Keadaan karbon. Ringkasan pelajaran "Struktur atom karbon

Karbon (dari bahasa Latin: carbo "batubara") adalah suatu unsur kimia dengan lambang C dan nomor atom 6. Empat elektron tersedia untuk membentuk ikatan kimia kovalen. Zat tersebut bukan logam dan tetravalen. Tiga isotop karbon terdapat secara alami, 12C dan 13C stabil, dan 14C merupakan isotop radioaktif yang membusuk dengan waktu paruh sekitar 5.730 tahun. Karbon adalah salah satu dari sedikit unsur yang dikenal sejak zaman kuno. Karbon adalah unsur paling melimpah ke-15 di kerak bumi, dan unsur paling melimpah keempat di alam semesta berdasarkan massa, setelah hidrogen, helium, dan oksigen. Kelimpahan karbon, keragaman unik senyawa organiknya, dan kemampuannya yang luar biasa untuk membentuk polimer pada suhu yang biasanya ditemukan di Bumi memungkinkan unsur ini berfungsi sebagai unsur umum bagi semua bentuk kehidupan yang diketahui. Ini adalah unsur paling melimpah kedua dalam tubuh manusia berdasarkan massa (sekitar 18,5%) setelah oksigen. Atom karbon dapat berikatan dengan cara yang berbeda-beda, yang disebut alotrop karbon. Alotrop yang paling terkenal adalah grafit, intan, dan karbon amorf. Sifat fisik karbon sangat bervariasi tergantung pada bentuk alotropiknya. Misalnya, grafit bersifat buram dan hitam, sedangkan berlian sangat transparan. Grafit cukup lunak untuk membentuk goresan di atas kertas (sesuai dengan namanya, dari kata kerja Yunani "γράφειν", yang berarti "menulis"), sedangkan intan adalah bahan paling keras yang diketahui di alam. Grafit merupakan konduktor listrik yang baik, sedangkan berlian memiliki konduktivitas listrik yang rendah. Dalam kondisi normal, berlian, tabung nano karbon, dan graphene memiliki konduktivitas termal tertinggi dibandingkan material yang diketahui. Semua alotrop karbon berbentuk padat dalam kondisi normal, dengan grafit menjadi bentuk yang paling stabil secara termodinamika. Mereka stabil secara kimia dan memerlukan suhu tinggi untuk bereaksi bahkan dengan oksigen. Bilangan oksidasi karbon yang paling umum dalam senyawa anorganik adalah +4, dan +2 dalam kompleks karboksil karbon monoksida dan logam transisi. Sumber karbon anorganik terbesar adalah batu kapur, dolomit, dan karbon dioksida, namun sejumlah besar berasal dari endapan organik batu bara, gambut, minyak bumi, dan metana klatrat. Karbon membentuk senyawa dalam jumlah yang sangat besar, lebih banyak dibandingkan unsur lainnya, dengan hampir sepuluh juta senyawa yang telah dijelaskan hingga saat ini, namun jumlah ini hanyalah sebagian kecil dari jumlah senyawa yang secara teoritis mungkin terjadi dalam kondisi standar. Oleh karena itu, karbon sering disebut sebagai “raja unsur”.

Karakteristik

Alotrop karbon termasuk grafit, salah satu zat paling lembut yang diketahui, dan intan, zat alami paling keras. Karbon mudah berikatan dengan atom kecil lainnya, termasuk atom karbon lainnya, dan mampu membentuk banyak ikatan kovalen yang stabil dengan atom multivalen yang sesuai. Karbon diketahui membentuk hampir sepuluh juta senyawa berbeda, yang merupakan sebagian besar dari semua senyawa kimia. Karbon juga memiliki titik sublimasi tertinggi dari semua unsur. Pada tekanan atmosfer, ia tidak memiliki titik leleh karena titik tripelnya adalah 10,8 ± 0,2 MPa dan 4600 ± 300 K (~4330 °C atau 7820 °F), sehingga ia menyublim pada suhu sekitar 3900 K. Grafit jauh lebih reaktif dibandingkan intan di bawah tekanan atmosfer. kondisi standar, meskipun lebih stabil secara termodinamika, karena sistem pi yang terdelokalisasi jauh lebih rentan terhadap serangan. Misalnya, grafit dapat dioksidasi dengan asam nitrat pekat panas dalam kondisi standar menjadi asam melitat C6(CO2H)6, yang mempertahankan unit heksagonal grafit sekaligus menghancurkan struktur yang lebih besar. Karbon menyublim dalam busur karbon yang suhunya sekitar 5.800 K (5.530 °C, 9.980 °F). Jadi, apapun bentuk alotropiknya, karbon tetap padat pada suhu yang lebih tinggi dari titik leleh tertinggi seperti tungsten atau renium. Meskipun karbon secara termodinamika rentan terhadap oksidasi, ia lebih tahan terhadap oksidasi dibandingkan unsur-unsur seperti besi dan tembaga, yang merupakan zat pereduksi yang lebih lemah pada suhu kamar. Karbon adalah unsur keenam dengan konfigurasi elektronik keadaan dasar 1s22s22p2, dengan empat elektron terluarnya merupakan elektron valensi. Empat energi ionisasi pertamanya adalah 1086,5, 2352,6, 4620,5 dan 6222,7 kJ/mol, jauh lebih tinggi daripada unsur-unsur golongan 14 yang lebih berat. Keelektronegatifan karbon adalah 2,5, jauh lebih tinggi daripada unsur-unsur yang lebih berat dari golongan 14 (1,8-1,9), tetapi hampir sama. ke sebagian besar non-logam di sekitarnya, serta beberapa logam transisi dari baris kedua dan ketiga. Jari-jari kovalen karbon umumnya dianggap 77,2 pm (C-C), 66,7 pm (C=C), dan 60,3 pm (C≡C), meskipun jari-jari ini dapat bervariasi tergantung pada bilangan koordinasi dan ikatan pada karbon. Secara umum, jari-jari kovalen mengecil dengan menurunnya bilangan koordinasi dan bertambahnya orde ikatan. Senyawa karbon membentuk dasar dari semua kehidupan yang diketahui di Bumi, dan siklus karbon-nitrogen menyediakan sebagian energi yang dilepaskan oleh Matahari dan bintang-bintang lainnya. Meskipun karbon membentuk senyawa yang sangat beragam, sebagian besar bentuk karbon relatif tidak reaktif dalam kondisi normal. Pada suhu dan tekanan standar, karbon dapat menahan semua zat pengoksidasi kecuali yang terkuat. Itu tidak bereaksi dengan asam sulfat, asam klorida, klorin atau alkali. Pada suhu tinggi, karbon bereaksi dengan oksigen membentuk karbon oksida dan menghilangkan oksigen dari oksida logam, meninggalkan unsur logam. Reaksi eksotermik ini digunakan dalam industri besi dan baja untuk melebur besi dan mengontrol kandungan karbon baja:

Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

dengan belerang untuk membentuk karbon disulfida dan dengan uap dalam reaksi gas batubara:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Karbon bergabung dengan logam tertentu pada suhu tinggi untuk membentuk logam karbida, seperti sementit dari besi karbida dalam baja dan tungsten karbida, banyak digunakan sebagai bahan abrasif dan sebagai bahan keras pada perkakas pemotong. Sistem alotrop karbon mencakup beberapa hal ekstrem:

Beberapa bentuk grafit digunakan untuk isolasi termal (seperti penghalang api dan pelindung panas), namun beberapa bentuk lain merupakan konduktor termal yang baik. Berlian adalah konduktor panas alami yang paling terkenal. Grafit tidak tembus cahaya. Berlian sangat transparan. Grafit mengkristal dalam sistem heksagonal. Berlian mengkristal dalam sistem kubik. Karbon amorf sepenuhnya isotropik. Tabung nano karbon adalah salah satu bahan anisotropik yang paling terkenal.

Alotrop karbon

Karbon atom adalah spesies yang berumur sangat pendek dan oleh karena itu karbon distabilkan dalam berbagai struktur poliatomik dengan konfigurasi molekul berbeda yang disebut alotrop. Tiga alotrop karbon yang relatif terkenal adalah karbon amorf, grafit, dan intan. Sebelumnya dianggap eksotik, fullerene sekarang umumnya disintesis dan digunakan dalam penelitian; ini termasuk buckyballs, carbon nanotubes, carbon nanodots dan nanofibers. Beberapa alotrop eksotik lainnya juga telah ditemukan, seperti lonsaletite, glassy carbon, nanofaum carbon, dan linear acetylene carbon (carbyne). Pada tahun 2009, graphene dianggap sebagai material terkuat yang pernah diuji. Proses pemisahannya dari grafit memerlukan pengembangan teknologi lebih lanjut sebelum menjadi ekonomis untuk proses industri. Jika berhasil, graphene dapat digunakan dalam pembangunan elevator ruang angkasa. Ini juga dapat digunakan untuk menyimpan hidrogen dengan aman untuk digunakan pada mesin berbasis hidrogen di mobil. Bentuk amorf adalah kumpulan atom karbon dalam keadaan non-kristal, tidak beraturan, seperti kaca, bukan terkandung dalam struktur makro kristal. Hadir dalam bentuk bubuk dan merupakan komponen utama zat seperti arang, jelaga lampu (jelaga) dan karbon aktif. Pada tekanan normal, karbon berbentuk grafit, di mana setiap atom terikat secara trigonal oleh tiga atom lainnya dalam suatu bidang yang terdiri dari cincin heksagonal yang menyatu, seperti pada hidrokarbon aromatik. Jaringan yang dihasilkan adalah dua dimensi, dan lembaran datar yang dihasilkan dilipat dan dihubungkan secara longgar melalui gaya van der Waals yang lemah. Hal ini memberikan kelembutan dan sifat belahan pada grafit (lembaran mudah meluncur melewati satu sama lain). Karena delokalisasi salah satu elektron terluar setiap atom untuk membentuk awan π, grafit menghantarkan listrik, tetapi hanya pada bidang setiap lembaran yang terikat secara kovalen. Hal ini menghasilkan konduktivitas listrik yang lebih rendah pada karbon dibandingkan kebanyakan logam. Delokalisasi juga menjelaskan stabilitas energik grafit dibandingkan intan pada suhu kamar. Pada tekanan yang sangat tinggi, karbon membentuk alotrop yang lebih kompak, intan, yang memiliki kepadatan hampir dua kali lipat grafit. Di sini, setiap atom terhubung secara tetrahedral dengan empat atom lainnya, membentuk jaringan tiga dimensi yang terdiri dari cincin atom beranggota enam yang berkerut. Berlian memiliki struktur kubik yang sama dengan silikon dan germanium, dan karena kekuatan ikatan karbon-karbonnya, berlian merupakan bahan alami yang paling keras, yang diukur dengan ketahanan gores. Bertentangan dengan kepercayaan populer bahwa "berlian selamanya", berlian tidak stabil secara termodinamika dalam kondisi normal dan berubah menjadi grafit. Karena penghalang energi aktivasi yang tinggi, transisi ke bentuk grafit sangat lambat pada suhu normal sehingga tidak terdeteksi. Dalam kondisi tertentu, karbon mengkristal menjadi lonsalit, kisi kristal heksagonal dengan semua atom terikat secara kovalen dan sifat serupa dengan berlian. Fullerene adalah formasi kristal sintetis dengan struktur seperti grafit, tetapi bukannya segi enam, fullerene terdiri dari atom karbon segi lima (atau bahkan heptagon). Atom yang hilang (atau berlebih) mengubah bentuk lembaran menjadi bola, elips, atau silinder. Sifat-sifat fullerene (dibagi menjadi buckyballs, bakitubes dan nanobads) belum sepenuhnya dianalisis dan mewakili bidang penelitian material nano yang intensif. Nama "fullerene" dan "buckyball" dikaitkan dengan nama Richard Buckminster Fuller, yang mempopulerkan kubah geodesik, yang menyerupai struktur fullerene. Buckyballs adalah molekul cukup besar yang seluruhnya terbentuk dari ikatan karbon secara trigonal, membentuk spheroid (yang paling terkenal dan paling sederhana adalah bucksynysterfellerene C60 yang berbentuk sepak bola). Tabung nano karbon secara struktural mirip dengan bola bucky, kecuali bahwa setiap atom terikat secara trigonal dalam lembaran melengkung yang membentuk silinder berongga. Bola nano pertama kali diperkenalkan pada tahun 2007 dan merupakan bahan hibrida (bola bucky terikat secara kovalen pada dinding luar tabung nano) yang menggabungkan sifat keduanya dalam satu struktur. Dari alotrop lain yang ditemukan, karbon nanofoam merupakan alotrop feromagnetik yang ditemukan pada tahun 1997. Ini terdiri dari kumpulan cluster atom karbon dengan kepadatan rendah yang direntangkan menjadi jaringan tiga dimensi yang longgar di mana atom-atom tersebut dihubungkan secara trigonal dalam cincin beranggota enam dan tujuh. Ini adalah salah satu padatan paling ringan dengan kepadatan sekitar 2 kg/m3. Demikian pula, karbon kaca mengandung porositas tertutup dalam jumlah besar, tetapi tidak seperti grafit biasa, lapisan grafit tidak bertumpuk seperti halaman dalam buku, tetapi tersusun lebih acak. Karbon asetilena linier memiliki struktur kimia - (C:::C)n-. Karbon dalam modifikasi ini linier dengan hibridisasi orbital sp dan merupakan polimer dengan ikatan tunggal dan rangkap tiga yang berselang-seling. Carbyne ini sangat menarik bagi nanoteknologi karena modulus Young-nya empat puluh kali lebih besar dibandingkan material yang paling keras, berlian. Pada tahun 2015, tim dari Universitas North Carolina mengumumkan pengembangan alotrop lain, yang mereka sebut Q-karbon, yang diciptakan oleh pulsa laser berenergi tinggi dan berdurasi rendah pada debu karbon amorf. Q-karbon dilaporkan menunjukkan feromagnetisme, fluoresensi, dan memiliki kekerasan yang lebih unggul dari berlian.

