A szén egy szénatom. A szén tömege

2024 Szerző: Angel Austin | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 05:29

Az egyik legcsodálatosabb elem, amely sokféle szerves és szervetlen természetű vegyületet képezhet, a szén. Ez az elem tulajdonságait tekintve annyira szokatlan, hogy még Mengyelejev is nagy jövőt jósolt neki, olyan tulajdonságokról beszélve, amelyeket még nem hoztak nyilvánosságra.

Később ez gyakorlatilag beigazolódott. Ismertté vált, hogy bolygónk fő biogén eleme, amely abszolút minden élőlény része. Ráadásul minden tekintetben gyökeresen eltérő, de ugyanakkor csak szénatomokból álló formákban is képes létezni.

Általában ennek a szerkezetnek számos jellemzője van, és a cikk során megpróbálunk ezekkel foglalkozni.

Szén: képlet és pozíció az elemrendszerben

A periódusos rendszerben a szén elem a IV (az új modell szerint 14) csoportban, a fő alcsoportban található. Sorozatszáma 6, atomtömege 12.011. Az elem C jelű jelölése latinul a nevét jelzi - carboneum. A szénnek számos formája létezik. A képlete ezért eltérő, és az adott módosítástól függ.

A reakcióegyenletek írásakor azonban a jelölés specifikus,természetesen van. Általában, ha egy anyagról tiszta formájában beszélünk, akkor a szén C molekulaképletét alkalmazzuk, indexelés nélkül.

Elemfelfedezési előzmények

Ez az elem maga az ókor óta ismert. Hiszen a természet egyik legfontosabb ásványa a szén. Ezért az ókori görögök, rómaiak és más nemzetiségek számára nem volt titok.

Ezen a fajtán kívül gyémántot és grafitot is használtak. Ez utóbbival hosszú ideig sok zavaros helyzet volt, mivel gyakran az összetétel elemzése nélkül olyan vegyületeket vettek a grafithoz, mint például:

• ezüst ólom;
• vas-karbid;
• molibdén-szulfid.

Mindegyik feketére volt festve, ezért grafitnak tekintették. Később ezt a félreértést tisztázták, és a szénnek ez a formája önmaga lett.

1725 óta a gyémántok nagy kereskedelmi jelentőséggel bírnak, 1970-ben pedig elsajátították a mesterséges kinyerés technológiáját. Karl Scheele munkájának köszönhetően 1779 óta tanulmányozzák a szén kémiai tulajdonságait. Ez volt a kezdete egy sor fontos felfedezésnek ezen elem területén, és ez lett az alapja a legkülönlegesebb tulajdonságainak megismeréséhez.

Szénizotópok és eloszlás a természetben

Annak ellenére, hogy a kérdéses elem az egyik legfontosabb biogén, össztartalma a földkéreg tömegében 0,15%. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy állandó keringésnek van kitéve, ez egy természetes körforgás a természetben.

Általában több is létezikszéntartalmú ásványi vegyületek. Ezek olyan természetes fajták, mint:

• dolomitok és mészkövek;
• antracit;
• olajpala;
• földgáz;
• szén;
• olaj;
• lignit;
• tőzeg;
• bitumen.

Ezen kívül nem szabad megfeledkeznünk az élőlényekről sem, amelyek csak a szénvegyületek tárházai. Hiszen fehérjéket, zsírokat, szénhidrátokat, nukleinsavakat képeztek, ami a legfontosabb szerkezeti molekulákat jelenti. Általánosságban elmondható, hogy a száraz testtömeg 70 kg-ból történő átszámításánál 15 esik egy tiszta elemre. És ez minden emberrel így van, az állatokról, növényekről és más lényekről nem is beszélve.

