Ածխածինը Ածխածնի ատոմ է: Ածխածնի զանգված

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Ամենահիասքանչ տարրերից մեկը, որը կարող է ձևավորել օրգանական և անօրգանական բնույթի միացությունների հսկայական տեսականի, ածխածինն է: Այս տարրն այնքան անսովոր է իր հատկություններով, որ նույնիսկ Մենդելեևը նրա համար կանխատեսել էր մեծ ապագա՝ խոսելով այն հատկանիշների մասին, որոնք դեռևս չեն բացահայտվել:

Հետագայում դա գործնականում հաստատվեց։ Հայտնի է դարձել, որ դա մեր մոլորակի հիմնական կենսագեն տարրն է, որը բացարձակապես բոլոր կենդանի էակների մասն է։ Բացի այդ, կարող է գոյություն ունենալ բոլոր առումներով արմատապես տարբեր ձևերով, բայց միևնույն ժամանակ բաղկացած է միայն ածխածնի ատոմներից:

Ընդհանուր առմամբ, այս կառույցն ունի բազմաթիվ առանձնահատկություններ, և մենք կփորձենք դրանցով զբաղվել հոդվածի ընթացքում։

Ածխածին. բանաձև և դիրք տարրերի համակարգում

Պարբերական համակարգում ածխածին տարրը գտնվում է IV (ըստ 14-ի նոր մոդելի) խմբում՝ հիմնական ենթախմբում։ Նրա սերիական համարը 6 է, իսկ ատոմային զանգվածը՝ 12,011։ C նշանով տարրի նշանակումը լատիներեն նշում է նրա անունը՝ carboneum։ Կան մի քանի տարբեր ձևեր, որոնցում գոյություն ունի ածխածին: Դրա բանաձևը, հետևաբար, տարբեր է և կախված է կոնկրետ փոփոխությունից:

Սակայն ռեակցիայի հավասարումներ գրելու համար նշումը հատուկ է,իհարկե ունեն: Ընդհանրապես, մաքուր ձևով նյութի մասին խոսելիս ընդունվում է ածխածնի C մոլեկուլային բանաձևը՝ առանց ինդեքսավորման։

Տարրերի հայտնաբերման պատմություն

Այս տարրն ինքնին հայտնի է եղել հնագույն ժամանակներից: Ի վերջո, բնության ամենակարևոր հանքանյութերից մեկը ածուխն է: Հետևաբար, հին հույների, հռոմեացիների և այլ ազգությունների համար նա գաղտնիք չէր։

Այս տեսակից բացի օգտագործվել են նաև ադամանդներ և գրաֆիտ։ Վերջինիս հետ երկար ժամանակ շատ շփոթեցնող իրավիճակներ կային, քանի որ հաճախ, առանց բաղադրության վերլուծության, գրաֆիտի համար վերցվում էին այնպիսի միացություններ, ինչպիսիք են՝

• արծաթ կապար;
• երկաթի կարբիդ;
• մոլիբդենի սուլֆիդ.

Նրանք բոլորը ներկված էին սև գույնով և, հետևաբար, համարվում էին գրաֆիտ: Հետագայում այս թյուրիմացությունը բացահայտվեց, և ածխածնի այս ձևը դարձավ ինքն իրեն:

1725 թվականից ադամանդները մեծ առևտրային նշանակություն են ունեցել, իսկ 1970 թվականին դրանք արհեստականորեն ձեռք բերելու տեխնոլոգիան յուրացվել է։ 1779 թվականից ի վեր, Կարլ Շեյլի աշխատանքի շնորհիվ, ուսումնասիրվել են ածխածնի դրսևորած քիմիական հատկությունները։ Սա այս տարրի բնագավառում մի շարք կարևոր հայտնագործությունների սկիզբն էր և հիմք դարձավ նրա բոլոր ամենայուրահատուկ հատկանիշները պարզելու համար։