Prevalensi

Karbon adalah unsur kimia paling melimpah keempat di alam semesta berdasarkan massanya, setelah hidrogen, helium, dan oksigen. Karbon berlimpah di Matahari, bintang, komet, dan atmosfer sebagian besar planet. Beberapa meteorit mengandung berlian mikroskopis yang terbentuk saat tata surya masih berupa piringan protoplanet. Berlian mikroskopis juga dapat terbentuk di bawah tekanan kuat dan suhu tinggi akibat tumbukan meteorit. Pada tahun 2014, NASA mengumumkan database terbaru untuk melacak hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) di alam semesta. Lebih dari 20% karbon di alam semesta dapat dikaitkan dengan PAH, senyawa kompleks karbon dan hidrogen tanpa oksigen. Senyawa-senyawa ini termasuk dalam hipotesis PAH global, yang dihipotesiskan berperan dalam abiogenesis dan pembentukan kehidupan. PAH tampaknya terbentuk "beberapa miliar tahun" setelah Big Bang, tersebar luas di seluruh alam semesta, dan berhubungan dengan bintang-bintang baru dan exoplanet. Kerak bumi secara keseluruhan diperkirakan mengandung 730 ppm karbon, dengan 2.000 ppm terkandung di inti dan 120 ppm di gabungan mantel dan kerak bumi. Karena massa bumi adalah 5,9 · 72 × 1024 kg, ini berarti 4360 juta gigaton karbon. Jumlah ini jauh lebih banyak dibandingkan jumlah karbon di lautan atau atmosfer (di bawah). Dikombinasikan dengan oksigen dalam karbon dioksida, karbon ditemukan di atmosfer bumi (sekitar 810 gigaton karbon) dan larut di semua perairan (sekitar 36.000 gigaton karbon). Ada sekitar 1.900 gigaton karbon di biosfer. Hidrokarbon (seperti batu bara, minyak dan gas alam) juga mengandung karbon. “Cadangan” batubara (bukan “sumber daya”) berjumlah sekitar 900 gigaton dengan sumber daya mungkin sebesar 18.000 Gt. Cadangan minyak berjumlah sekitar 150 gigaton. Sumber gas alam yang terbukti berjumlah sekitar 175.1012 meter kubik (mengandung sekitar 105 gigaton karbon), namun penelitian memperkirakan 900.1012 meter kubik lainnya berasal dari endapan “tidak konvensional” seperti shale gas, yang berjumlah sekitar 540 gigaton karbon. Karbon juga ditemukan dalam hidrat metana di daerah kutub dan di bawah laut. Menurut berbagai perkiraan, jumlah karbon ini adalah 500, 2500 Gt, atau 3000 Gt. Dahulu jumlah hidrokarbon lebih banyak. Menurut sebuah sumber, antara tahun 1751 dan 2008, sekitar 347 gigaton karbon dilepaskan ke atmosfer sebagai karbon dioksida ke atmosfer dari pembakaran bahan bakar fosil. Sumber lain menambahkan jumlah yang ditambahkan ke atmosfer sejak tahun 1750 menjadi 879 Gt, dan jumlah total di atmosfer, laut, dan daratan (misalnya rawa gambut) hampir mencapai 2000 Gt. Karbon merupakan penyusun (12% massa) dari massa batuan karbonat yang sangat besar (batu kapur, dolomit, marmer, dll.). Batubara mengandung karbon dalam jumlah yang sangat tinggi (antrasit mengandung 92-98% karbon) dan merupakan sumber karbon mineral komersial terbesar, menyumbang 4.000 gigaton atau 80% bahan bakar fosil. Dalam hal alotrop karbon individu, grafit ditemukan dalam jumlah besar di Amerika Serikat (terutama New York dan Texas), Rusia, Meksiko, Greenland, dan India. Berlian alami ditemukan di batu kimberlite yang terdapat di “leher” atau “cerobong asap” vulkanik purba. Deposit berlian terbanyak ditemukan di Afrika, terutama di Afrika Selatan, Namibia, Botswana, Republik Kongo, dan Sierra Leone. Deposit berlian juga telah ditemukan di Arkansas, Kanada, Arktik Rusia, Brasil, serta Australia Utara dan Barat. Berlian juga kini diambil dari dasar laut di lepas Tanjung Harapan. Berlian terdapat secara alami, namun kini menghasilkan sekitar 30% dari seluruh berlian industri yang digunakan di Amerika Serikat. Karbon-14 terbentuk di troposfer atas dan stratosfer pada ketinggian 9-15 km melalui reaksi yang diendapkan oleh sinar kosmik. Neutron termal dihasilkan dan bertabrakan dengan inti nitrogen-14 untuk membentuk karbon-14 dan proton. Jadi, 1,2 × 1010% karbon dioksida di atmosfer mengandung karbon-14. Asteroid kaya karbon relatif dominan di bagian terluar sabuk asteroid tata surya kita. Asteroid ini belum diteliti secara langsung oleh para ilmuwan. Asteroid dapat digunakan dalam penambangan batubara hipotetis berbasis ruang angkasa, yang mungkin dapat dilakukan di masa depan tetapi saat ini secara teknologi tidak mungkin dilakukan.

Isotop karbon

Isotop karbon adalah inti atom yang mengandung enam proton ditambah sejumlah neutron (2 hingga 16). Karbon memiliki dua isotop stabil yang terbentuk secara alami. Isotop karbon-12 (12C) membentuk 98,93% karbon di Bumi, dan karbon-13 (13C) membentuk 1,07% sisanya. Konsentrasi 12C semakin meningkat dalam bahan biologis karena reaksi biokimia mendiskriminasi 13C. Pada tahun 1961, Persatuan Internasional Kimia Murni dan Terapan (IUPAC) mengadopsi isotop karbon-12 sebagai dasar berat atom. Identifikasi karbon dalam percobaan resonansi magnetik nuklir (NMR) dilakukan dengan isotop 13C. Karbon-14 (14C) adalah radioisotop alami yang terbentuk di atmosfer bagian atas (stratosfer bawah dan troposfer atas) melalui interaksi nitrogen dengan sinar kosmik. Hal ini ditemukan dalam jumlah kecil di Bumi hingga 1 bagian per triliun (0,0000000001%), terutama di atmosfer dan sedimen permukaan, khususnya gambut dan bahan organik lainnya. Isotop ini meluruh pada emisi β sebesar 0,158 MeV. Karena waktu paruhnya yang relatif singkat yaitu 5.730 tahun, 14C hampir tidak ada di batuan purba. Di atmosfer dan organisme hidup, jumlah 14C hampir konstan, namun menurun pada organisme setelah kematian. Prinsip ini digunakan dalam penanggalan radiokarbon, ditemukan pada tahun 1949, yang telah banyak digunakan untuk menentukan penanggalan bahan berkarbon hingga berusia 40.000 tahun. Terdapat 15 isotop karbon yang diketahui dan yang berumur paling pendek adalah 8C, yang meluruh melalui emisi proton dan peluruhan alfa dan memiliki waktu paruh 1,98739 x 10-21 s. 19C yang eksotik memperlihatkan halo nuklir, yang berarti jari-jarinya jauh lebih besar daripada yang diharapkan jika intinya adalah bola dengan kepadatan konstan.

Pendidikan di Bintang

Pembentukan inti atom karbon memerlukan tumbukan rangkap tiga partikel alfa (inti helium) yang hampir bersamaan di dalam inti bintang raksasa atau super raksasa, yang dikenal sebagai proses tripel alfa, karena produk dari reaksi fusi nuklir lebih lanjut antara helium dengan inti hidrogen atau inti helium lainnya masing-masing menghasilkan litium-5 dan berilium -8, keduanya sangat tidak stabil dan langsung membusuk kembali menjadi inti yang lebih kecil. Hal ini terjadi pada suhu lebih dari 100 megakalvin dan konsentrasi helium, yang tidak dapat diterima dalam ekspansi cepat dan pendinginan alam semesta awal, dan oleh karena itu tidak ada karbon dalam jumlah besar yang tercipta selama Big Bang. Menurut teori kosmologi fisik modern, karbon terbentuk di dalam bintang pada cabang horizontal melalui tumbukan dan transformasi tiga inti helium. Ketika bintang-bintang ini mati sebagai supernova, karbonnya tersebar ke luar angkasa sebagai debu. Debu ini menjadi bahan pembangun pembentukan sistem bintang generasi kedua atau ketiga dengan planet-planet yang bertambah. Tata surya adalah salah satu sistem bintang dengan karbon berlimpah, sehingga memungkinkan adanya kehidupan seperti yang kita tahu. Siklus CNO adalah mekanisme fusi tambahan yang menggerakkan bintang dimana karbon bertindak sebagai katalis. Transisi rotasi berbagai bentuk isotop karbon monoksida (seperti 12CO, 13CO, dan 18CO) terdeteksi dalam rentang panjang gelombang submilimeter dan digunakan dalam studi bintang yang baru terbentuk di awan molekul.