Ha figyelembe vesszük a levegő és a víz összetételét, vagyis a hidroszféra egészét és a légkört, akkor szén-oxigén keverékről van szó, amelyet a következő képlet fejez ki: CO_{2. A dioxid vagy a szén-dioxid a levegőt alkotó egyik fő gáz. Ebben a formában a szén tömeghányada 0,046%. Még több szén-dioxid oldódik fel az óceánok vizében.}

A szén, mint elem atomtömege 12,011. Ismeretes, hogy ezt az értéket a természetben előforduló összes izotópfaj atomtömegének számtani átlagaként számítják ki, figyelembe véve előfordulásukat (százalékban).). Ez a szóban forgó anyag esetében is így van. Három fő izotóp van, amelyben szén található. Ez:

• ¹²С - tömeghányada a túlnyomó többségben 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - radioaktív, felezési idő 5700 év, stabil béta-kibocsátó.

A minták geokronológiai korának meghatározásának gyakorlatában széles körben alkalmazzák a ¹⁴С radioaktív izotópot, amely hosszú bomlási periódusa miatt mutató.

Egy elem allotróp módosításai

A szén egy olyan elem, amely egyszerű anyagként többféle formában létezik. Azaz a ma ismert legnagyobb számú allotróp módosulat kialakítására képes.

1. Kristályos változatok - erős szerkezetek formájában léteznek, szabályos atomi típusú rácsokkal. Ebbe a csoportba olyan fajták tartoznak, mint:

• gyémántok;
• fullerenes;
• grafit;
• karabélyok;
• lonsdaleites;
• szénszálak és csövek.

Mindegyik különbözik a kristályrács szerkezetében, melynek csomópontjaiban szénatom található. Ezért a teljesen egyedi, eltérő tulajdonságok, mind fizikai, mind kémiai.

2. Amorf formák - szénatom alkotja őket, amely néhány természetes vegyület része. Vagyis ezek nem tiszta fajták, hanem kis mennyiségben más elemek szennyeződéseivel. Ez a csoport a következőket tartalmazza:

• aktív szén;
• kő és fa;
• korom;
• szén nanohab;
• antracit;
• üveges karbon;
• egy technikai jellegű anyag.

Tulajdonságok is egyesítik őketa kristályrács szerkezetei, a tulajdonságok magyarázata és megnyilvánulása.

3. A szén vegyületei klaszterek formájában. Olyan szerkezet, amelyben az atomok belülről egy speciális konformációs üregbe záródnak, vízzel vagy más elemek magjaival megtöltve. Példák:

• szén nanokúpok;
• astralens;
• dikarbon.

Az amorf szén fizikai tulajdonságai

Az allotróp módosítások sokfélesége miatt nehéz azonosítani a szén általános fizikai tulajdonságait. Könnyebb egy konkrét formáról beszélni. Például az amorf szén a következő tulajdonságokkal rendelkezik.

1. Minden forma középpontjában a grafit finomkristályos változatai állnak.
2. Nagy hőkapacitás.
3. Jó vezetőképesség.
4. A szénsűrűség körülbelül 2 g/cm³.
5. 1600 ⁰C fölé melegítve átmenet történik a grafitformákra.

A korom-, faszén- és kőfajtákat széles körben használják ipari célokra. Tiszta formájában nem a szénmódosulás megnyilvánulásai, hanem nagyon nagy mennyiségben tartalmazzák azt.

Kristályos szén

Több lehetőség van arra, hogy a szén olyan anyag, amely különféle típusú szabályos kristályokat képez, ahol az atomok sorba kapcsolódnak. Ennek eredményeként a következő módosítások jönnek létre.

