Ölschiefer;
• Erdgas;
• Kohle;
• Öl;
• Braunkohle;
• Torf;
• Bitumen.

Außerdem sollten wir die Lebewesen nicht vergessen, die nur eine Quelle von Kohlenstoffverbindungen sind. Schließlich bildeten sie Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, also die lebenswichtigsten Strukturmoleküle. Im Allgemeinen fällt bei der Umrechnung auf das Trockenkörpergewicht von 70 kg 15 auf ein reines Element. Und so ist es bei jedem Menschen, ganz zu schweigen von Tieren, Pflanzen und anderen Lebewesen.

Betrachtet man die Zusammensetzung von Luft und Wasser, also der gesamten Hydrosphäre und der Atmosphäre, so liegt ein Kohlenstoff-Sauerstoff-Gemisch vor, ausgedrückt durch die Formel CO_{2. Kohlendioxid oder Kohlendioxid ist eines der Hauptgase, aus denen die Luft besteht. In dieser Form beträgt der Massenanteil von Kohlenstoff 0,046 %. Noch mehr Kohlendioxid ist im Wasser der Ozeane gelöst.}

Die Atommasse von Kohlenstoff als Element beträgt 12,011. Es ist bekannt, dass dieser Wert als arithmetisches Mittel zwischen den Atomgewichten aller in der Natur vorkommenden Isotopenarten unter Berücksichtigung ihrer Verbreitung (in Prozent) berechnet wird). Dies gilt auch für den betreffenden Stoff. Es gibt drei Hauptisotope, in denen Kohlenstoff vorkommt. Das ist:

• ¹²С - sein Massenanteil in der überwiegenden Mehrheit beträgt 98,93%;
• ¹³C -1,07 %;
• ¹⁴C - radioaktiv, Halbwertszeit 5700 Jahre, stabiler Betastrahler.

In der Praxis zur Bestimmung des geochronologischen Alters von Proben wird häufig das radioaktive Isotop ¹⁴С verwendet, das aufgrund seiner langen Abklingzeit ein Indikator ist.

Allotrope Modifikationen eines Elements

Kohlenstoff ist ein Element, das als einfache Substanz in mehreren Formen existiert. Das heißt, es ist in der Lage, die größte Anzahl heute bekannter allotroper Modifikationen zu bilden.

1. Kristalline Variationen - existieren in Form von starken Strukturen mit regelmäßigen Gittern vom Atomtyp. Zu dieser Gruppe gehören Sorten wie:

• Diamanten;
• Fullerene;
• Graphite;
• Karabiner;
• lonsdaleites;
• Kohlenstofffasern und -rohre.

Alle unterscheiden sich in der Struktur des Kristallgitters, in dessen Knoten sich ein Kohlenstoffatom befindet. Daher die völlig einzigartigen, unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften.

2. Amorphe Formen - sie werden von einem Kohlenstoffatom gebildet, das Teil einiger natürlicher Verbindungen ist. Das heißt, dies sind keine reinen Sorten, sondern mit Verunreinigungen anderer Elemente in geringen Mengen. Zu dieser Gruppe gehören:

• Aktivkohle;
• Stein und Holz;
• ruß;
• Kohlenstoff-Nanoschaum;
• anthrazit;
• glasiger Kohlenstoff;
• eine technische Substanz.

Sie werden auch durch Merkmale vereintStrukturen des Kristallgitters, die Eigenschaften erklären und manifestieren.

3. Kohlenstoffverbindungen in Form von Clustern. Eine solche Struktur, in der Atome in einer speziellen Konformation eingeschlossen sind, die von innen hohl ist und mit Wasser oder den Kernen anderer Elemente gefüllt ist. Beispiele:

• Kohlenstoff-Nanokegel;
• astrallinsen;
• dicarbon.

Physikalische Eigenschaften von amorphem Kohlenstoff

Aufgrund der großen Vielf alt allotroper Modifikationen ist es schwierig, gemeinsame physikalische Eigenschaften für Kohlenstoff zu identifizieren. Es ist einfacher, über eine bestimmte Form zu sprechen. Beispielsweise hat amorpher Kohlenstoff die folgenden Eigenschaften.

1. Im Zentrum aller Formen stehen feinkristalline Graphitsorten.
2. Hohe Wärmekapazität.
3. Gute Leitfähigkeit.
4. Kohlenstoffdichte beträgt etwa 2 g/cm³.
5. Beim Erhitzen über 1600 ⁰C tritt ein Übergang in Graphitformen ein.

Ruß-, Holzkohle- und Steinsorten werden häufig für industrielle Zwecke verwendet. Sie sind keine Manifestation der Kohlenstoffmodifikation in ihrer reinen Form, sondern enth alten sie in sehr großen Mengen.

Kristalliner Kohlenstoff

Es gibt mehrere Möglichkeiten, bei denen Kohlenstoff eine Substanz ist, die regelmäßige Kristalle verschiedener Art bildet, in denen Atome in Reihe gesch altet sind. Als Ergebnis werden die folgenden Modifikationen gebildet.

