CARBON: PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, OBȚINERE, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Carbon este un non - element chimic metalic al cărui simbol chimic este C. numit după cărbune vegetal sau mineral, în care atomii definesc diferite structuri. Mulți autori îl califică drept rege al elementelor, deoarece formează o gamă largă de compuși organici și anorganici și apare, de asemenea, într-un număr considerabil de alotrope.

Și dacă acest lucru nu este suficient pentru a se referi la el ca un element special, se găsește la toate ființele vii; toate biomoleculele sale își datorează existența stabilității și rezistenței legăturilor CC și tendinței lor înalte de concatenare. Carbonul este elementul vieții și, odată cu atomii săi, corpurile lor sunt construite.

Lemnul copacilor este compus în principal din carbohidrați, unul dintre numeroșii compuși bogați în carbon. Sursa: Pexels.

Compușii organici cu care sunt construite biomaterialele constau practic din scheleturi de carbon și heteroatomi. Acestea pot fi văzute cu ochiul liber în lemnul copacilor; și, de asemenea, când fulgerul îi lovește și îi prăjește. Solidul negru rămas are și carbon; dar este cărbune.

Astfel, există manifestări „moarte” ale acestui element: cărbune, un produs al combustiei în medii sărace cu oxigen; și cărbune mineral, produs al proceselor geologice. Ambele solide arată la fel, sunt negre și ard pentru a genera căldură și energie; deși cu randamente diferite.

Din acest moment, carbonul este al 15-lea cel mai abundent element din scoarța terestră. Nu este de mirare când sunt produse milioane de tone de cărbune anual. Aceste minerale diferă prin proprietățile lor în funcție de gradul de impurități, plasând antracitul drept cărbune mineral de cea mai înaltă calitate.

Crusta pământului nu este bogată numai în cărbuni minerali, ci și în carbonați, în special în calcar și dolomiți. Iar în ceea ce privește Universul, este al patrulea element mai abundent; Adică, există mai multe carbonuri pe alte planete.

Istoria carbonului

Retrospectivă

Carbonul poate fi la fel de vechi ca crusta terestră. Din vremuri imemoriale, civilizațiile antice au întâlnit acest element în numeroasele sale prezentări naturale: funingine, cărbune, cărbune, cărbune, diamante, grafit, gudron de cărbune, antracit etc.

Toate aceste solide, deși au împărtășit tonurile întunecate (cu excepția diamantului), restul proprietăților lor fizice, precum și compoziția lor, diferă remarcabil. Pe atunci era imposibil să se pretindă că în esență constau din atomi de carbon.

Astfel, de-a lungul istoriei, cărbunele a fost clasificat în funcție de calitatea sa în momentul arderii și furnizării de căldură. Și cu gazele formate prin arderea sa, s-au încălzit masele de apă, care la rândul lor au produs vapori care au mișcat turbine care au generat curenți electrici.

Carbonul, într-un mod neașteptat, a fost prezent în cărbune produs prin arderea copacilor în spații închise sau ermetice; în grafitul cu care au fost create creioanele; în diamante utilizate ca pietre; el era responsabil pentru duritatea oțelului.

Istoria sa merge mână în mână cu lemnul, praful de pușcă, gazele pentru iluminarea orașului, trenurile și navele, berea, lubrifianții și alte obiecte esențiale pentru înaintarea umanității.

Recunoaştere

În ce moment au putut oamenii de știință să asocieze alotropele și mineralele de carbon cu același element? Cărbunele a fost văzut ca un mineral și nu a fost gândit ca un element chimic demn de tabelul periodic. Primul pas ar fi trebuit să arate că toate aceste solide au fost transformate în același gaz: dioxid de carbon, CO ₂ .

În 1772, Antoine Lavoisier, folosind un cadru de lemn cu lentile mari, a focalizat razele soarelui pe eșantioane de cărbune și un diamant. El a descoperit că niciunul dintre ei nu formează vapori de apă, ci CO ₂ . A procedat la fel cu funinginea și a obținut aceleași rezultate.