Siklus karbon

Dalam kondisi terestrial, konversi satu unsur ke unsur lainnya merupakan fenomena yang sangat langka. Oleh karena itu, jumlah karbon di bumi secara efektif bersifat konstan. Jadi, dalam proses yang menggunakan karbon, karbon harus diperoleh dari suatu tempat dan dimanfaatkan di tempat lain. Jalur karbon di lingkungan membentuk siklus karbon. Misalnya, tumbuhan fotosintetik mengekstrak karbon dioksida dari atmosfer (atau air laut) dan mengubahnya menjadi biomassa, seperti dalam siklus Calvin, yaitu proses fiksasi karbon. Sebagian dari biomassa ini dimakan oleh hewan, sementara sebagian karbon dihembuskan oleh hewan sebagai karbon dioksida. Siklus karbon jauh lebih kompleks dibandingkan siklus pendek ini; misalnya, sebagian karbon dioksida larut di lautan; jika bakteri tidak mengonsumsinya, tumbuhan atau hewan yang mati dapat menjadi minyak atau batu bara, yang melepaskan karbon saat dibakar.

Senyawa karbon

Karbon dapat membentuk rantai yang sangat panjang dari ikatan karbon-karbon yang saling bertautan, suatu sifat yang disebut pembentukan rantai. Ikatan karbon-karbon stabil. Berkat katanasi (pembentukan rantai), karbon membentuk senyawa yang tak terhitung jumlahnya. Evaluasi terhadap senyawa unik menunjukkan bahwa senyawa tersebut lebih banyak mengandung karbon. Pernyataan serupa juga dibuat untuk hidrogen karena sebagian besar senyawa organik juga mengandung hidrogen. Bentuk paling sederhana dari molekul organik adalah hidrokarbon, yaitu keluarga besar molekul organik yang terdiri dari atom hidrogen yang terikat pada rantai atom karbon. Panjang rantai, rantai samping, dan gugus fungsi mempengaruhi sifat molekul organik. Karbon ditemukan dalam semua bentuk kehidupan organik yang diketahui dan merupakan dasar kimia organik. Ketika digabungkan dengan hidrogen, karbon membentuk berbagai hidrokarbon yang penting bagi industri sebagai zat pendingin, pelumas, pelarut, bahan baku kimia untuk plastik dan produk minyak bumi, dan sebagai bahan bakar fosil. Jika digabungkan dengan oksigen dan hidrogen, karbon dapat membentuk banyak kelompok senyawa biologis penting, termasuk gula, lignan, kitin, alkohol, lemak dan ester aromatik, karotenoid, dan terpen. Dengan nitrogen, karbon membentuk alkaloid, dan dengan penambahan belerang juga membentuk antibiotik, asam amino, dan produk karet. Dengan penambahan fosfor ke unsur-unsur lain ini, ia membentuk DNA dan RNA, pembawa kode kimia kehidupan, dan adenosin trifosfat (ATP), molekul pengangkut energi terpenting di semua sel hidup.

Senyawa anorganik

Biasanya, senyawa yang mengandung karbon yang berasosiasi dengan mineral atau yang tidak mengandung hidrogen atau fluor diolah secara terpisah dari senyawa organik klasik; definisi ini tidak ketat. Diantaranya adalah karbon oksida sederhana. Oksida yang paling terkenal adalah karbon dioksida (CO2). Zat ini dulunya merupakan komponen utama paleoatmosfer, namun saat ini merupakan komponen kecil atmosfer bumi. Ketika dilarutkan dalam air, zat ini membentuk karbon dioksida (H2CO3), tetapi, seperti kebanyakan senyawa dengan beberapa monooksigen pada satu karbon, zat ini tidak stabil. Namun, melalui zat antara ini, ion karbonat stabil yang beresonansi terbentuk. Beberapa mineral penting adalah karbonat, terutama kalsit. Karbon disulfida (CS2) serupa. Oksida umum lainnya adalah karbon monoksida (CO). Ini terbentuk selama pembakaran tidak sempurna dan merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau. Setiap molekul mengandung ikatan rangkap tiga dan cukup polar, yang menyebabkannya terus-menerus berikatan dengan molekul hemoglobin, menggantikan oksigen, yang memiliki afinitas pengikatan lebih rendah. Sianida (CN-) memiliki struktur serupa tetapi berperilaku seperti ion halida (pseudohalogen). Misalnya, dapat membentuk molekul sianogen nitrida (CN)2), mirip dengan diatom halida. Oksida lain yang tidak umum adalah karbon suboksida (C3O2), karbon monoksida (C2O) yang tidak stabil, karbon trioksida (CO3), pepton siklopentana (C5O5), sikloheksana hekson (C6O6), dan anhidrida melitik (C12O9). Dengan logam reaktif seperti tungsten, karbon membentuk karbida (C4-) atau asetilida (C2-2) untuk membentuk paduan dengan titik leleh tinggi. Anion ini juga berasosiasi dengan metana dan asetilena, keduanya merupakan asam yang sangat lemah. Dengan keelektronegatifan 2,5, karbon lebih suka membentuk ikatan kovalen. Beberapa karbida merupakan kisi kovalen seperti karborundum (SiC), yang menyerupai intan. Namun, karbida yang paling polar dan asin sekalipun bukanlah senyawa ionik sepenuhnya.

Senyawa organologam

Senyawa organologam, menurut definisi, mengandung setidaknya satu ikatan karbon-logam. Ada berbagai macam senyawa seperti itu; golongan utama mencakup senyawa alkil-logam sederhana (misalnya tetraetil alida), senyawa η2-alkena (misalnya garam Zeise), dan senyawa η3-allylic (misalnya dimer alilpaladium klorida); metalosen mengandung ligan siklopentadienil (misalnya ferosen); dan kompleks karbena dari logam transisi. Ada banyak karbonil logam (misalnya tetrakarbonilnikel); Beberapa peneliti percaya bahwa ligan karbon monoksida adalah senyawa anorganik murni, bukan senyawa organologam. Meskipun karbon diperkirakan secara eksklusif membentuk empat ikatan, sebuah senyawa menarik yang mengandung atom karbon heksakoordinat oktahedral telah dilaporkan. Kation senyawa ini adalah 2+. Fenomena ini dijelaskan oleh aurofilisitas ligan emas. Pada tahun 2016, heksametilbenzena dipastikan mengandung atom karbon dengan enam ikatan, bukan empat ikatan biasa.

Sejarah dan etimologi

Nama karbon dalam bahasa Inggris berasal dari bahasa Latin carbo, yang berarti "batubara" dan "arang", maka dari itu kata Perancis charbon, yang berarti "arang". Dalam bahasa Jerman, Belanda dan Denmark, nama karbon masing-masing adalah Kohlenstoff, koolstof dan kulstof, yang secara harafiah berarti zat batubara. Karbon ditemukan pada zaman prasejarah dan dikenal dalam bentuk jelaga dan arang pada peradaban manusia paling awal. Berlian mungkin sudah dikenal sejak tahun 2500 SM. di Cina, dan karbon dalam bentuk arang dibuat pada zaman Romawi dengan bahan kimia yang sama seperti sekarang, dengan memanaskan kayu dalam piramida yang dilapisi tanah liat untuk mengecualikan udara. Pada tahun 1722, René Antoine Ferjo de Reamur mendemonstrasikan bahwa besi diubah menjadi baja melalui penyerapan zat yang sekarang dikenal sebagai karbon. Pada tahun 1772, Antoine Lavoisier menunjukkan bahwa berlian adalah salah satu bentuk karbon; ketika dia membakar sampel arang dan berlian dan menemukan bahwa keduanya tidak menghasilkan air, dan kedua zat tersebut melepaskan karbon dioksida dalam jumlah yang sama per gramnya. Pada tahun 1779, Karl Wilhelm Scheele menunjukkan bahwa grafit, yang dianggap sebagai salah satu bentuk timbal, ternyata identik dengan arang tetapi dengan sedikit campuran besi, dan menghasilkan "asam udara" (yaitu karbon dioksida) ketika dioksidasi dengan asam nitrat. Pada tahun 1786, ilmuwan Perancis Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge, dan C. A. Vandermonde menegaskan bahwa grafit pada dasarnya adalah karbon dengan mengoksidasinya dalam oksigen dengan cara yang sama seperti yang dilakukan Lavoisier dengan berlian. Beberapa besi tersisa lagi, yang diyakini oleh para ilmuwan Perancis diperlukan untuk struktur grafit. Dalam publikasinya, mereka mengusulkan nama carbone (Latin carbonum) untuk unsur dalam grafit yang dilepaskan sebagai gas ketika grafit dibakar. Antoine Lavoisier kemudian mencantumkan karbon sebagai unsur dalam buku teksnya tahun 1789. Alotrop karbon baru, fullerene, yang ditemukan pada tahun 1985, mencakup bentuk berstrukturnano seperti buckyballs dan nanotube. Penemunya, Robert Curl, Harold Croteau dan Richard Smalley, menerima Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1996. Minat baru terhadap bentuk-bentuk baru menghasilkan penemuan alotrop eksotik tambahan, termasuk karbon kaca, dan kesadaran bahwa "karbon amorf" tidak sepenuhnya amorf.

Produksi

Grafit

Deposit grafit alam yang layak secara komersial terdapat di banyak belahan dunia, namun sumber yang paling penting secara ekonomi ditemukan di Cina, India, Brasil, dan Korea Utara. Endapan grafit berasal dari metamorf, ditemukan berasosiasi dengan kuarsa, mika, dan feldspar pada sekis, gneis, dan batupasir serta batugamping yang bermetamorfosis sebagai lensa atau urat, terkadang tebalnya beberapa meter atau lebih. Pasokan grafit di Borrowdale, Cumberland, Inggris, pada awalnya memiliki ukuran dan kemurnian yang cukup sehingga hingga abad ke-19 pensil dibuat hanya dengan menggergaji balok grafit alam menjadi potongan-potongan sebelum menempelkan potongan tersebut ke kayu. Saat ini, endapan grafit yang lebih kecil dihasilkan dengan menghancurkan batuan induk dan mengapungkan grafit yang lebih ringan di atas air. Ada tiga jenis grafit alam - amorf, serpihan, atau kristal. Grafit amorf memiliki kualitas paling rendah dan paling umum. Berbeda dengan sains, dalam industri "amorf" mengacu pada ukuran kristal yang sangat kecil dan bukan struktur kristal yang tidak ada sama sekali. Kata "amorf" digunakan untuk menggambarkan produk dengan jumlah grafit rendah dan merupakan grafit termurah. Deposit besar grafit amorf berlokasi di Cina, Eropa, Meksiko, dan Amerika Serikat. Grafit datar kurang umum dan kualitasnya lebih tinggi dibandingkan grafit amorf; itu tampak sebagai lempeng individu yang mengkristal dalam batuan metamorf. Harga grafit granular bisa empat kali lebih tinggi dibandingkan harga grafit amorf. Grafit serpihan berkualitas baik dapat diolah menjadi grafit yang dapat diperluas untuk banyak aplikasi seperti penghambat api. Deposit utama grafit ditemukan di Austria, Brazil, Kanada, Cina, Jerman dan Madagaskar. Grafit cair atau bongkahan adalah jenis grafit alam yang paling langka, paling berharga, dan berkualitas tertinggi. Mineral ini ditemukan dalam urat sepanjang kontak intrusif dalam potongan keras, dan hanya ditambang secara komersial di Sri Lanka. Menurut USGS, produksi grafit alam global pada tahun 2010 adalah 1,1 juta ton, dengan Tiongkok memproduksi 800.000 ton, India 130.000 ton, Brasil 76.000 ton, Korea Utara 30.000 ton, dan Kanada - 25.000 ton. Tidak ada grafit alam yang ditambang di Amerika Serikat , tetapi 118.000 ton grafit sintetis ditambang pada tahun 2009 dengan perkiraan nilai $998 juta.