1. Diamant. Die Struktur ist kubisch, in der vier Tetraeder verbunden sind. Dadurch werden alle kovalenten chemischen Bindungen jedes Atomsmaximal gesättigt und h altbar. Dies erklärt die physikalischen Eigenschaften: Die Dichte von Kohlenstoff beträgt 3300 kg/m³. Hohe Härte, geringe Wärmekapazität, mangelnde elektrische Leitfähigkeit - all dies ist das Ergebnis der Struktur des Kristallgitters. Es gibt technisch gewonnene Diamanten. Sie entstehen beim Übergang von Graphit zur nächsten Modifikation unter dem Einfluss hoher Temperatur und eines bestimmten Drucks. Im Allgemeinen ist der Schmelzpunkt von Diamant so hoch wie die Stärke - etwa 3500 ⁰C.
2. Graphit. Die Atome sind ähnlich der Struktur der vorherigen Substanz angeordnet, jedoch sind nur drei Bindungen gesättigt, und die vierte wird länger und weniger stark, sie verbindet die "Schichten" der sechseckigen Ringe des Gitters. Als Ergebnis stellt sich heraus, dass Graphit eine weiche, fettige schwarze Substanz ist, die sich anfühlt. Es hat eine gute elektrische Leitfähigkeit und einen hohen Schmelzpunkt - 3525 ⁰C. Sublimationsfähig - Sublimation von einem festen in einen gasförmigen Zustand unter Umgehung des flüssigen Zustands (bei einer Temperatur von 3700 ⁰С). Die Dichte von Kohlenstoff beträgt 2,26 g/cm^3, und ist damit viel geringer als die von Diamant. Dies erklärt ihre unterschiedlichen Eigenschaften. Aufgrund des Schichtaufbaus des Kristallgitters ist es möglich, Graphit zur Herstellung von Bleistiftminen zu verwenden. Beim Wischen über das Papier lösen sich die Flocken ab und hinterlassen einen schwarzen Fleck auf dem Papier.
3. Fullerene. Sie wurden erst in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts eröffnet. Sie sind Modifikationen, bei denen Kohlenstoffe in einer speziellen konvexen geschlossenen Struktur miteinander verbunden sind, die in der Mitte liegtLeere. Und die Form eines Kristalls - ein Polyeder, die richtige Organisation. Die Anzahl der Atome ist gerade. Die bekannteste Form von Fulleren ist С₆₀. Bei der Recherche wurden Proben einer ähnlichen Substanz gefunden:

• Meteoriten;
• Bodensedimente;
• folgurite;
• Schungit;
• Weltraum, wo er in Form von Gasen enth alten ist.

Alle Arten von kristallinem Kohlenstoff sind von großer praktischer Bedeutung, da sie eine Reihe von Eigenschaften besitzen, die für die Technik nützlich sind.

Reaktivität

Molekularer Kohlenstoff weist aufgrund seiner stabilen Konfiguration eine geringe Reaktivität auf. Es kann nur zu Reaktionen gezwungen werden, indem dem Atom zusätzliche Energie zugeführt wird und die Elektronen der äußeren Ebene zum Verdampfen gezwungen werden. An diesem Punkt wird die Wertigkeit 4. Daher hat es in Verbindungen eine Oxidationsstufe von + 2, + 4, - 4.

Praktisch alle Reaktionen mit einfachen Substanzen, sowohl Metallen als auch Nichtmetallen, laufen unter dem Einfluss hoher Temperaturen ab. Das betreffende Element kann sowohl ein Oxidationsmittel als auch ein Reduktionsmittel sein. Letztere Eigenschaften sind jedoch besonders ausgeprägt, und dies ist die Grundlage für den Einsatz in der metallurgischen und anderen Industrien.

Im Allgemeinen hängt die Fähigkeit, chemische Wechselwirkungen einzugehen, von drei Faktoren ab:

• Kohlenstoffdispersion;
• allotrope Modifikation;
• Reaktionstemperatur.

Daher gibt es in manchen Fällen eine Wechselwirkung mit FolgendemSubstanzen:

• Nichtmetalle (Wasserstoff, Sauerstoff);
• Metalle (Aluminium, Eisen, Kalzium und andere);
• Metalloxide und ihre Salze.

Reagiert nicht mit Säuren und Laugen, sehr selten mit Halogenen. Die wichtigste Eigenschaft von Kohlenstoff ist die Fähigkeit, lange Ketten miteinander zu bilden. Sie können sich in einem Kreislauf schließen, Verzweigungen bilden. So entstehen organische Verbindungen, die heute in die Millionen gehen. Die Basis dieser Verbindungen sind zwei Elemente - Kohlenstoff, Wasserstoff. Andere Atome können ebenfalls enth alten sein: Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Halogene, Phosphor, Metalle und andere.