Carl Wilhelm Scheele în 1779, a găsit relația chimică dintre cărbune și grafit; adică ambele solide erau compuse din aceiași atomi.

Smithson Tennant și William Hyde Wollaston în 1797 verificate metodologic (prin reacții) că diamantul a fost de fapt compus din carbon la producerea de CO ₂ din arderea sa.

Cu aceste rezultate, în scurt timp, lumina a fost aruncată pe grafit și diamant, solide formate din carbon și, prin urmare, de înaltă puritate; spre deosebire de solidele impure ale cărbunelui și ale altor minerale carbonace.

Proprietăți

Proprietățile fizice sau chimice găsite în materiale solide, minerale sau materiale carbonace sunt supuse multor variabile. Printre acestea se numără: compoziția sau gradul de impurități, hibridizarea atomilor de carbon, diversitatea structurilor și morfologia sau mărimea porilor.

Atunci când descrie proprietățile carbonului, majoritatea textelor sau surselor bibliografice se bazează pe grafit și diamant.

De ce? Deoarece sunt cele mai cunoscute alotrope pentru acest element și reprezintă solide sau materiale de înaltă puritate; adică, practic nu sunt decât niște atomi de carbon (deși cu structuri diferite, așa cum se va explica în secțiunea următoare).

Proprietățile cărbunelui și ale cărbunelui mineral diferă prin originea sau respectiv compozițiile lor. De exemplu, lignitul (carbon scăzut) ca combustibil se târăște în comparație cu antracitul (conținut ridicat de carbon). Și cum rămâne cu celelalte alotrope: nanotuburi, fullereni, grafene, graffine etc.

Cu toate acestea, chimic au un punct în comun: se oxidează cu un exces de oxigen în CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Acum, viteza sau temperatura pe care necesită să o oxideze sunt specifice fiecăruia dintre aceste alotrope.

Grafit vs diamant

Un scurt comentariu va fi de asemenea făcut aici cu privire la proprietățile foarte diferite pentru aceste două alotrope:

Tabel în care sunt comparate unele proprietăți ale celor două alotrope cristaline de carbon. Sursa: Gabriel Bolívar.

Structura și configurația electronică

Hibridizarea

Relația dintre orbitalii hibrizi și structurile posibile pentru carbon. Sursa: Gabriel Bolívar.

Configurația electronilor pentru atomul de carbon este 1s ² 2s ² 2p ² , de asemenea scris ca 2s ² 2p ² (imaginea de sus). Această reprezentare corespunde stării sale de bază: atomul de carbon izolat și suspendat într-un astfel de vid încât nu poate interacționa cu ceilalți.

Se poate observa că unul dintre orbitalii săi de 2p lipsește electroni, care acceptă un electron din orbitalul cu energie inferioară 2s prin promovarea electronică; și astfel, atomul dobândește capacitatea de a forma până la patru legături covalente prin intermediul celor patru sp ³ orbitali hibrizi .

Rețineți că toate cele patru orbitale sp ³ sunt degenerate de energie (aliniate la același nivel). Orbitalele p sunt mai energice, motiv pentru care sunt plasate deasupra celorlalte orbitale hibride (la dreapta imaginii).

Dacă există trei orbitali hibrizi, se datorează faptului că rămâne un orbital p nefibridizat; prin urmare, acestea sunt trei orbitale sp ² . Și când există două dintre aceste orbitale hibride, sunt disponibile două orbitale p pentru a forma legături duble sau triple, fiind hibridizarea carbonului sp.

Asemenea aspecte electronice sunt esențiale pentru a înțelege de ce se poate găsi carbonul în infinitele alotropelor.

Numere de oxidare

Înainte de a continua cu structurile, merită menționat că, având în vedere configurația electronică a valenței 2s ² 2p ² , carbonul poate avea următoarele numere de oxidare: +4, +2, 0, -2 și -4.