Berlian

Pasokan berlian dikendalikan oleh sejumlah perusahaan dan sangat terkonsentrasi di sejumlah kecil lokasi di seluruh dunia. Hanya sebagian kecil bijih intan yang terdiri dari intan asli. Bijihnya dihancurkan, di mana kehati-hatian harus diberikan untuk mencegah berlian besar hancur dalam prosesnya, dan partikel-partikelnya kemudian diurutkan berdasarkan kepadatannya. Saat ini, berlian ditambang menjadi fraksi kaya berlian menggunakan fluoresensi sinar-X, setelah itu langkah penyortiran terakhir dilakukan secara manual. Sebelum sinar-X digunakan secara luas, pemisahan dilakukan dengan menggunakan sabuk pelumas; Diketahui bahwa berlian hanya ditemukan di endapan aluvial di India selatan. Diketahui bahwa berlian lebih cenderung menempel pada massa dibandingkan mineral lain dalam bijihnya. India adalah pemimpin dalam produksi berlian sejak penemuannya sekitar abad ke-9 SM hingga pertengahan abad ke-18 M, namun potensi komersial dari sumber-sumber ini telah habis pada akhir abad ke-18, dan pada saat itu India telah dibayangi oleh berlian. Brasil, tempat berlian pertama ditemukan pada tahun 1725. Produksi intan dari deposit primer (kimberlite dan lamproites) baru dimulai pada tahun 1870-an, setelah ditemukannya deposit intan di Afrika Selatan. Produksi berlian telah meningkat seiring berjalannya waktu dan total 4,5 miliar karat telah terakumulasi sejak saat itu. Sekitar 20% dari jumlah ini telah diproduksi dalam 5 tahun terakhir saja, dan dalam sepuluh tahun terakhir, 9 deposit baru telah mulai berproduksi, dan 4 deposit lainnya menunggu untuk segera ditemukan. Sebagian besar simpanan ini berlokasi di Kanada, Zimbabwe, Angola dan satu di Rusia. Di Amerika Serikat, berlian telah ditemukan di Arkansas, Colorado dan Montana. Pada tahun 2004, penemuan berlian mikroskopis yang menakjubkan di Amerika Serikat menyebabkan pelepasan sampel besar-besaran pipa kimberlite pada bulan Januari 2008 di daerah terpencil di Montana. Saat ini, sebagian besar simpanan berlian yang layak secara komersial ditemukan di Rusia, Botswana, Australia, dan Republik Demokratik Kongo. Pada tahun 2005, Rusia memproduksi hampir seperlima pasokan berlian dunia, menurut British Geological Survey. Pipa berlian terkaya di Australia mencapai tingkat produksi puncak sebesar 42 metrik ton (41 t; 46 short ton) per tahun pada tahun 1990-an. Ada juga deposit komersial, produksi aktifnya dilakukan di Wilayah Barat Laut Kanada, Siberia (terutama di Yakutia, misalnya, di Pipa Mir dan Pipa Udachnaya), di Brasil, serta di Utara dan Barat. Australia.

Aplikasi

Karbon sangat penting untuk semua sistem kehidupan yang diketahui. Tanpanya, keberadaan kehidupan seperti yang kita tahu tidak mungkin terjadi. Pemanfaatan karbon secara ekonomi utama, selain pangan dan kayu, adalah untuk hidrokarbon, terutama bahan bakar fosil, gas metana, dan minyak mentah. Minyak mentah diproses oleh kilang minyak untuk menghasilkan bensin, minyak tanah dan produk lainnya. Selulosa adalah polimer alami yang mengandung karbon yang diproduksi oleh tanaman dalam bentuk kayu, kapas, rami, dan rami. Selulosa digunakan terutama untuk menjaga struktur tanaman. Polimer karbon turunan hewan yang bernilai komersial meliputi wol, kasmir, dan sutra. Plastik terbuat dari polimer karbon sintetik, seringkali dengan atom oksigen dan nitrogen yang dimasukkan secara berkala dalam rantai polimer utama. Bahan baku sebagian besar bahan sintetis ini berasal dari minyak mentah. Pemanfaatan karbon dan senyawanya sangat beragam. Karbon dapat membentuk paduan dengan besi, yang paling umum adalah baja karbon. Grafit bergabung dengan tanah liat untuk membentuk “timah” yang digunakan pada pensil yang digunakan untuk menulis dan menggambar. Ia juga digunakan sebagai pelumas dan pigmen, sebagai bahan cetakan dalam pembuatan kaca, dalam elektroda untuk baterai sel kering dan pelapisan listrik dan pembentukan listrik, dalam sikat untuk motor listrik, dan sebagai moderator neutron dalam reaktor nuklir. Batubara digunakan sebagai bahan pembuatan karya seni, sebagai pemanggang barbekyu, untuk peleburan besi, dan masih banyak kegunaan lainnya. Kayu, batu bara, dan minyak digunakan sebagai bahan bakar untuk produksi energi dan pemanas. Berlian berkualitas tinggi digunakan dalam pembuatan perhiasan, dan berlian industri digunakan untuk mengebor, memotong, dan memoles peralatan pengerjaan logam dan batu. Plastik terbuat dari fosil hidrokarbon, dan serat karbon, dibuat dengan pirolisis serat poliester sintetis, digunakan untuk memperkuat plastik guna membentuk material komposit yang canggih dan ringan. Serat karbon dibuat dengan pirolisis untaian poliakrilonitril (PAN) yang diekstrusi dan diregangkan serta zat organik lainnya. Struktur kristal dan sifat mekanik serat bergantung pada jenis bahan sumber dan pemrosesan selanjutnya. Serat karbon berbahan PAN memiliki struktur yang menyerupai untaian grafit yang sempit, namun perlakuan panas dapat mengatur ulang struktur tersebut menjadi lembaran yang berkesinambungan. Hasilnya, serat memiliki kekuatan tarik spesifik yang lebih tinggi dibandingkan baja. Karbon hitam digunakan sebagai pigmen hitam pada tinta cetak, cat minyak dan cat air seniman, kertas karbon, finishing otomotif, tinta dan printer laser. Karbon hitam juga digunakan sebagai bahan pengisi pada produk karet seperti ban dan kompon plastik. Karbon aktif digunakan sebagai penyerap dan adsorben dalam media filter dalam berbagai aplikasi seperti masker gas, penjernihan air dan tudung dapur, serta dalam pengobatan untuk menyerap racun, racun atau gas dari sistem pencernaan. Karbon digunakan dalam reduksi kimia pada suhu tinggi. Kokas digunakan untuk mereduksi bijih besi menjadi besi (peleburan). Pengerasan baja dicapai dengan memanaskan komponen baja jadi dalam bubuk karbon. Silikon, tungsten, boron dan titanium karbida termasuk bahan yang paling keras dan digunakan sebagai bahan abrasif untuk memotong dan menggiling. Senyawa karbon membentuk sebagian besar bahan yang digunakan dalam pakaian, seperti tekstil dan kulit alami dan sintetis, serta hampir semua permukaan interior di lingkungan selain kaca, batu, dan logam.

berlian

Industri intan dibagi menjadi dua kategori, yang satu adalah intan (permata) berkualitas tinggi dan yang lainnya adalah intan kelas industri. Meskipun terdapat perdagangan besar untuk kedua jenis berlian tersebut, kedua pasar tersebut beroperasi dengan cara yang sangat berbeda. Berbeda dengan logam mulia seperti emas atau platinum, berlian batu permata tidak diperdagangkan sebagai komoditas: berlian dijual dengan harga premium yang signifikan dan pasar penjualan kembali berlian tidak terlalu aktif. Berlian industri dihargai terutama karena kekerasan dan konduktivitas termalnya, sedangkan kualitas permata dalam hal kejernihan dan warna sebagian besar tidak relevan. Sekitar 80% berlian yang ditambang (setara dengan sekitar 100 juta karat atau 20 ton per tahun) tidak dapat digunakan dan digunakan dalam industri (bekas berlian). Berlian sintetis, ditemukan pada tahun 1950-an, segera digunakan dalam industri; 3 miliar karat (600 ton) berlian sintetis diproduksi setiap tahunnya. Kegunaan intan dalam industri yang dominan adalah pemotongan, pengeboran, penggilingan dan pemolesan. Sebagian besar aplikasi ini tidak memerlukan berlian besar; Faktanya, sebagian besar berlian berkualitas permata, kecuali berlian berukuran kecil, dapat digunakan secara industri. Berlian dimasukkan ke dalam mata bor atau mata gergaji atau digiling menjadi bubuk untuk digunakan dalam penggilingan dan pemolesan. Aplikasi khusus mencakup penggunaan laboratorium sebagai penyimpanan eksperimen bertekanan tinggi, bantalan berkinerja tinggi, dan penggunaan terbatas pada jendela khusus. Berkat kemajuan dalam produksi berlian sintetis, penerapan baru menjadi mungkin dilakukan. Banyak perhatian telah diberikan pada kemungkinan penggunaan berlian sebagai semikonduktor yang cocok untuk microchip dan, karena konduktivitas termalnya yang luar biasa, sebagai penyerap panas dalam elektronik.

Gagasan bahwa ikatan kimia dapat dihasilkan dari pembagian sepasang elektron antara dua atom dikemukakan oleh Lewis (1916) dan dikembangkan oleh Heitler dan London (1927). Selanjutnya, Linus Pauling memperkenalkan konsep yang sangat penting tentang valensi terarah dan hibridisasi orbital.

Sesuai dengan konsepnya valensi terarah, ikatan atom dilakukan dalam arah yang menjamin tumpang tindih orbital maksimum. Semakin baik tumpang tindihnya, semakin kuat ikatannya, dan hanya dengan tumpang tindih maksimum energi minimum sistem dapat dicapai.

Atom karbon dalam keadaan dasarnya mempunyai struktur elektronik 1s22s22p2. Mari kita perhatikan dengan cermat distribusi elektron antar orbital dalam atom karbon:

Dua elektron yang tidak berpasangan hanya dapat membentuk dua ikatan kimia dengan atom lain, sehingga sesuai dengan skema ini, atom karbon harus divalen. Namun dalam kimia organik, atom karbon selalu memiliki valensi empat.

Untuk membentuk empat ikatan kovalen, atom karbon harus memiliki empat elektron tidak berpasangan.

Bagaimana menjelaskan tetravalensi karbon?

Sebuah atom dapat mengubah keadaan valensinya ketika pasangan elektron dipasangkan dan dipindahkan ke orbital atom lainnya. Dalam kasus kita, satu elektron dari orbital s berpindah ke orbital p bebas.

Mari kita perhatikan pembentukan ikatan dalam molekul senyawa hidrogen karbon yang paling sederhana - dalam molekul metana (CH4). Setiap atom hidrogen memiliki satu elektron tidak berpasangan pada orbital s pada lapisan elektron pertama (1s1). Sebuah atom karbon dalam keadaan tereksitasi memiliki empat elektron tidak berpasangan: satu di orbital s dan tiga di orbital p pada lapisan kedua. Kita dapat memperkirakan bahwa, karena perbedaan bentuk orbital s dan p, ikatan antara atom karbon dan atom hidrogen akan menjadi tidak seimbang. Penelitian menunjukkan bahwa ikatan dalam molekul metana adalah setara.

Dalam hal ini ternyata orbital atom hibrid , elektron

di mana mereka memiliki energi rata-rata.

Jadi, elektron 1-s dan 3 elektron p ikut serta dalam hibridisasi, oleh karena itu disebut hibridisasi jenis ini sp 3 -hibridisasi . Keadaan orbital atom karbon ini disebut keadaan valensi pertama. Karena empat elektron terlibat dalam hibridisasi, empat orbital hibrid identik terbentuk. Ketika orbital hibrid terbentuk, mereka bergerak sejauh mungkin satu sama lain. Sudut di antara keduanya ternyata sama dengan 109028/, yaitu, semua orbital hibrid atom karbon dalam keadaan hibridisasi sp3 diarahkan ke simpul tetrahedron - piramida segitiga beraturan.