Ածխածնի իզոտոպները և բաշխումը բնության մեջ

Չնայած այն հանգամանքին, որ խնդրո առարկա տարրը ամենակարևոր կենսածիններից է, նրա ընդհանուր պարունակությունը երկրակեղևի զանգվածում կազմում է 0,15%: Դա պայմանավորված է նրանով, որ այն ենթարկվում է մշտական շրջանառության՝ բնության մեջ բնական շրջապտույտի։

Ընդհանուր առմամբ, կան մի քանիսըածխածին պարունակող հանքային միացություններ. Սրանք այնպիսի բնական ցեղատեսակներ են, ինչպիսիք են՝

• դոլոմիտներ և կրաքարեր;
• անտրացիտ;
• նավթային թերթաքար;
• բնական գազ;
• ածուխ;
• յուղ;
• լեգնիտ;
• տորֆ;
• բիտում.

Բացի այդ, չպետք է մոռանալ կենդանի էակների մասին, որոնք ընդամենը ածխածնի միացությունների շտեմարան են։ Ի վերջո, նրանք ձևավորեցին սպիտակուցներ, ճարպեր, ածխաջրեր, նուկլեինաթթուներ, ինչը նշանակում է, որ ամենակարևոր կառուցվածքային մոլեկուլները: Ընդհանուր առմամբ, չոր մարմնի քաշը 70 կգ-ից փոխակերպելիս 15-ն ընկնում է մաքուր տարրի վրա: Եվ այդպես է յուրաքանչյուր մարդու հետ, էլ չեմ խոսում կենդանիների, բույսերի և այլ արարածների մասին։

Եթե դիտարկենք օդի և ջրի բաղադրությունը, այսինքն՝ հիդրոսֆերան որպես ամբողջություն և մթնոլորտ, ապա կա ածխածին-թթվածնի խառնուրդ՝ արտահայտված CO_{2 բանաձևով.. Երկօքսիդը կամ ածխաթթու գազը հիմնական գազերից մեկն է, որը կազմում է օդը: Հենց այս ձևով է ածխածնի զանգվածային բաժինը 0,046%: Նույնիսկ ավելի շատ ածխաթթու գազ է լուծվում օվկիանոսների ջրերում:}

Ածխածնի ատոմային զանգվածը՝ որպես տարր, 12,011 է: Հայտնի է, որ այս արժեքը հաշվարկվում է որպես թվաբանական միջին թվաբանական կշիռներ բնության մեջ գոյություն ունեցող բոլոր իզոտոպային տեսակների ատոմային կշիռների միջև՝ հաշվի առնելով դրանց տարածվածությունը (որպես տոկոս):): Սա վերաբերում է նաև խնդրո առարկա նյութին: Գոյություն ունեն երեք հիմնական իզոտոպներ, որոնցում հայտնաբերված է ածխածինը։ Սա է՝

• ¹²С - նրա զանգվածային բաժինը ճնշող մեծամասնությամբ կազմում է 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - ռադիոակտիվ, կես կյանքը 5700 տարի, կայուն բետա արտանետիչ:

Նմուշների աշխարհագրական տարիքի որոշման պրակտիկայում լայնորեն կիրառվում է ¹⁴С ռադիոակտիվ իզոտոպը, որը ցուցանիշ է երկար քայքայման ժամանակաշրջանով։

։

տարրի ալոտրոպային փոփոխություններ

Ածխածինը տարր է, որը գոյություն ունի որպես պարզ նյութ մի քանի ձևերով: Այսինքն՝ այն ի վիճակի է ձևավորել այսօր հայտնի ամենամեծ թվով ալոտրոպ մոդիֆիկացիաներ։

1. Բյուրեղային տատանումներ - գոյություն ունեն ամուր կառուցվածքների տեսքով՝ կանոնավոր ատոմային տիպի վանդակներով: Այս խումբը ներառում է այնպիսի տեսակներ, ինչպիսիք են՝

• ադամանդ;
• ֆուլլերեներ;
• գրաֆիտներ;
• կարաբիններ;
• lonsdaleites;
• ածխածնային մանրաթելեր և խողովակներ.