1. Gyémánt. A szerkezet köbös, amelyben négy tetraéder kapcsolódik. Ennek eredményeként az egyes atomok összes kovalens kémiai kötésemaximálisan telített és tartós. Ez magyarázza a fizikai tulajdonságokat: a szén sűrűsége 3300 kg/m³. Nagy keménység, alacsony hőkapacitás, elektromos vezetőképesség hiánya - mindez a kristályrács szerkezetének eredménye. Vannak műszakilag előállított gyémántok. A grafitnak a következő módosításra való átmenete során keletkeznek magas hőmérséklet és bizonyos nyomás hatására. Általában a gyémánt olvadáspontja olyan magas, mint a szilárdság – körülbelül 3500 ⁰C.
2. Grafit. Az atomok az előző anyag szerkezetéhez hasonlóan helyezkednek el, azonban csak három kötés telített, a negyedik pedig hosszabbá és kevésbé erőssé válik, összeköti a rács hatszögletű gyűrűinek "rétegeit". Ennek eredményeként kiderül, hogy a grafit tapintásra puha, zsíros fekete anyag. Jó elektromos vezetőképességgel és magas olvadásponttal rendelkezik - 3525 ⁰C. Képes szublimációra - szilárd halmazállapotból gáz halmazállapotúvá történő szublimáció, a folyékony halmazállapot megkerülésével (3700 ⁰С hőmérsékleten). A szén sűrűsége 2,26 g/cm^3, , ami sokkal kisebb, mint a gyémánté. Ez magyarázza különböző tulajdonságaikat. A kristályrács réteges szerkezete miatt lehetőség van grafit felhasználására ceruzavezetékek gyártásához. Amikor végighúzzák a papíron, a pelyhek leválanak, és fekete nyomot hagynak a papíron.
3. Fullerének. Csak a múlt század 80-as éveiben nyitották meg őket. Ezek olyan módosítások, amelyekben a szénatomok egy speciális konvex zárt szerkezetben kapcsolódnak egymáshoz, amelynek középpontja vanüresség. És a kristály formája - poliéder, a megfelelő szervezet. Az atomok száma páros. A fullerén leghíresebb formája a С₆₀. A kutatás során hasonló anyagból találtak mintákat:

• meteoritok;
• alsó üledékek;
• folgurit;
• sungite;
• világűr, ahol gázok formájában voltak benne.

A kristályos szén minden fajtája nagy gyakorlati jelentőséggel bír, mivel számos műszakilag hasznos tulajdonsággal rendelkezik.

Reaktivitás

A molekuláris szén alacsony reaktivitást mutat stabil konfigurációjának köszönhetően. Reakciókba csak úgy kényszeríthető, ha többletenergiát adunk az atomnak, és a külső szint elektronjait elpárologtatásra kényszerítjük. Ezen a ponton a vegyérték 4 lesz. Ezért a vegyületekben az oxidációs állapota + 2, + 4, - 4.

Gyakorlatilag minden reakció egyszerű anyagokkal – fémekkel és nemfémekkel egyaránt – magas hőmérséklet hatására megy végbe. A kérdéses elem lehet oxidálószer és redukálószer is. Ez utóbbi tulajdonságai azonban különösen hangsúlyosak benne, és ez az alapja a kohászati és más iparágakban való felhasználásának.

Általában a kémiai kölcsönhatásba lépés képessége három tényezőtől függ:

• szén diszperzió;
• allotropikus módosítás;
• reakció hőmérséklete.

Így bizonyos esetekben interakció lép fel a következőkkelanyagok:

• nemfémek (hidrogén, oxigén);
• fémek (alumínium, vas, kalcium és mások);
• fém-oxidok és sóik.

Nem lép reakcióba savakkal és lúgokkal, nagyon ritkán halogénekkel. A szén tulajdonságai közül a legfontosabb az, hogy képes egymással hosszú láncokat alkotni. Ciklusban zárhatnak, ágakat képezhetnek. Így keletkeznek a ma milliós számban lévő szerves vegyületek. Ezeknek a vegyületeknek az alapja két elem - szén, hidrogén. Más atomok is lehetnek benne: oxigén, nitrogén, kén, halogének, foszfor, fémek és mások.

Főbb vegyületek és jellemzőik

Sok különböző vegyület tartalmaz szenet. Közülük a leghíresebb képlete a CO₂ - szén-dioxid. Azonban ezen az oxidon kívül van még CO-monoxid vagy szén-monoxid, valamint szuboxid C₃O₂.