Ikatan kimia adalah tumpang tindih orbital atom . Karena karbon bersifat tetravalen, akan ada empat ikatan kimia. Atom hidrogen memiliki satu elektron tidak berpasangan pada orbital s dan berbentuk bola. Oleh karena itu, molekul metana CH4 memiliki struktur spasial sebagai berikut.

Molekul etana CH3 – CH3 akan memiliki struktur spasial berikut:

https://pandia.ru/text/80/289/images/image016_17.jpg" align="left" width="147 height=110" height="110">Tidak semua orbital p suatu atom dapat ikut serta dalam hibridisasi Jadi, dari satu orbital s - dan dua p, terbentuk tiga orbital hibrid sp2, yang sudut antara keduanya adalah 1200 (segitiga sama sisi datar). Satu orbital p yang tersisa terletak tegak lurus terhadap bidang di mana orbital non-hibrid terletak. elektron p akan berpartisipasi dalam pembentukan ikatan π, yang terbentuk ketika awan p tumpang tindih secara lateral dan terletak di atas dan di bawah bidang inti ikatan.

Kita menemukan hibridisasi sp2 pada senyawa dengan ikatan rangkap; atom-atom yang membentuk ikatan rangkap akan berada pada hibridisasi sp2.

Mari kita perhatikan struktur spasial molekul etena CH2 = CH2, di mana atom karbon berada dalam keadaan hibridisasi sp2. Garis bergelombang pada gambar menunjukkan tumpang tindih orbital p non-hibrid (ikatan π).

Keadaan valensi ketiga dari atom karbon, sp – hibridisasi .

Ketika satu orbital s dan satu orbital p dari atom karbon bercampur, terjadi hibridisasi sp. Dalam hibridisasi sp orbital atom, dua orbital p tetap tidak terhibridisasi. Orbital hibrid sp berorientasi pada sudut 1800 satu sama lain (konfigurasi linier).

Dua orbital p yang tidak terlibat dalam hibridisasi terletak saling tegak lurus dan berpartisipasi dalam pembentukan dua ikatan π. Kita jumpai hibridisasi sp pada senyawa dengan ikatan rangkap tiga, atom karbon yang membentuk ikatan rangkap tiga akan berada pada hibridisasi sp.

Jadi , atom karbon yang terlibat dalam pembentukan ikatan tunggal sederhana berada dalam keadaan hibridisasi sp3, atom karbon yang terlibat dalam pembentukan ikatan rangkap berada dalam keadaan hibridisasi sp2, atom karbon terlibat dalam pembentukan ikatan rangkap tiga berada dalam keadaan hibridisasi sp. Setiap ikatan rangkap akan selalu mempunyai satu ikatan σ, sisanya akan menjadi ikatan π. Misalnya, dalam molekul CH2 = CH2, antara atom karbon, satu ikatan adalah ikatan σ, yang lainnya adalah ikatan π. Dalam molekul CH≡CH antara atom karbon terdapat satu ikatan σ dan dua ikatan π.

Uji diri Anda untuk melihat bagaimana Anda memahami topik tersebut dengan menyelesaikan tugas tes:

1. Berapa banyak ikatan π yang dikandung molekul butena -1 (CH3 – CH2 – CH = CH2):

a) 2, b) 4, c) 1, c) 12.

2. Berapa banyak atom karbon dalam molekul pentin-2 (CH3 – C ≡ C – CH2 – CH3) yang berada dalam keadaan hibridisasi sp3:

a) kelima atom karbon, b) 2, c) 1, d) 3.

3.Berapa konfigurasi kesetimbangan yang diharapkan dari molekul CH2 = CH2:

a) linier, b) bersudut, c) segitiga sama sisi datar, d) tetrahedron.

4. Pilih senyawa yang mempunyai ciri ikatan kovalen polar:

a) Cl2; b) C - H;

5. Tentukan jenis hibridisasi orbital atom dengan menggunakan data berikut:

Jawaban tes yang benar:

1. (c); 2. (d); 3. (c); 4. (c); 5.sp2.

Bidang penting penerapan praktis penemuan-penemuan terbaru di bidang fisika, kimia, dan bahkan astronomi adalah penciptaan dan penelitian material baru dengan sifat yang tidak biasa, terkadang unik. Kami akan berbicara tentang arah pelaksanaan pekerjaan ini dan apa yang telah berhasil dicapai para ilmuwan dalam serangkaian artikel yang dibuat dalam kemitraan dengan Universitas Federal Ural. Teks pertama kami dikhususkan untuk bahan tidak biasa yang dapat diperoleh dari zat paling umum - karbon.

Jika Anda bertanya kepada ahli kimia unsur mana yang paling penting, Anda akan mendapatkan banyak jawaban berbeda. Beberapa orang akan mengatakan tentang hidrogen - unsur paling umum di Alam Semesta, yang lain tentang oksigen - unsur paling umum di kerak bumi. Namun paling sering Anda akan mendengar jawaban “karbon” - ini adalah dasar dari semua zat organik, mulai dari DNA dan protein hingga alkohol dan hidrokarbon.

Artikel kami dikhususkan untuk beragam bentuk elemen ini: ternyata lusinan bahan berbeda dapat dibuat dari atomnya saja - dari grafit hingga intan, dari karbina hingga fullerena dan tabung nano. Meskipun semuanya tersusun dari atom karbon yang persis sama, sifat-sifatnya sangat berbeda - dan peran utama dalam hal ini dimainkan oleh susunan atom dalam material.

Grafit

Paling sering di alam, karbon murni dapat ditemukan dalam bentuk grafit - bahan hitam lembut yang mudah terkelupas dan terasa licin saat disentuh. Banyak orang mungkin ingat bahwa ujung pensil terbuat dari grafit - namun hal ini tidak selalu benar. Seringkali timah dibuat dari gabungan keping grafit dan lem, tetapi ada juga pensil grafit seluruhnya. Menariknya, lebih dari seperdua puluh produksi grafit alam dunia digunakan untuk membuat pensil.

Apa yang istimewa dari grafit? Pertama-tama, ia menghantarkan listrik dengan baik - meskipun karbon sendiri tidak seperti logam lainnya. Jika kita mengambil pelat grafit, ternyata konduktivitas sepanjang bidangnya sekitar seratus kali lebih besar daripada arah melintang. Hal ini berhubungan langsung dengan bagaimana atom karbon dalam material disusun.

Jika kita melihat struktur grafit, kita akan melihat bahwa grafit terdiri dari lapisan-lapisan individu setebal satu atom. Tiap lapisan berupa kisi-kisi segi enam, mengingatkan kita pada sarang lebah. Atom karbon di dalam lapisan dihubungkan oleh ikatan kimia kovalen. Selain itu, beberapa elektron yang menyediakan ikatan kimia “dioleskan” ke seluruh bidang. Kemudahan pergerakannya menentukan tingginya konduktivitas grafit di sepanjang bidang serpihan karbon.

Masing-masing lapisan terhubung satu sama lain berkat gaya van der Waals - mereka jauh lebih lemah daripada ikatan kimia konvensional, namun cukup untuk memastikan bahwa kristal grafit tidak mengalami delaminasi secara spontan. Perbedaan ini mempersulit elektron untuk bergerak tegak lurus bidang - hambatan listrik meningkat 100 kali lipat.

Karena konduktivitas listriknya, serta kemampuannya untuk menyematkan atom unsur lain di antara lapisan, grafit digunakan sebagai anoda untuk baterai litium-ion dan sumber arus lainnya. Elektroda grafit diperlukan untuk produksi logam aluminium - dan bahkan bus listrik menggunakan kontak geser grafit untuk pengumpul arus.

Selain itu, grafit merupakan bahan diamagnetik, dan memiliki salah satu kerentanan per satuan massa tertinggi. Ini berarti bahwa jika Anda menempatkan sepotong grafit dalam medan magnet, ia akan mencoba dengan segala cara untuk mendorong medan ini keluar dari dirinya sendiri - sampai-sampai grafit tersebut dapat melayang di atas magnet yang cukup kuat.

Dan sifat penting terakhir dari grafit adalah sifat tahan apinya yang luar biasa. Zat yang paling tahan api saat ini adalah hafnium karbida dengan titik leleh sekitar 4000 derajat Celcius. Namun, jika Anda mencoba melelehkan grafit, maka pada tekanan sekitar seratus atmosfer, kekerasannya akan tetap hingga 4800 derajat Celcius (pada tekanan atmosfer, grafit menyublim - menguap, melewati fase cair). Oleh karena itu, bahan berbasis grafit digunakan, misalnya, pada badan nosel roket.

Berlian

Banyak bahan di bawah tekanan mulai mengubah struktur atomnya - terjadi transisi fase. Grafit dalam pengertian ini tidak berbeda dengan bahan lainnya. Pada tekanan seratus ribu atmosfer dan suhu 1–2 ribu derajat Celcius, lapisan karbon mulai bergerak mendekat satu sama lain, ikatan kimia muncul di antara mereka, dan bidang halus menjadi bergelombang. Intan terbentuk, salah satu bentuk karbon terindah.

Sifat-sifat berlian sangat berbeda dengan grafit - ini adalah bahan yang keras dan transparan. Sangat sulit untuk digaruk (peringkat 10 pada skala kekerasan Mohs, ini adalah kekerasan maksimum). Selain itu, konduktivitas listrik berlian dan grafit berbeda satu triliun kali lipat (ini adalah angka dengan 18 angka nol).

Berlian di batu

Wikimedia Commons

Hal ini menentukan penggunaan berlian: sebagian besar berlian yang ditambang dan diproduksi secara artifisial digunakan dalam pengerjaan logam dan industri lainnya. Misalnya, cakram asah dan alat pemotong dengan bubuk atau pelapis intan banyak digunakan. Lapisan berlian bahkan digunakan dalam pembedahan - untuk pisau bedah. Penggunaan batu-batu ini dalam industri perhiasan sudah diketahui semua orang.

Kekerasan yang luar biasa juga digunakan dalam penelitian ilmiah - dengan bantuan berlian berkualitas tinggi laboratorium mempelajari bahan pada tekanan jutaan atmosfer. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang ini di materi kami “”.

Grafena

Alih-alih mengompresi dan memanaskan grafit, kami akan mengikuti Andrei Geim dan Konstantin Novoselov dengan menempelkan selotip ke kristal grafit. Kemudian kupas - lapisan tipis grafit akan tertinggal di selotip. Mari kita ulangi operasi ini lagi - tempelkan selotip pada lapisan tipis dan kupas lagi. Lapisannya akan menjadi lebih tipis. Dengan mengulangi prosedur ini beberapa kali lagi, kami memperoleh graphene, bahan yang membuat fisikawan Inggris tersebut menerima Hadiah Nobel pada tahun 2010.

Grafena adalah lapisan tunggal atom karbon datar, sepenuhnya identik dengan lapisan atom grafit. Popularitasnya disebabkan oleh perilaku elektron yang tidak biasa di dalamnya. Mereka bergerak seolah-olah tidak mempunyai massa sama sekali. Pada kenyataannya, tentu saja, massa elektron tetap sama dengan massa zat apa pun. Atom karbon dari kerangka graphene bertanggung jawab atas segalanya, menarik partikel bermuatan dan membentuk medan periodik khusus.

Perangkat berbasis Graphene. Di latar belakang foto terdapat kontak emas, di atasnya ada graphene, di atasnya ada lapisan tipis polimetil metakrilat

Teknik di Cambridge / flickr.com

Konsekuensi dari perilaku ini adalah mobilitas elektron yang lebih besar - elektron bergerak dalam graphene jauh lebih cepat daripada silikon. Oleh karena itu, banyak ilmuwan berharap graphene akan menjadi basis elektronik masa depan.