De ce? Aceste numere corespund presupunerii că există o legătură ionică astfel încât să formați ionii cu sarcinile respective; adică C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (neutru), C ^2- și C ^4- .

Pentru ca carbonul să aibă un număr de oxidare pozitiv, trebuie să piardă electroni; Și pentru a face acest lucru, trebuie să fie legat în mod necesar de atomi foarte electronegativi (cum ar fi oxigenul).

Între timp, pentru ca carbonul să aibă un număr de oxidare negativ, trebuie să câștige electroni prin legarea la atomii metalici sau mai puțin electronegativ decât acesta (cum ar fi hidrogenul).

Primul număr de oxidare, +4, înseamnă că carbonul și-a pierdut toți electronii de valență; orbitalele 2s și 2p rămân goale. Dacă orbitalul 2p își pierde cei doi electroni, carbonul va avea un număr de oxidare de +2; dacă câștigi doi electroni, vei avea -2; și dacă câștigi alți doi electroni completând octetul de valență, -4.

Exemple

De exemplu, pentru CO ₂ numărul de oxidare a carbonului este +4 (deoarece oxigenul este mai electronegativ); în timp ce pentru CH ₄ , este -4 (deoarece hidrogenul este mai puțin electronegativ).

Pentru CH ₃ OH, numărul de oxidare a carbonului este -2 (+1 pentru H și -2 pentru O); în timp ce pentru HCOOH, este +2 (verificați dacă suma dă 0).

Alte stări de oxidare, cum ar fi -3 și +3, sunt de asemenea probabil, mai ales când vine vorba de molecule organice; de exemplu, în grupele metil, -CH ₃ .

Geometrii moleculare

Imaginea superioară a arătat nu numai hibridizarea orbitalelor pentru atomul de carbon, dar și geometriile moleculare rezultate când mai mulți atomi (sfere negre) au fost legați de unul central. Acest atom central pentru a avea un mediu geometric specific în spațiu, trebuie să aibă hibridizarea chimică respectivă care să o permită.

De exemplu, pentru tetraedru, carbonul central are hibridizare sp ³ ; deoarece acesta este cel mai stabil aranjament pentru cele 4 sp ³ orbitale hibride . În cazul carbonilor sp ² , aceștia pot forma legături duble și au un mediu plan trigonal; și astfel aceste triunghiuri definesc un hexagon perfect. Iar pentru o hibridizare sp, carbunii adoptă o geometrie liniară.

Astfel, geometriile observate în structurile tuturor alotropurilor sunt guvernate pur și simplu de tetraedre (sp ³ ), hexagoane sau pentagoni (sp ² ) și linii (sp).

Tetraedrul definește o structură 3D, în timp ce hexagoni, pentagoni și linii, structuri 3D sau 2D; Acestea din urmă sunt planurile sau foile similare cu pereții fagurilor:

Perete cu modele hexagonale ale unui fagure în analogie cu avioanele compuse din carboni sp2. Sursa: Pixabay.

Și dacă pliem acest perete hexagonal (pentagonal sau mixt), vom obține un tub (nanotuburi) sau o bilă (fullerene), sau o altă figură. Interacțiunile dintre aceste figuri dau naștere la morfologii diferite.

Solidele amorfe sau cristaline

Lăsând la o parte geometriile, hibridizările sau morfologiile structurilor posibile ale carbonului, solidele sale pot fi clasificate global în două tipuri: amorfe sau cristaline. Și între aceste două clasificări alotropele lor sunt distribuite.

Carbonul amorf este pur și simplu unul care prezintă un amestec arbitrar de tetraedre, hexagoane sau linii, incapabile să stabilească un model structural; este cazul cărbunelui, cărbunelui sau cărbunelui activ, cocsului, funinginii etc.

În timp ce carbonul cristalin este format din tiparele structurale alcătuite din oricare dintre geometriile propuse; de exemplu, diamantul (rețea tridimensională de tetraedre) și grafit (foi hexagonale stivuite).