Az ezt az elemet tartalmazó sók közül a kalcium- és magnézium-karbonátok a leggyakoribbak. Tehát a kalcium-karbonátnak több szinonimája van a névben, mivel a természetben a következő formában fordul elő:

• kréta;
• márvány;
• mészkő;
• dolomit.

Az alkáliföldfém-karbonátok jelentősége abban nyilvánul meg, hogy aktív résztvevői a cseppkövek és sztalagmitok, valamint a talajvíz képződésének.

A szénsav egy másik vegyület, amely szenet képez. A képlete azH₂CO₃. Szokásos formájában azonban rendkívül instabil, és oldatban azonnal szén-dioxidra és vízre bomlik. Ezért csak a sói ismertek, önmagát nem, mint oldatot.

Szén-halogenidek - főként közvetetten nyerhetők, mivel a közvetlen szintézis csak nagyon magas hőmérsékleten és alacsony termékhozam mellett megy végbe. Az egyik leggyakoribb - CCL₄ - szén-tetraklorid. Mérgező vegyület, amely belélegezve mérgezést okozhat. A metánban a hidrogénatomok gyökös fotokémiai szubsztitúciós reakcióival nyerik.

A fémkarbidok olyan szénvegyületek, amelyekben 4-es oxidációs állapotot mutatnak. A bórral és a szilíciummal is kapcsolatba hozhatók. Egyes fémek (alumínium, volfrám, titán, nióbium, tantál, hafnium) karbidjainak fő tulajdonsága a nagy szilárdság és a kiváló elektromos vezetőképesség. A bór-karbid В₄С az egyik legkeményebb anyag a gyémánt után (Mohs szerint 9,5). Ezeket a vegyületeket a mérnöki iparban, valamint a vegyiparban használják szénhidrogének előállítására (a kalcium-karbid vízzel acetilén és kalcium-hidroxid képződéséhez vezet).

Sok fémötvözet szén felhasználásával készül, ami jelentősen javítja minőségüket és műszaki jellemzőit (az acél a vas és a szén ötvözete).

Különös figyelmet érdemel számos szerves szénvegyület, amelyekben a szén olyan alapvető elem, amely képes ugyanazokkal az atomokkal különböző szerkezetű hosszú láncokká egyesülni. Ezek a következők:

• alkánok;
• alkének;
• arenas;
• fehérjék;
• szénhidrát;
• nukleinsavak;
• alkoholok;
• karbonsavak és sok más anyagcsoport.

Szén felhasználása

A szénvegyületek és allotróp módosulásainak jelentősége nagyon nagy az emberi életben. Nevezhetsz néhányat a legglobálisabb iparágak közül, hogy egyértelmű legyen, hogy ez igaz.

1. Ez az elem minden típusú fosszilis tüzelőanyagot képez, amelyből az ember energiát kap.
2. A kohászati ipar a szenet használja a legerősebb redukálószerként, hogy vegyületeiből fémeket nyerjen ki. A karbonátokat itt is széles körben használják.
3. Az építőipar és a vegyipar hatalmas mennyiségű szénvegyületet fogyaszt az új anyagok szintéziséhez és a szükséges termékek előállításához.

A gazdaság ilyen ágazatait is megnevezheti:

• nukleáris ipar;
• ékszer;
• műszaki berendezések (kenőanyagok, hőálló tégelyek, ceruzák stb.);
• kőzetek geológiai korának meghatározása - radioaktív nyomjelző ¹⁴С;
• a szén kiváló adszorbens, ezért alkalmas szűrők készítésére.

Keringés a természetben

A természetben található széntömeg egy állandó körforgásban van, amely másodpercenként körbejárja a Földet. Így a légköri szénforrás - CO₂ elnyelődiknövények, és minden élőlény felszabadítja a légzés során. A légkörbe kerülve újra felszívódik, és így a körforgás nem áll meg. Ugyanakkor a szerves maradványok elpusztulása szén felszabadulásához és felhalmozódásához vezet a földben, ahonnan az élő szervezetek ismét elnyelik, és gáz formájában a légkörbe kerülnek.