Menariknya, graphene memiliki saudara karbon - dan. Yang pertama terdiri dari bagian pentagonal yang sedikit terdistorsi dan, tidak seperti graphene, tidak menghantarkan listrik dengan baik. Phagraphene terdiri dari bagian pentagonal, heksagonal dan heptagonal. Jika sifat-sifat graphene sama ke segala arah, maka phagraphene akan memiliki sifat anisotropi yang nyata. Kedua materi ini secara teori telah diprediksi, namun belum ada kenyataannya.

Fragmen kristal tunggal silikon (di latar depan) pada susunan vertikal tabung nano karbon

Tabung nano karbon

Bayangkan Anda menggulung sepotong kecil lembaran graphene ke dalam tabung dan merekatkan ujung-ujungnya. Hasilnya adalah struktur berongga yang terdiri dari atom karbon segi enam yang sama seperti graphene dan grafit - tabung nano karbon. Bahan ini sebagian besar terkait dengan graphene - bahan ini memiliki kekuatan mekanik yang tinggi (pernah diusulkan untuk membangun elevator ke luar angkasa dari tabung nano karbon), dan mobilitas elektron yang tinggi.

Namun, ada satu ciri yang tidak biasa. Lembaran graphene dapat digulung sejajar dengan tepi imajiner (sisi salah satu segi enam), atau pada suatu sudut. Ternyata cara kita memelintir karbon nanotube akan sangat mempengaruhi sifat elektroniknya, yaitu apakah akan lebih mirip semikonduktor dengan celah pita atau lebih mirip logam.

Tabung nano karbon berdinding banyak

Wikimedia umum

Tidak diketahui secara pasti kapan karbon nanotube pertama kali diamati. Pada tahun 1950-an hingga 1980-an, berbagai kelompok peneliti yang terlibat dalam katalisis reaksi yang melibatkan hidrokarbon (misalnya pirolisis metana) memperhatikan struktur memanjang pada jelaga yang menutupi katalis. Sekarang, untuk mensintesis tabung nano karbon hanya dari jenis tertentu (kiralitas spesifik), ahli kimia mengusulkan penggunaan benih khusus. Ini adalah molekul kecil dalam bentuk cincin, yang terdiri dari cincin benzena heksagonal. Anda dapat membaca tentang karya sintesisnya, misalnya.

Seperti graphene, karbon nanotube memiliki banyak aplikasi dalam mikroelektronika. Transistor pertama berdasarkan nanotube telah dibuat; sifat-sifatnya mirip dengan perangkat silikon tradisional. Selain itu, nanotube membentuk dasar transistor dengan.

karbin

Ketika berbicara tentang struktur atom karbon yang memanjang, tidak ada salahnya untuk menyebutkan karabin. Ini adalah rantai linier, yang menurut para ahli teori, mungkin merupakan material terkuat (kita berbicara tentang kekuatan spesifik). Misalnya, modulus Young untuk carbyne diperkirakan mencapai 10 giganewton per kilogram. Untuk baja angka ini 400 kali lebih kecil, untuk graphene setidaknya dua kali lebih kecil.

Seutas benang tipis membentang ke arah partikel besi di bawahnya - karabin

Wikimedia Commons

Carbynes hadir dalam dua jenis, tergantung pada bagaimana ikatan antara atom karbon diatur. Jika semua ikatan dalam rantai itu sama, maka kita berbicara tentang kumulen, tetapi jika ikatannya bergantian (tunggal-tiga-tunggal-tiga-tiga dan seterusnya), maka kita berbicara tentang poliin. Fisikawan telah menunjukkan bahwa benang karbina dapat "beralih" di antara kedua jenis ini melalui deformasi - ketika diregangkan, kumulen berubah menjadi poliyne. Menariknya, hal ini secara radikal mengubah sifat listrik carbyne. Jika poliuna dapat menghantarkan arus listrik, maka kumulena merupakan isolator.

Kesulitan utama dalam mempelajari karabin adalah sangat sulitnya mensintesisnya. Ini adalah zat aktif secara kimia yang juga mudah teroksidasi. Saat ini rantai tersebut hanya memiliki panjang enam ribu atom. Untuk mencapai hal ini, ahli kimia harus menumbuhkan karbina di dalam tabung nano karbon. Selain itu, sintesis karbina akan membantu memecahkan rekor ukuran gerbang dalam transistor - dapat direduksi menjadi satu atom.

Fullerene

Meskipun segi enam adalah salah satu konfigurasi paling stabil yang dapat dibentuk oleh atom karbon, ada seluruh kelas benda padat yang memiliki segi lima karbon biasa. Benda-benda ini disebut fullerene.

Pada tahun 1985, Harold Kroteau, Robert Curl, dan Richard Smalley mempelajari uap karbon dan bagaimana atom karbon menggumpal ketika didinginkan. Ternyata ada dua kelas benda yang berfasa gas. Yang pertama adalah kelompok yang terdiri dari 2–25 atom: rantai, cincin, dan struktur sederhana lainnya. Yang kedua adalah gugus yang terdiri dari 40–150 atom, yang belum pernah diamati sebelumnya. Selama lima tahun berikutnya, para ahli kimia mampu membuktikan bahwa kelas kedua ini terdiri dari kerangka berongga atom karbon, yang paling stabil terdiri dari 60 atom dan berbentuk seperti bola sepak. C 60, atau buckminsterfullerene, terdiri dari dua puluh bagian heksagonal dan 12 bagian pentagonal, diikat menjadi satu menjadi sebuah bola.

Penemuan fullerene membangkitkan minat besar di kalangan ahli kimia. Selanjutnya, kelas endofulleren yang tidak biasa disintesis - fullerene, yang rongganya terdapat atom asing atau molekul kecil. Misalnya, setahun yang lalu, molekul asam fluorida pertama kali dimasukkan ke dalam fullerene, yang memungkinkan penentuan sifat elektroniknya dengan sangat akurat.

Fullerites - kristal fullerene

Wikimedia Commons

Pada tahun 1991, ternyata fullerida - kristal fullerene yang sebagian rongga antara polihedra tetangganya ditempati oleh logam - merupakan superkonduktor molekuler dengan rekor suhu transisi tinggi untuk kelas ini, yaitu 18 kelvin (untuk K 3 C 60). Belakangan, fullerida ditemukan dengan suhu transisi yang lebih tinggi - 33 kelvin, Cs 2 RbC 60. Sifat-sifat tersebut ternyata berhubungan langsung dengan struktur elektronik zat tersebut.

Q-karbon

Di antara bentuk-bentuk karbon yang baru ditemukan adalah apa yang disebut karbon-Q. Ini pertama kali diperkenalkan oleh ilmuwan material Amerika dari University of North Carolina pada tahun 2015. Para ilmuwan menyinari karbon amorf menggunakan laser yang kuat, memanaskan material secara lokal hingga 4000 derajat Celcius. Akibatnya, sekitar seperempat dari seluruh atom karbon dalam zat tersebut mengalami hibridisasi sp 2, yaitu keadaan elektronik yang sama seperti pada grafit. Atom Q-karbon yang tersisa mempertahankan karakteristik hibridisasi intan.

Q-karbon

Tidak seperti intan, grafit, dan bentuk karbon lainnya, karbon Q bersifat feromagnetik, seperti magnetit atau besi. Pada saat yang sama, suhu Curie-nya sekitar 220 derajat Celcius - hanya dengan pemanasan seperti itu material tersebut kehilangan sifat magnetisnya. Dan dengan mendoping Q-karbon dengan boron, fisikawan memperoleh superkonduktor karbon lain, dengan suhu transisi sekitar 58 kelvin.

***

Berikut ini tidak semua bentuk karbon yang diketahui. Terlebih lagi, saat ini, para ahli teori dan peneliti sedang menciptakan dan mempelajari bahan karbon baru. Secara khusus, pekerjaan serupa sedang dilakukan di Universitas Federal Ural. Kami menemui Anatoly Fedorovich Zatsepin, profesor dan kepala peneliti di Institut Fisika dan Teknologi UrFU, untuk mengetahui bagaimana kita dapat memprediksi sifat-sifat bahan yang belum disintesis dan menciptakan bentuk karbon baru.

Anatoly Zatsepin sedang mengerjakan salah satu dari enam proyek ilmiah terobosan di UrFU “Pengembangan prinsip dasar bahan fungsional baru berdasarkan modifikasi karbon berdimensi rendah.” Pekerjaan ini dilakukan dengan mitra akademis dan industri di Rusia dan dunia.

Proyek ini dilaksanakan oleh Institut Fisika dan Teknologi UrFU, unit akademik strategis (SAU) universitas. Posisi universitas dalam pemeringkatan Rusia dan internasional, terutama dalam pemeringkatan mata pelajaran, bergantung pada keberhasilan para peneliti.

N+1: Sifat bahan nano karbon sangat bergantung pada struktur dan sangat bervariasi. Apakah mungkin untuk memprediksi sifat suatu material berdasarkan strukturnya?

Anatoly Zatsepin: Hal ini mungkin untuk diprediksi, dan kami sedang melakukan hal ini. Ada metode pemodelan komputer yang memungkinkan penghitungan dilakukan dari prinsip pertama ( ab inisiasi) - kita meletakkan struktur tertentu, memodelkan dan mengambil semua karakteristik dasar atom yang menyusun struktur ini. Hasilnya adalah sifat-sifat yang mungkin dimiliki oleh material atau zat baru yang kita modelkan. Khususnya, terkait karbon, kami dapat mensimulasikan modifikasi baru yang tidak diketahui oleh alam. Mereka dapat dibuat secara artifisial.

Secara khusus, laboratorium kami di Institut Fisika dan Teknologi UrFU saat ini sedang mengembangkan, mensintesis, dan meneliti sifat-sifat karbon jenis baru. Bisa disebut ini: karbon rantai linier terurut dua dimensi. Nama yang begitu panjang disebabkan oleh fakta bahwa bahan ini disebut struktur 2D. Ini adalah film yang terdiri dari rantai karbon individu, dan di dalam setiap rantai atom karbon berada dalam “bentuk kimia” yang sama - hibridisasi sp 1. Hal ini memberikan sifat yang sangat tidak biasa pada material; pada rantai karbon sp 1, kekuatannya melebihi kekuatan berlian dan modifikasi karbon lainnya.

Ketika kita membentuk film dari rantai ini, diperoleh material baru yang memiliki sifat yang melekat pada rantai karbon, ditambah kombinasi rantai teratur ini membentuk struktur dua dimensi atau superlattice pada substrat khusus. Bahan ini memiliki prospek yang bagus bukan hanya karena sifat mekaniknya. Yang terpenting, rantai karbon dalam konfigurasi tertentu dapat ditutup menjadi sebuah cincin, sehingga menimbulkan sifat yang sangat menarik, seperti superkonduktivitas, dan sifat magnetik bahan tersebut bisa lebih baik daripada feromagnet yang ada.

Tantangannya tetap ada untuk benar-benar menciptakannya. Pemodelan kami menunjukkan jalan yang harus dituju.

Kesalahan selalu ada, tetapi intinya perhitungan dan pemodelan dari prinsip pertama menggunakan karakteristik dasar atom individu - sifat kuantum. Dan ketika struktur terbentuk dari atom kuantum ini pada skala mikro dan nano, kesalahan tersebut terkait dengan keterbatasan teori dan model yang ada. Misalnya, diketahui bahwa persamaan Schrödinger hanya dapat diselesaikan secara tepat untuk atom hidrogen, dan untuk atom yang lebih berat, perkiraan tertentu harus digunakan jika kita berbicara tentang padatan atau sistem yang lebih kompleks.