Obținerea

Carbonul poate fi pur ca grafitul sau diamantul. Acestea se găsesc în depozitele mineralogice respective, împrăștiate pe tot globul și în diferite țări. De aceea, unele țări sunt mai multe exportatoare ale unuia dintre aceste minerale decât altele. Pe scurt, „trebuie să săpați pământul” pentru a obține carbonul.

Același lucru se aplică cărbunelui mineral și tipurilor sale. Dar nu este cazul cu cărbune, deoarece un corp bogat în carbon trebuie să „piere” mai întâi, fie sub foc, fie cu un fulger electric; desigur, în absența oxigenului, altfel CO ₂ ar fi eliberat .

O întreagă pădure este o sursă de carbon precum cărbunele; nu numai pentru copacii săi, ci și pentru fauna sa.

În general, eșantioanele care conțin carbon trebuie să fie supuse pirolizei (arderea în absența oxigenului) pentru a elibera unele dintre impuritățile sub formă de gaze; și astfel, un solid bogat în carbon (amorf sau cristalin) rămâne ca un reziduu.

Aplicații

Din nou, la fel ca proprietățile și structura, utilizările sau aplicațiile sunt în concordanță cu alotropele sau formele mineralogice ale carbonului. Cu toate acestea, există anumite generalități care pot fi menționate, pe lângă unele puncte cunoscute. Acestea sunt:

-Carbonul a fost folosit mult timp ca agent de reducere a mineralelor pentru obținerea de metale pure; de exemplu, fier, siliciu și fosfor, printre altele.

-Este piatra de temelie a vieții, iar chimia organică și biochimia sunt studiile acestei reflecții.

-A fost și un combustibil fosil care a permis primelor mașini să-și pornească angrenajele. În același mod, din acesta a fost obținut gaz carbonic pentru vechile sisteme de iluminat. Cărbunele era sinonim cu lumina, căldura și energia.

-Mestecat ca aditiv cu fier în proporții diferite a permis invenția și îmbunătățirea oțelurilor.

-Coloarea sa neagră a avut loc în artă, în special în grafit și toate scrierile făcute cu liniile sale.

Riscuri și precauții

Carbonul și solidele sale nu prezintă niciun risc pentru sănătate. Cui i-a păsat o pungă de cărbune? Acestea sunt vândute în vehicule pe coridoarele unor piețe și atâta timp cât nu există foc în apropiere, blocurile lor negre nu vor arde.

Cocsul, pe de altă parte, poate prezenta un risc dacă conținutul de sulf este ridicat. Când arde, va elibera gaze sulfuroase care, pe lângă faptul că sunt toxice, contribuie la ploaia acidă. Și deși CO ₂ în cantități mici nu ne poate sufoca, are un impact imens asupra mediului ca gaz cu efect de seră.

Din această perspectivă, carbonul este un pericol „pe termen lung”, deoarece combustia sa modifică climatul planetei noastre.

Și într-un sens mai fizic, materialele solide sau carbune, dacă sunt pulverizate, sunt ușor transportate de curenții de aer; și, în consecință, sunt introduși direct în plămâni, ceea ce îi poate deteriora iremediabil.

În rest, este foarte obișnuit să consumi „cărbune” atunci când unele produse alimentare sunt gătite.

Referințe

1. Morrison, RT și Boyd, R, N. (1987). Chimie organica. Ediția a V-a. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Chimie organica. (Ediția a șasea). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chimie organica. Aminele. (Ediția a 10-a.) Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Carbonul, Allotropes și Structuri. Recuperat de la: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Cărbune. Chimie explicată. Recuperat de la: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (11 iulie 2018). 10 Fapte despre carbon (număr atomic 6 sau C). Recuperat de la: thinkco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Ce este Carbonul? - Fapte și lecție de istorie pentru copii. Studiu. Recuperat din: studiu.com
8. Foll. (Sf). Istoria carbonului. Recuperat din: tf.uni-kiel.de