Բոլորը տարբերվում են բյուրեղային ցանցի կառուցվածքով, որի հանգույցներում կա ածխածնի ատոմ։ Այստեղից էլ լիովին եզակի, աննման հատկություններ՝ ֆիզիկական և քիմիական:

2. Ամորֆ ձևեր - դրանք ձևավորվում են ածխածնի ատոմից, որը որոշ բնական միացությունների մաս է կազմում: Այսինքն, դրանք մաքուր սորտեր չեն, այլ փոքր քանակությամբ այլ տարրերի կեղտերով: Այս խումբը ներառում է՝

• ակտիվացված ածխածին;
• քար և փայտ;
• մուր;
• ածխածնային նանոփրփուր;
• անտրացիտ;
• ապակյա ածխածին;
• նյութի տեխնիկական տեսակ:

Նրանց միավորում են նաև առանձնահատկություններըբյուրեղային ցանցի կառուցվածքները՝ բացատրող և դրսևորող հատկություններ։

3. Ածխածնի միացություններ՝ կլաստերների տեսքով։ Այնպիսի կառուցվածք, որում ատոմները ներսից փակված են հատուկ կոնֆորմացիոն խոռոչում՝ լցված ջրով կամ այլ տարրերի միջուկներով։ Օրինակներ՝

• ածխածնային նանոկոններ;
• astralens;
• դիածխածին.

Ամորֆ ածխածնի ֆիզիկական հատկություններ

Ալոտրոպ մոդիֆիկացիաների բազմազանության պատճառով դժվար է բացահայտել ածխածնի ընդհանուր ֆիզիկական հատկությունները: Ավելի հեշտ է խոսել կոնկրետ ձևի մասին: Օրինակ՝ ամորֆ ածխածինը ունի հետևյալ բնութագրերը.

1. Բոլոր ձևերի հիմքում գրաֆիտի նուրբ բյուրեղային տեսակներն են:
2. Բարձր ջերմային հզորություն.
3. Լավ հաղորդիչ հատկություններ։
4. Ածխածնի խտությունը մոտ 2 գ/սմ է³.
5. Երբ տաքացվում է ավելի քան 1600 ⁰C, տեղի է ունենում անցում դեպի գրաֆիտի ձևեր:

Մուրի, փայտածուխի և քարի սորտերը լայնորեն օգտագործվում են արդյունաբերական նպատակներով։ Դրանք ածխածնի մոդիֆիկացիայի դրսևորում չեն իր մաքուր ձևով, այլ պարունակում են այն շատ մեծ քանակությամբ:

բյուրեղային ածխածին

Կան մի քանի տարբերակներ, որոնցում ածխածինը մի նյութ է, որը ձևավորում է տարբեր տեսակի կանոնավոր բյուրեղներ, որտեղ ատոմները միացված են շարքով: Արդյունքում ձևավորվում են հետևյալ փոփոխությունները.