Di sisi lain, kesalahan bisa terjadi karena perhitungan komputer. Dalam semua ini, kesalahan besar tidak termasuk, dan keakuratannya cukup memadai untuk memprediksi sifat atau efek tertentu yang akan melekat pada bahan tertentu.

Terkait material karbon, terdapat banyak variasi, dan saya yakin masih banyak yang belum dieksplorasi dan ditemukan. UrFU memiliki segalanya untuk meneliti bahan karbon baru, dan masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan.

Kami juga mengerjakan objek lain, misalnya bahan silikon untuk mikroelektronika. Silikon dan karbon merupakan analog; mereka berada dalam kelompok yang sama dalam tabel periodik.

Vladimir Korolev

Dalam buku ini, kata “karbon” cukup sering muncul: dalam cerita tentang daun hijau dan besi, tentang plastik dan kristal, dan banyak lagi lainnya. Karbon - “melahirkan batu bara” - adalah salah satu unsur kimia yang paling menakjubkan. Sejarahnya adalah sejarah munculnya dan berkembangnya kehidupan di Bumi, karena merupakan bagian dari seluruh makhluk hidup di Bumi.

Seperti apa karbon itu?

Mari kita melakukan beberapa eksperimen. Mari kita ambil gula dan panaskan tanpa udara. Pertama-tama akan meleleh, berubah menjadi coklat, lalu berubah menjadi hitam dan berubah menjadi batu bara, melepaskan air. Jika sekarang Anda memanaskan batubara ini dengan adanya , batubara tersebut akan terbakar tanpa residu dan berubah menjadi . Oleh karena itu, gula terdiri dari batu bara dan air (omong-omong, gula disebut karbohidrat), dan batu bara “gula” tampaknya adalah karbon murni, karena karbon dioksida adalah senyawa karbon dengan oksigen. Artinya karbon berbentuk bubuk hitam lembut.

Mari kita ambil batu grafit lembut berwarna abu-abu, yang Anda kenal berkat pensil. Jika Anda memanaskannya dengan oksigen, ia juga akan terbakar tanpa residu, meskipun sedikit lebih lambat dari batu bara, dan karbon dioksida akan tetap berada di dalam perangkat tempat ia terbakar. Apakah ini berarti grafit juga merupakan karbon murni? Tentu saja, tapi bukan itu saja.

Jika berlian, batu permata transparan berkilau dan mineral paling keras, dipanaskan dalam oksigen dalam alat yang sama, ia juga akan terbakar dan berubah menjadi karbon dioksida. Jika Anda memanaskan berlian tanpa akses oksigen, berlian akan berubah menjadi grafit, dan pada tekanan dan suhu yang sangat tinggi, berlian dapat diperoleh dari grafit.

Jadi, batu bara, grafit, dan berlian adalah bentuk keberadaan yang berbeda dari unsur yang sama - karbon.

Yang lebih menakjubkan lagi adalah kemampuan karbon untuk “berpartisipasi” dalam sejumlah besar senyawa berbeda (itulah sebabnya kata “karbon” begitu sering muncul dalam buku ini).

104 unsur dalam tabel periodik membentuk lebih dari empat puluh ribu senyawa yang dipelajari. Dan lebih dari satu juta senyawa telah diketahui, yang berbahan dasar karbon!

Alasan keanekaragaman ini adalah bahwa atom karbon dapat dihubungkan satu sama lain dan dengan atom lain melalui ikatan yang kuat, membentuk ikatan kompleks dalam bentuk rantai, cincin, dan bentuk lainnya. Tidak ada unsur dalam tabel kecuali karbon yang mampu melakukan hal ini.

Ada jumlah tak terhingga bentuk yang dapat dibangun dari atom karbon, dan oleh karena itu kemungkinan senyawa pun tak terhingga banyaknya. Ini bisa berupa zat yang sangat sederhana, misalnya, gas metana yang menyala, dalam molekul yang empat atomnya terikat pada satu atom karbon, dan sangat kompleks sehingga struktur molekulnya belum terbentuk. Zat-zat tersebut antara lain

Karbon dalam tabel periodik unsur terletak pada periode kedua golongan IVA. Konfigurasi elektronik atom karbon ls 2 2s 2 2p 2 . Ketika tereksitasi, keadaan elektronik mudah dicapai di mana terdapat empat elektron tidak berpasangan di empat orbital atom terluar:

Hal ini menjelaskan mengapa karbon dalam senyawa biasanya bersifat tetravalen. Kesetaraan jumlah elektron valensi dalam atom karbon dengan jumlah orbital valensi, serta rasio unik muatan inti dan jari-jari atom, memberikannya kemampuan untuk mengikat dan melepaskan elektron dengan mudah. , bergantung pada properti mitra (Pasal 9.3.1). Akibatnya, karbon dicirikan oleh berbagai bilangan oksidasi dari -4 hingga +4 dan kemudahan hibridisasi orbital atomnya sesuai dengan jenisnya. sp 3, sp 2 Dan sp 1 selama pembentukan ikatan kimia (bagian 2.1.3):

Semua ini memberi karbon peluang untuk membentuk ikatan tunggal, rangkap dua, dan rangkap tiga tidak hanya satu sama lain, tetapi juga dengan atom unsur organogenik lainnya. Molekul yang terbentuk dalam hal ini dapat memiliki struktur linier, bercabang atau siklik.

Karena mobilitas elektron bersama -MO yang terbentuk dengan partisipasi atom karbon, mereka bergeser ke arah atom unsur yang lebih elektronegatif (efek induktif), yang mengarah pada polaritas tidak hanya ikatan ini, tetapi juga molekul sebagai a utuh. Namun, karbon, karena nilai elektronegativitas rata-rata (0E0 = 2,5), membentuk ikatan polar lemah dengan atom unsur organogenik lainnya (Tabel 12.1). Jika terdapat sistem ikatan terkonjugasi dalam molekul (Bagian 2.1.3), delokalisasi elektron bergerak (MO) dan pasangan elektron bebas terjadi dengan pemerataan kerapatan elektron dan panjang ikatan dalam sistem ini.

Dari sudut pandang reaktivitas senyawa, polarisasi ikatan memegang peranan penting (Bagian 2.1.3). Semakin besar polarisasi suatu ikatan, semakin tinggi reaktivitasnya. Ketergantungan polarisasi ikatan yang mengandung karbon pada sifatnya tercermin dalam rangkaian berikut:

Semua data yang dipertimbangkan tentang sifat-sifat ikatan yang mengandung karbon menunjukkan bahwa karbon dalam senyawa, di satu sisi, membentuk ikatan kovalen yang cukup kuat satu sama lain dan dengan organogen lain, dan di sisi lain, pasangan elektron yang sama dari ikatan ini adalah cukup labil. Akibatnya, peningkatan reaktivitas ikatan dan stabilisasi dapat terjadi. Ciri-ciri senyawa yang mengandung karbon inilah yang menjadikan karbon sebagai organogen nomor satu.

Sifat asam basa senyawa karbon. Karbon monoksida (4) adalah oksida asam, dan hidroksida yang bersangkutan - asam karbonat H2CO3 - adalah asam lemah. Molekul karbon monoksida(4) bersifat non-polar, sehingga sulit larut dalam air (0,03 mol/l pada 298 K). Dalam hal ini, pertama-tama hidrat CO2 H2O terbentuk dalam larutan, di mana CO2 terletak di rongga asosiasi molekul air, dan kemudian hidrat ini secara perlahan dan reversibel berubah menjadi H2CO3. Sebagian besar karbon monoksida (4) yang terlarut dalam air berbentuk hidrat.

Di dalam tubuh, dalam sel darah merah, di bawah aksi enzim karboanhidrase, keseimbangan antara CO2 hidrat H2O dan H2CO3 terbentuk dengan sangat cepat. Hal ini memungkinkan kita untuk mengabaikan keberadaan CO2 dalam bentuk hidrat di eritrosit, tetapi tidak di plasma darah, di mana tidak ada karbonat anhidrase. H2CO3 yang dihasilkan dalam kondisi fisiologis terdisosiasi menjadi anion hidrokarbonat, dan dalam lingkungan yang lebih basa menjadi anion karbonat:

Asam karbonat hanya ada dalam larutan. Ini membentuk dua seri garam - hidrokarbonat (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) dan karbonat (Na2CO3, CaCO3). Hidrokarbonat lebih larut dalam air dibandingkan karbonat. Dalam larutan berair, garam asam karbonat, terutama karbonat, mudah terhidrolisis pada anion, menciptakan lingkungan basa:

Zat seperti baking soda NaHC03; kapur CaCO3, magnesia putih 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O, dihidrolisis membentuk lingkungan basa, digunakan sebagai antasida (penetral asam) untuk mengurangi peningkatan keasaman sari lambung:

Kombinasi asam karbonat dan ion bikarbonat (H2CO3, HCO3(-)) membentuk sistem buffer bikarbonat (bagian 8.5) - sistem buffer plasma darah yang bagus, yang menjamin pH darah konstan pada pH = 7,40 ± 0,05.

Terbentuknya Mg(OH)2 disebabkan oleh hidrolisis sempurna kation magnesium, yang terjadi pada kondisi tersebut karena kelarutan Mg(0H)2 lebih rendah dibandingkan dengan MgC03.

Dalam praktik medis dan biologi, selain asam karbonat, kita harus berurusan dengan asam lain yang mengandung karbon. Ini terutama berbagai macam asam organik yang berbeda, serta asam hidrosianat HCN. Dilihat dari sifat asamnya, kekuatan asam ini berbeda-beda:

Perbedaan-perbedaan ini disebabkan oleh pengaruh timbal balik atom-atom dalam molekul, sifat ikatan disosiasi, dan stabilitas anion, yaitu kemampuannya untuk mendelokalisasi muatan.

Asam hidrosianat, atau hidrogen sianida, HCN - cairan tidak berwarna dan sangat mudah menguap (T kip = 26 °C) dengan aroma almond pahit, dapat larut dengan air dalam perbandingan berapa pun. Dalam larutan air ia berperilaku sebagai asam yang sangat lemah, garamnya disebut sianida. Sianida logam alkali dan alkali tanah larut dalam air, tetapi mereka terhidrolisis pada anion, itulah sebabnya larutan berairnya berbau seperti asam hidrosianat (bau almond pahit) dan memiliki pH > 12:

Akibat reaksi ini, kalium sianida (kalium sianida) dan larutannya kehilangan toksisitasnya selama penyimpanan jangka panjang. Anion sianida adalah salah satu racun anorganik yang paling kuat, karena merupakan ligan aktif dan mudah membentuk senyawa kompleks yang stabil dengan enzim yang mengandung Fe 3+ dan Cu2(+) sebagai ion pengompleks (Bagian. 10.4).

Sifat redoks. Karena karbon dalam senyawa dapat menunjukkan bilangan oksidasi dari -4 hingga +4, selama reaksi karbon bebas dapat menyumbangkan dan memperoleh elektron, masing-masing bertindak sebagai zat pereduksi atau zat pengoksidasi, bergantung pada sifat reagen kedua:

Dalam kondisi oksidasi anaerobik dengan kekurangan atau kekurangan oksigen, atom karbon suatu senyawa organik, tergantung pada kandungan atom oksigen dalam senyawa tersebut dan kondisi luarnya, dapat berubah menjadi C0 2, CO, C bahkan CH 4, dan lain-lain. organogen berubah menjadi H2O, NH3 dan H2S.

Di dalam tubuh, oksidasi sempurna senyawa organik dengan oksigen dengan adanya enzim oksidase (oksidasi aerobik) dijelaskan dengan persamaan:

Dari persamaan reaksi oksidasi yang diberikan jelas bahwa dalam senyawa organik hanya atom karbon yang mengubah bilangan oksidasinya, sedangkan atom organogen lain mempertahankan bilangan oksidasinya.