Hauptverbindungen und ihre Eigenschaften

Es gibt viele verschiedene Verbindungen, die Kohlenstoff enth alten. Die Formel der bekanntesten von ihnen lautet CO₂ - Kohlendioxid. Neben diesem Oxid gibt es jedoch auch CO - Monoxid oder Kohlenmonoxid sowie das Suboxid C₃O₂.

Unter den Salzen, die dieses Element enth alten, sind die häufigsten Calcium- und Magnesiumcarbonate. Calciumcarbonat hat also mehrere Synonyme im Namen, da es in der Natur in der Form vorkommt:

• kreide;
• marmor;
• Kalkstein;
• Dolomit.

Die Bedeutung der Erdalkalimetallcarbonate zeigt sich darin, dass sie aktiv an der Bildung von Stalaktiten und Stalagmiten sowie des Grundwassers beteiligt sind.

Kohlensäure ist eine weitere Verbindung, die Kohlenstoff bildet. Seine Formel istH₂CO₃. In seiner üblichen Form ist es jedoch äußerst instabil und zerfällt in Lösung sofort zu Kohlendioxid und Wasser. Daher sind nur seine Salze als Lösung bekannt, nicht er selbst.

Kohlenstoffhalogenide - werden hauptsächlich indirekt gewonnen, da die Direktsynthese nur bei sehr hohen Temperaturen und mit geringer Produktausbeute erfolgt. Einer der häufigsten – CCL₄ – Tetrachlorkohlenstoff. Eine giftige Verbindung, die beim Einatmen zu Vergiftungen führen kann. Erh alten durch Reaktionen der radikalischen photochemischen Substitution von Wasserstoffatomen in Methan.

Metallcarbide sind Kohlenstoffverbindungen, in denen es eine Oxidationsstufe von 4 aufweist. Auch die Existenz von Assoziationen mit Bor und Silizium ist möglich. Die Haupteigenschaft von Karbiden einiger Metalle (Aluminium, Wolfram, Titan, Niob, Tantal, Hafnium) ist eine hohe Festigkeit und eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Borcarbid В₄С ist eine der härtesten Substanzen nach Diamant (9,5 nach Mohs). Diese Verbindungen werden in der Technik sowie in der chemischen Industrie als Quellen für die Herstellung von Kohlenwasserstoffen verwendet (Calciumcarbid mit Wasser führt zur Bildung von Acetylen und Calciumhydroxid).

Viele Metalllegierungen werden unter Verwendung von Kohlenstoff hergestellt, wodurch ihre Qualität und technischen Eigenschaften erheblich verbessert werden (Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff).

Besondere Aufmerksamkeit verdienen zahlreiche organische Kohlenstoffverbindungen, in denen es sich um ein grundlegendes Element handelt, das sich mit denselben Atomen zu langen Ketten verschiedener Strukturen verbinden kann. Dazu gehören:

• Alkane;
• Alkene;
• Arenen;
• Proteine;
• Kohlenhydrate;
• Nukleinsäuren;
• Alkohole;
• Carbonsäuren und viele andere Stoffklassen.

Verwendung von Kohlenstoff

Die Bedeutung von Kohlenstoffverbindungen und ihren allotropen Modifikationen im menschlichen Leben ist sehr hoch. Sie können einige der globalsten Branchen nennen, um zu verdeutlichen, dass dies zutrifft.

1. Dieses Element bildet alle Arten von fossilen Brennstoffen, aus denen der Mensch Energie gewinnt.
2. Die metallurgische Industrie verwendet Kohlenstoff als das stärkste Reduktionsmittel, um Metalle aus ihren Verbindungen zu gewinnen. Auch Karbonate sind hier weit verbreitet.
3. Bauwesen und die chemische Industrie verbrauchen riesige Mengen an Kohlenstoffverbindungen, um neue Stoffe zu synthetisieren und die notwendigen Produkte zu gewinnen.

Sie können solche Wirtschaftszweige auch benennen wie:

• Nuklearindustrie;
• Schmuck;
• technische Hilfsmittel (Gleitmittel, hitzebeständige Tiegel, Stifte etc.);
• Bestimmung des geologischen Alters von Gesteinen - radioaktiver Tracer ¹⁴С;
• Kohlenstoff ist ein ausgezeichnetes Adsorptionsmittel, wodurch es sich für die Herstellung von Filtern eignet.

Umlauf in der Natur

Die in der Natur vorkommende Masse an Kohlenstoff ist in einem konstanten Kreislauf eingeschlossen, der jede Sekunde um den Globus kreist. Somit wird die atmosphärische Kohlenstoffquelle CO₂ absorbiertPflanzen und wird von allen Lebewesen bei der Atmung freigesetzt. Einmal in der Atmosphäre angekommen, wird es wieder absorbiert, sodass der Kreislauf nicht aufhört. Gleichzeitig führt der Tod organischer Reststoffe zur Freisetzung von Kohlenstoff und dessen Anreicherung in der Erde, von wo aus er dann wieder von Lebewesen aufgenommen und gasförmig in die Atmosphäre abgegeben wird.