1. Ադամանդ. Կառուցվածքը խորանարդ է, որի մեջ միացված են չորս քառանիստ։ Արդյունքում՝ յուրաքանչյուր ատոմի բոլոր կովալենտային քիմիական կապերըմաքսիմալ հագեցած և դիմացկուն: Սա բացատրում է ֆիզիկական հատկությունները. ածխածնի խտությունը 3300 կգ/մ է³: Բարձր կարծրություն, ցածր ջերմային հզորություն, էլեկտրական հաղորդունակության բացակայություն - այս ամենը բյուրեղյա ցանցի կառուցվածքի արդյունքն է: Կան տեխնիկապես ձեռք բերված ադամանդներ։ Դրանք ձևավորվում են գրաֆիտի հաջորդ փոփոխությանը անցնելու ժամանակ՝ բարձր ջերմաստիճանի և որոշակի ճնշման ազդեցության տակ։ Ընդհանուր առմամբ, ադամանդի հալման կետը նույնքան բարձր է, որքան ուժը՝ մոտ 3500 ⁰C.
2. Գրաֆիտ. Ատոմները դասավորված են նախորդ նյութի կառուցվածքի նման, սակայն միայն երեք կապ է հագեցած, իսկ չորրորդը դառնում է ավելի երկար և պակաս ամուր, այն միացնում է վանդակի վեցանկյուն օղակների «շերտերը»։ Արդյունքում պարզվում է, որ գրաֆիտը շոշափելու դեպքում փափուկ, յուղոտ սև նյութ է։ Այն ունի լավ էլեկտրական հաղորդունակություն և ունի բարձր հալման կետ՝ 3525 ⁰C: Սուբլիմացիայի ընդունակ – սուբլիմացիա պինդ վիճակից գազային վիճակի, շրջանցելով հեղուկ վիճակը (3700 ⁰С ջերմաստիճանում): Ածխածնի խտությունը կազմում է 2,26 գ/սմ^3, , ինչը շատ ավելի ցածր է, քան ադամանդինը: Սա բացատրում է նրանց տարբեր հատկությունները: Բյուրեղյա վանդակի շերտավոր կառուցվածքի շնորհիվ հնարավոր է գրաֆիտ օգտագործել մատիտի կապարների արտադրության համար: Թղթի վրայով սահելիս փաթիլները կեղևավորվում են և սև հետք թողնում թղթի վրա:
3. Ֆուլերեններ. Դրանք բացվել են միայն անցյալ դարի 80-ական թվականներին։ Դրանք փոփոխություններ են, որոնցում ածխածինները փոխկապակցված են հատուկ ուռուցիկ փակ կառուցվածքով, որն ունի կենտրոնումդատարկություն. Իսկ բյուրեղի ձեւը` բազմանիստ, ճիշտ կազմակերպվածություն: Ատոմների թիվը զույգ է։ Ֆուլերենի ամենահայտնի ձևը С₆₀ է: Հետազոտության ընթացքում հայտնաբերվել են նմանատիպ նյութի նմուշներ՝

• երկնաքարեր;
• ներքևի նստվածքներ;
• folgurite;
• շունգիտ;
• արտաքին տարածություն, որտեղ դրանք պարունակվում էին գազերի տեսքով։

Բյուրեղային ածխածնի բոլոր տեսակները մեծ գործնական նշանակություն ունեն, քանի որ նրանք ունեն մի շարք հատկություններ, որոնք օգտակար են ճարտարագիտության մեջ:

Ռեակտիվություն

Մոլեկուլային ածխածինը ցուցադրում է ցածր ռեակտիվություն՝ իր կայուն կոնֆիգուրացիայի շնորհիվ: Այն կարելի է ստիպել ռեակցիաների մեջ մտնել միայն ատոմին լրացուցիչ էներգիա հաղորդելով և արտաքին մակարդակի էլեկտրոններին ստիպելով գոլորշիանալ։ Այս պահին վալենտությունը դառնում է 4։ Հետևաբար, միացություններում այն ունի + 2, + 4, - 4 օքսիդացման աստիճան։

Գրականում բոլոր ռեակցիաները պարզ նյութերի հետ՝ և՛ մետաղների, և՛ ոչ մետաղների հետ, ընթանում են բարձր ջերմաստիճանի ազդեցության տակ։ Քննարկվող տարրը կարող է լինել և՛ օքսիդացնող, և՛ վերականգնող նյութ: Սակայն վերջինիս հատկությունները հատկապես ընդգծված են դրանում, և դա հիմք է հանդիսանում դրա կիրառման համար մետալուրգիական և այլ ճյուղերում։

Ընդհանուր առմամբ, քիմիական փոխազդեցության մեջ մտնելու ունակությունը կախված է երեք գործոնից.