Selama reaksi hidrogenasi, yaitu penambahan hidrogen (zat pereduksi) ke ikatan rangkap, atom karbon yang membentuknya mengurangi bilangan oksidasinya (bertindak sebagai zat pengoksidasi):

Reaksi substitusi organik dengan munculnya ikatan antarkarbon baru, misalnya pada reaksi Wurtz, juga merupakan reaksi redoks dimana atom karbon berperan sebagai zat pengoksidasi dan atom logam berperan sebagai zat pereduksi:

Hal serupa diamati pada reaksi pembentukan senyawa organologam:

Sebagai hasil dari reaksi penambahan reagen polar ke substrat melalui ikatan interkarbon ganda, salah satu atom karbon menurunkan bilangan oksidasi, menunjukkan sifat-sifat zat pengoksidasi, dan yang lainnya meningkatkan bilangan oksidasi, bertindak sebagai a agen pereduksi:

Dalam kasus ini, terjadi reaksi oksidasi-reduksi intramolekul atom karbon substrat, yaitu proses dismutasi, di bawah pengaruh reagen yang tidak menunjukkan sifat redoks.

Reaksi khas dismutasi intramolekul senyawa organik karena atom karbonnya adalah reaksi dekarboksilasi asam amino atau asam keto, serta reaksi penataan ulang dan isomerisasi senyawa organik, yang telah dibahas pada bagian ini. 9.3. Contoh reaksi organik yang diberikan, serta reaksi dari Sekte. 9.3 secara meyakinkan menunjukkan bahwa atom karbon dalam senyawa organik dapat menjadi zat pengoksidasi dan zat pereduksi.

Atom karbon dalam suatu senyawa- zat pengoksidasi, jika sebagai akibat dari reaksi jumlah ikatannya dengan atom unsur yang kurang elektronegatif (hidrogen, logam) meningkat, karena dengan menarik elektron persekutuan dari ikatan ini ke dirinya sendiri, atom karbon yang bersangkutan menurunkan oksidasinya negara.

Atom karbon dalam suatu senyawa- zat pereduksi jika sebagai akibat dari reaksi jumlah ikatannya dengan atom unsur yang lebih elektronegatif meningkat(C, O, N, S), karena dengan mendorong elektron bersama dari ikatan ini, atom karbon tersebut meningkatkan bilangan oksidasinya.

Jadi, banyak reaksi dalam kimia organik, karena dualitas redoks atom karbon, adalah redoks. Namun, tidak seperti reaksi serupa dalam kimia anorganik, redistribusi elektron antara zat pengoksidasi dan zat pereduksi dalam senyawa organik hanya dapat disertai dengan perpindahan pasangan elektron yang sama dari ikatan kimia ke atom yang bertindak sebagai zat pengoksidasi. Dalam hal ini, hubungan ini dapat dipertahankan, tetapi dalam kasus polarisasi yang kuat, hubungan ini dapat diputus.

Sifat kompleks senyawa karbon. Atom karbon dalam senyawa tidak memiliki pasangan elektron bebas, dan oleh karena itu hanya senyawa karbon yang mengandung ikatan rangkap dengan partisipasinya yang dapat bertindak sebagai ligan. Yang paling aktif dalam proses pembentukan kompleks adalah elektron dari ikatan rangkap tiga polar karbon monoksida (2) dan anion asam hidrosianat.

Dalam molekul karbon monoksida (2), atom karbon dan oksigen membentuk ikatan satu dan satu karena saling tumpang tindih dua orbital atom 2p sesuai dengan mekanisme pertukaran. Ikatan ketiga, yaitu ikatan lain, terbentuk menurut mekanisme donor-akseptor. Akseptornya adalah orbital atom 2p bebas dari atom karbon, dan donornya adalah atom oksigen, yang menyediakan pasangan elektron bebas dari orbital 2p:

Peningkatan rasio ikatan memberikan molekul ini stabilitas dan kelembaman yang tinggi dalam kondisi normal dalam hal asam-basa (CO adalah oksida yang tidak membentuk garam) dan sifat redoks (CO adalah zat pereduksi pada T> 1000K). Pada saat yang sama, ia menjadikannya ligan aktif dalam reaksi kompleksasi dengan atom dan kation logam-d, terutama dengan besi, yang membentuk besi pentakarbonil, cairan beracun yang mudah menguap:

Kesetimbangan ini bergeser ke arah pembentukan karboksihemoglobin ННbСО, yang stabilitasnya 210 kali lebih besar dibandingkan oksihemoglobin ННbО2. Hal ini menyebabkan penumpukan karboksihemoglobin dalam darah dan karenanya mengurangi kemampuannya untuk membawa oksigen.

Anion asam hidrosianat CN- juga mengandung elektron yang mudah terpolarisasi, itulah sebabnya ia secara efektif membentuk kompleks dengan logam-d, termasuk logam kehidupan yang merupakan bagian dari enzim. Oleh karena itu, sianida merupakan senyawa yang sangat beracun (Bagian 10.4).

Siklus karbon di alam. Siklus karbon di alam terutama didasarkan pada reaksi oksidasi dan reduksi karbon (Gbr. 12.3).

Tumbuhan mengasimilasi (1) karbon monoksida (4) dari atmosfer dan hidrosfer. Bagian dari massa tumbuhan dikonsumsi (2) oleh manusia dan hewan. Respirasi hewan dan pembusukan sisa-sisanya (3), serta respirasi tumbuhan, pembusukan tumbuhan mati dan pembakaran kayu (4) mengembalikan CO2 ke atmosfer dan hidrosfer. Proses mineralisasi sisa-sisa tumbuhan (5) dan hewan (6) dengan terbentuknya gambut, fosil batubara, minyak, gas menyebabkan peralihan karbon menjadi sumber daya alam. Reaksi asam-basa (7) beroperasi dalam arah yang sama, terjadi antara CO2 dan berbagai batuan dengan pembentukan karbonat (sedang, asam dan basa):

Bagian siklus anorganik ini menyebabkan hilangnya CO2 di atmosfer dan hidrosfer. Aktivitas manusia dalam pembakaran dan pengolahan batu bara, minyak, gas (8), kayu bakar (4), sebaliknya, memperkaya lingkungan dengan karbon monoksida (4). Sudah lama ada keyakinan bahwa berkat fotosintesis, konsentrasi CO2 di atmosfer tetap konstan. Namun, saat ini peningkatan kandungan CO2 di atmosfer akibat aktivitas manusia tidak dikompensasi oleh penurunan alaminya. Total pelepasan CO2 ke atmosfer meningkat secara eksponensial sebesar 4-5% per tahun. Menurut perhitungan, pada tahun 2000 kandungan CO2 di atmosfer akan mencapai sekitar 0,04%, bukan 0,03% (1990).

Setelah mempertimbangkan sifat dan karakteristik senyawa yang mengandung karbon, peran utama karbon harus ditekankan kembali

Beras. 12.3. Siklus karbon masuk alam

Organogen No. 1: pertama, atom karbon membentuk kerangka molekul senyawa organik; kedua, atom karbon memainkan peran kunci dalam proses redoks, karena di antara atom-atom semua organogen, karbonlah yang paling bercirikan dualitas redoks. Untuk mengetahui lebih lanjut mengenai sifat-sifat senyawa organik, lihat modul IV “Dasar-Dasar Kimia Bioorganik”.

Karakteristik umum dan peran biologis elemen p kelompok IVA. Analog elektronik karbon adalah unsur golongan IVA: silikon Si, germanium Ge, timah Sn dan timbal Pb (lihat Tabel 1.2). Jari-jari atom unsur-unsur ini secara alami meningkat seiring dengan bertambahnya nomor atom, dan energi ionisasi serta elektronegativitasnya menurun secara alami (Bagian 1.3). Oleh karena itu, dua unsur pertama dari golongan ini: karbon dan silikon adalah tipikal non-logam, dan germanium, timah, dan timbal adalah logam, karena unsur-unsur tersebut paling dicirikan oleh hilangnya elektron. Pada deret Ge – Sn – Pb sifat logamnya meningkat.

Dilihat dari sifat redoksnya, unsur C, Si, Ge, Sn dan Pb dalam kondisi normal cukup stabil terhadap udara dan air (logam Sn dan Pb - karena terbentuknya lapisan oksida di permukaan. ). Pada saat yang sama, senyawa timbal (4) merupakan oksidator kuat:

Sifat pengompleks merupakan ciri yang paling khas dari timbal, karena kation Pb 2+ merupakan zat pengompleks yang kuat dibandingkan dengan kation unsur p lain dari golongan IVA. Kation timbal membentuk kompleks kuat dengan bioligan.

Unsur-unsur golongan IVA sangat berbeda baik dalam kandungannya dalam tubuh maupun dalam peran biologisnya. Karbon memegang peranan penting dalam kehidupan tubuh, dimana kandungannya sekitar 20%. Kandungan unsur golongan IVA lain dalam tubuh berada pada kisaran 10 -6 -10 -3%. Pada saat yang sama, jika silikon dan germanium tidak diragukan lagi memainkan peran penting dalam kehidupan tubuh, maka timah dan terutama timbal bersifat racun. Jadi, dengan meningkatnya massa atom unsur golongan IVA, toksisitas senyawanya meningkat.

Debu yang terdiri dari partikel batu bara atau silikon dioksida SiO2, bila terkena paru-paru secara sistematis, menyebabkan penyakit - pneumokoniosis. Dalam kasus debu batu bara, ini adalah antrakosis, penyakit akibat kerja para penambang. Jika debu yang mengandung Si02 terhirup, terjadilah silikosis. Mekanisme perkembangan pneumokoniosis belum diketahui. Diasumsikan bahwa dengan kontak yang terlalu lama antara butiran pasir silikat dengan cairan biologis, asam polisilat Si02 yH2O terbentuk dalam keadaan seperti gel, yang pengendapannya di dalam sel menyebabkan kematiannya.

Efek racun timbal telah diketahui umat manusia sejak lama. Penggunaan timbal untuk membuat piring dan pipa air menyebabkan keracunan besar-besaran pada manusia. Saat ini, timbal terus menjadi salah satu polutan lingkungan utama, karena pelepasan senyawa timbal ke atmosfer mencapai lebih dari 400.000 ton setiap tahunnya. Timbal terakumulasi terutama di kerangka dalam bentuk fosfat Pb3(PO4)2 yang sulit larut, dan ketika tulang mengalami demineralisasi, ia mempunyai efek toksik yang teratur pada tubuh. Oleh karena itu, timbal tergolong racun kumulatif. Toksisitas senyawa timbal terutama disebabkan oleh sifat pengompleksannya dan afinitasnya yang tinggi terhadap bioligan, terutama yang mengandung gugus sulfhidril (-SH):

Pembentukan senyawa kompleks ion timbal dengan protein, fosfolipid dan nukleotida menyebabkan denaturasinya. Seringkali ion timbal menghambat metaloenzim EM 2+, menggantikan kation logam kehidupan darinya:

Timbal dan senyawanya merupakan racun yang bekerja terutama pada sistem saraf, pembuluh darah, dan darah. Pada saat yang sama, senyawa timbal mempengaruhi sintesis protein, keseimbangan energi sel dan peralatan genetiknya.

Dalam pengobatan, antiseptik eksternal berikut digunakan sebagai astringen: timbal asetat Pb(CH3COO)2 ZH2O (lotion timbal) dan timbal(2) oksida PbO (plester timbal). Ion timbal dari senyawa ini bereaksi dengan protein (albumin) di sitoplasma sel dan jaringan mikroba, membentuk albuminat seperti gel. Pembentukan gel membunuh mikroba dan, terlebih lagi, mempersulit penetrasi mereka ke dalam sel jaringan, sehingga mengurangi respons inflamasi lokal.