• ածխածնի ցրում;
• ալոտրոպիկ փոփոխություն;
• ռեակցիայի ջերմաստիճան.

Այսպիսով, որոշ դեպքերում փոխազդեցություն կա հետևյալի հետնյութեր:

• ոչ մետաղներ (ջրածին, թթվածին);
• մետաղներ (ալյումին, երկաթ, կալցիում և այլն);
• մետաղների օքսիդներ և դրանց աղեր.

Չի փոխազդում թթուների և ալկալիների, շատ հազվադեպ՝ հալոգենների հետ։ Ածխածնի հատկություններից ամենակարեւորը միմյանց հետ երկար շղթաներ կազմելու ունակությունն է։ Նրանք կարող են ցիկլով փակվել, ճյուղեր կազմել։ Ահա թե ինչպես են առաջանում օրգանական միացություններ, որոնք այսօր հասնում են միլիոնների։ Այս միացությունների հիմքում ընկած են երկու տարր՝ ածխածին, ջրածին։ Կարող են ներառվել նաև այլ ատոմներ՝ թթվածին, ազոտ, ծծումբ, հալոգեններ, ֆոսֆոր, մետաղներ և այլն:

Հիմնական միացություններ և դրանց բնութագրերը

Կան բազմաթիվ տարբեր միացություններ, որոնք պարունակում են ածխածին: Դրանցից ամենահայտնի բանաձևը CO₂ - ածխածնի երկօքսիդ է: Այնուամենայնիվ, այս օքսիդից բացի կա նաև CO-մոնօքսիդ կամ ածխածնի օքսիդ, ինչպես նաև ենթօքսիդ C₃O₂.

Այս տարրը պարունակող աղերից առավել տարածված են կալցիումի և մագնեզիումի կարբոնատները։ Այսպիսով, կալցիումի կարբոնատն անվան մեջ ունի մի քանի հոմանիշ, քանի որ այն բնության մեջ հանդիպում է հետևյալ ձևով`

• կավիճ;
• մարմար;
• կրաքար;
• դոլոմիտ.

Հողալկալիական մետաղների կարբոնատների կարևորությունը դրսևորվում է նրանով, որ դրանք ստալակտիտների և ստալագմիտների, ինչպես նաև ստորերկրյա ջրերի ձևավորման ակտիվ մասնակիցներ են։

Կարբոնաթթուն ևս մեկ միացություն է, որը ձևավորում է ածխածին: Դրա բանաձեւն էH₂CO₃: Այնուամենայնիվ, իր սովորական ձևով այն չափազանց անկայուն է և անմիջապես քայքայվում է ածխաթթու գազի և ջրի մեջ: Հետևաբար, հայտնի են միայն նրա աղերը, և ոչ թե ինքը՝ որպես լուծույթ։

Ածխածնի հալոգենիդներ - ստացվում են հիմնականում անուղղակի ճանապարհով, քանի որ ուղղակի սինթեզը տեղի է ունենում միայն շատ բարձր ջերմաստիճաններում և արտադրանքի ցածր եկամտաբերությամբ: Ամենատարածվածներից մեկը՝ CCL₄՝ ածխածնի տետրաքլորիդ: Թունավոր միացություն, որը շնչելու դեպքում կարող է թունավորումներ առաջացնել: Ստացվում է մեթանում ջրածնի ատոմների արմատական ֆոտոքիմիական փոխարինման ռեակցիաներով։

Մետաղական կարբիդները ածխածնի միացություններ են, որոնցում այն ցուցադրում է 4 օքսիդացման աստիճան: Հնարավոր է նաև կապ ունենալ բորի և սիլիցիումի հետ: Որոշ մետաղների (ալյումին, վոլֆրամ, տիտանի, նիոբիում, տանտալ, հաֆնիում) կարբիդների հիմնական հատկությունը բարձր ամրությունն է և գերազանց էլեկտրական հաղորդունակությունը։ Բորի կարբիդը В₄С ադամանդից հետո ամենադժվար նյութերից մեկն է (9,5 ըստ Մոհսի): Այս միացությունները օգտագործվում են ճարտարագիտության մեջ, ինչպես նաև քիմիական արդյունաբերության մեջ, որպես ածխաջրածինների արտադրության աղբյուրներ (կալցիումի կարբիդը ջրի հետ հանգեցնում է ացետիլենի և կալցիումի հիդրօքսիդի առաջացմանը):

Շատ մետաղական համաձուլվածքներ պատրաստվում են ածխածնի օգտագործմամբ՝ դրանով իսկ զգալիորեն բարձրացնելով դրանց որակը և տեխնիկական բնութագրերը (պողպատը երկաթի և ածխածնի համաձուլվածք է):

Հատուկ ուշադրության են արժանի ածխածնի բազմաթիվ օրգանական միացություններ, որոնցում ածխածինը հիմնարար տարր է, որը կարող է միանալ նույն ատոմների հետ տարբեր կառուցվածքների երկար շղթաներով: Դրանք ներառում են՝

• ալկաններ;
• ալկեններ;
• արենաս;
• սպիտակուցներ;
• ածխաջրեր;
• նուկլեինաթթուներ;
• ալկոհոլներ;
• կարբոքսիլաթթուներ և շատ այլ դասի նյութեր:

Ածխածնի օգտագործում

Ածխածնի միացությունների և դրա ալոտրոպային ձևափոխությունների կարևորությունը մարդու կյանքում շատ մեծ է: Դուք կարող եք նշել ամենագլոբալ ոլորտներից մի քանիսը, որպեսզի պարզ լինի, որ դա ճիշտ է:

1. Այս տարրը ձևավորում է բոլոր տեսակի հանածո վառելիքները, որոնցից մարդը էներգիա է ստանում:
2. Մետաղագործական արդյունաբերությունը օգտագործում է ածխածինը որպես ամենաուժեղ վերականգնող նյութ՝ դրանց միացություններից մետաղներ ստանալու համար: Կարբոնատները նույնպես լայնորեն օգտագործվում են այստեղ։
3. Շինարարությունը և քիմիական արդյունաբերությունը սպառում են հսկայական քանակությամբ ածխածնի միացություններ՝ նոր նյութեր սինթեզելու և անհրաժեշտ արտադրանք ստանալու համար:

Կարող եք նշել նաև տնտեսության այնպիսի ոլորտներ, ինչպիսիք են՝

• միջուկային արդյունաբերություն;
• զարդեր;
• տեխնիկական սարքավորումներ (քսանյութեր, ջերմակայուն կարասներ, մատիտներ և այլն);
• ժայռերի երկրաբանական տարիքի որոշում - ռադիոակտիվ հետագծող ¹⁴С;
• ածխածինը հիանալի ներծծող նյութ է, որն այն հարմար է դարձնում զտիչներ պատրաստելու համար:

Շրջանառություն բնության մեջ

Բնության մեջ հայտնաբերված ածխածնի զանգվածը ներառված է մշտական ցիկլի մեջ, որը ամեն վայրկյան պտտվում է ամբողջ երկրագնդով մեկ: Այսպիսով, ածխածնի մթնոլորտային աղբյուրը՝ CO₂, կլանվում է.բույսերը և ազատվում է բոլոր կենդանի էակների կողմից շնչառության գործընթացում: Մթնոլորտում հայտնվելուց հետո այն կրկին ներծծվում է, և այդ պատճառով ցիկլը չի դադարում: Միևնույն ժամանակ, օրգանական մնացորդների մահը հանգեցնում է ածխածնի արտազատմանը և դրա կուտակմանը Երկրում, որտեղից այն նորից կլանվում է կենդանի օրգանիզմների կողմից և արտանետվում մթնոլորտ՝ գազի տեսքով։

։