Anglies būsena. Pamokos santrauka „Anglies atomo struktūra

Anglis (iš lot. carbo "anglis") yra cheminis elementas, kurio simbolis C ir atominis skaičius 6. Kovalentiniams cheminiams ryšiams sudaryti yra prieinami keturi elektronai. Medžiaga yra nemetalinė ir keturiavalentė. Natūraliai randami trys anglies izotopai, 12C ir 13C yra stabilūs, o 14C yra yrantis radioaktyvus izotopas, kurio pusinės eliminacijos laikas yra apie 5730 metų. Anglis yra vienas iš nedaugelio elementų, žinomų nuo seniausių laikų. Anglis yra 15-as pagal gausumą elementas Žemės plutoje ir ketvirtas pagal masę elementas pagal masę visatoje po vandenilio, helio ir deguonies. Anglies gausa, unikali jos organinių junginių įvairovė ir neįprastas gebėjimas formuoti polimerus tokioje temperatūroje, kuri įprasta Žemėje, leidžia jai tarnauti kaip bendru elementu visoms žinomoms gyvybės formoms. Tai antras pagal masę žmogaus organizme esantis elementas (apie 18,5%) po deguonies. Anglies atomai gali jungtis įvairiais būdais, vadinamais anglies alotropais. Labiausiai žinomi alotropai yra grafitas, deimantas ir amorfinė anglis. Fizinės anglies savybės labai skiriasi priklausomai nuo alotropinės formos. Pavyzdžiui, grafitas yra nepermatomas ir juodas, o deimantas – labai skaidrus. Grafitas yra pakankamai minkštas, kad ant popieriaus susidarytų dryželis (iš čia ir jo pavadinimas kilęs iš graikų kalbos veiksmažodžio „γράφειν“, reiškiančio „rašyti“), o deimantas yra kiečiausia gamtoje žinoma medžiaga. Grafitas yra geras elektros laidininkas, o deimantas turi mažą elektros laidumą. Normaliomis sąlygomis deimantas, anglies nanovamzdeliai ir grafenas turi didžiausią šilumos laidumą iš visų žinomų medžiagų. Visi anglies alotropai normaliomis sąlygomis yra kietos medžiagos, o grafitas yra termodinamiškai stabiliausia forma. Jie yra chemiškai stabilūs ir reikalauja aukštos temperatūros, kad reaguotų net su deguonimi. Dažniausia anglies oksidacijos būsena neorganiniuose junginiuose yra +4, o anglies monoksido ir pereinamojo metalo karboksilo kompleksuose +2. Didžiausi neorganinės anglies šaltiniai yra kalkakmeniai, dolomitai ir anglies dioksidas, tačiau dideli kiekiai gaunami iš organinių anglies, durpių, naftos ir metano klatratų telkinių. Anglis sudaro daugybę junginių, daugiau nei bet kuris kitas elementas, iki šiol aprašyta beveik dešimt milijonų junginių, tačiau šis skaičius yra tik dalis junginių skaičiaus, teoriškai įmanomo standartinėmis sąlygomis. Dėl šios priežasties anglis dažnai vadinama „stichijų karaliumi“.

Charakteristikos

Anglies alotropai yra grafitas, viena iš minkščiausių žinomų medžiagų, ir deimantas, kiečiausia natūrali medžiaga. Anglis lengvai jungiasi su kitais mažais atomais, įskaitant kitus anglies atomus, ir gali sudaryti daugybę stabilių kovalentinių ryšių su tinkamais daugiavalentiais atomais. Yra žinoma, kad anglis sudaro beveik dešimt milijonų skirtingų junginių, didžiąją daugumą visų cheminių junginių. Anglis taip pat turi aukščiausią bet kurio elemento sublimacijos tašką. Esant atmosferos slėgiui, jis neturi lydymosi temperatūros, nes jo trigubas taškas yra 10,8 ± 0,2 MPa ir 4600 ± 300 K (~4330 °C arba 7820 °F), todėl sublimuojasi maždaug 3900 K temperatūroje. Grafitas yra daug reaktyvesnis nei deimantas. standartinėmis sąlygomis, nepaisant to, kad ji termodinamiškai stabilesnė, nes jos delokalizuota pi sistema yra daug labiau pažeidžiama atakoms. Pavyzdžiui, grafitas gali būti oksiduojamas karšta koncentruota azoto rūgštimi standartinėmis sąlygomis iki mellito rūgšties C6(CO2H)6, kuri išlaiko šešiakampius grafito vienetus ir sunaikina didesnę struktūrą. Anglis sublimuoja anglies lanku, kurio temperatūra yra apie 5800 K (5530 °C, 9980 °F). Taigi, nepaisant jos alotropinės formos, anglis išlieka kieta esant aukštesnei temperatūrai nei aukščiausi lydymosi taškai, tokie kaip volframas ar renis. Nors anglis yra termodinamiškai linkusi oksiduotis, ji yra atsparesnė oksidacijai nei tokie elementai kaip geležis ir varis, kurie kambario temperatūroje yra silpnesni reduktoriai. Anglis yra šeštasis elementas, kurio pagrindinės būsenos elektroninė konfigūracija yra 1s22s22p2, iš kurių keturi išoriniai elektronai yra valentiniai elektronai. Pirmosios keturios jo jonizacijos energijos yra 1086,5, 2352,6, 4620,5 ir 6222,7 kJ/mol, daug didesnės nei sunkesnių 14 grupės elementų, anglies elektronegatyvumas yra 2,5, žymiai didesnis nei sunkesnių 14 grupės elementų (1,8-1). daugeliui gretimų nemetalų, taip pat kai kuriems antrosios ir trečiosios eilės pereinamiesiems metalams. Kovalentiniai anglies spinduliai paprastai laikomi 77,2 pm (C-C), 66,7 pm (C=C) ir 60,3 pm (C≡C), nors jie gali skirtis priklausomai nuo koordinavimo skaičiaus ir to, kas yra prijungta prie anglies. Apskritai kovalentinis spindulys mažėja, kai koordinacijos skaičius mažėja ir ryšio tvarka didėja. Anglies junginiai sudaro visos žinomos gyvybės Žemėje pagrindą, o anglies ir azoto ciklas suteikia dalį saulės ir kitų žvaigždžių išskiriamos energijos. Nors anglis sudaro nepaprastą junginių įvairovę, dauguma anglies formų normaliomis sąlygomis yra gana nereaguojančios. Esant standartinei temperatūrai ir slėgiui, anglis gali atlaikyti visus, išskyrus stipriausius oksidatorius. Jis nereaguoja su sieros rūgštimi, druskos rūgštimi, chloru ar šarmais. Esant aukštesnei temperatūrai, anglis reaguoja su deguonimi, sudarydama anglies oksidus ir pašalina deguonį iš metalų oksidų, palikdama elementinį metalą. Ši egzoterminė reakcija naudojama geležies ir plieno pramonėje geležies lydymui ir plieno anglies kiekiui kontroliuoti:

Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

su siera, kad susidarytų anglies disulfidas, ir su garais anglies ir dujų reakcijoje:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Anglis jungiasi su tam tikrais metalais aukštoje temperatūroje ir sudaro metalų karbidus, tokius kaip cementitas iš geležies karbido pliene ir volframo karbidas, plačiai naudojamas kaip abrazyvas ir kietos pjovimo įrankių vietos. Anglies alotropų sistema apima keletą kraštutinumų:

Kai kurios grafito formos naudojamos šilumos izoliacijai (pvz., priešgaisrinės barjerai ir šilumos skydai), tačiau kai kurios kitos formos yra geri šilumos laidininkai. Deimantas yra garsiausias natūralus šilumos laidininkas. Grafitas yra nepermatomas. Deimantas yra labai skaidrus. Grafitas kristalizuojasi šešiakampėje sistemoje. Deimantas kristalizuojasi kubinėje sistemoje. Amorfinė anglis yra visiškai izotropinė. Anglies nanovamzdeliai yra viena iš geriausiai žinomų anizotropinių medžiagų.

Anglies alotropai

Atominė anglis yra labai trumpaamžė rūšis, todėl anglis stabilizuojama įvairiose daugiaatominėse struktūrose, turinčiose skirtingą molekulinę konfigūraciją, vadinamą alotropais. Trys gana gerai žinomi anglies alotropai yra amorfinė anglis, grafitas ir deimantas. Anksčiau egzotiškais laikomi fullerenai dabar dažniausiai sintetinami ir naudojami tyrimams; tai yra buckyballs, anglies nanovamzdeliai, anglies nanotaškai ir nanopluoštai. Taip pat buvo atrasta keletas kitų egzotiškų alotropų, tokių kaip lonsaletitas, stiklinė anglis, nanofauminė anglis ir linijinė acetileno anglis (karbinas). 2009 m. grafenas laikomas stipriausia kada nors išbandyta medžiaga. Jo atskyrimo nuo grafito procesas pareikalaus tolesnės technologinės plėtros, kol jis taps ekonomiškas pramoniniams procesams. Jei pasiseks, grafenas galėtų būti panaudotas kosminių liftų statyboje. Jis taip pat gali būti naudojamas saugiai saugoti vandenilį, skirtą naudoti vandenilio pagrindu veikiančiuose automobilių varikliuose. Amorfinė forma yra anglies atomų rinkinys, esantis nekristalinėje, netaisyklingoje, stiklinėje būsenoje, o ne kristalinėje makrostruktūroje. Jis yra miltelių pavidalo ir yra pagrindinis tokių medžiagų kaip anglis, lempos suodžiai (suodžiai) ir aktyvintos anglies komponentas. Esant normaliam slėgiui, anglis turi grafito formą, kurioje kiekvienas atomas yra trigoniškai sujungtas su trimis kitais atomais plokštumoje, sudarytoje iš susiliejusių šešiakampių žiedų, kaip ir aromatiniuose angliavandeniliuose. Gautas tinklas yra dvimatis, o gauti plokšti lakštai yra sulankstyti ir laisvai sujungti per silpnas van der Waals jėgas. Tai suteikia grafitui minkštumo ir skilimo savybių (lakštai lengvai slysta vienas pro kitą). Dėl vieno iš kiekvieno atomo išorinių elektronų delokalizacijos, kad susidarytų π debesis, grafitas praleidžia elektrą, bet tik kiekvieno kovalentiškai sujungto lakšto plokštumoje. Dėl to anglies laidumas yra mažesnis nei daugelio metalų. Delokalizacija taip pat paaiškina energetinį grafito stabilumą virš deimantų kambario temperatūroje. Esant labai aukštam slėgiui, anglis sudaro kompaktiškesnį alotropą – deimantą, kurio tankis beveik dvigubai didesnis nei grafito. Čia kiekvienas atomas yra tetraedriškai sujungtas su keturiais kitais, sudarydamas trimatį susiraukšlėjusių šešių narių atomų žiedų tinklą. Deimantas turi tokią pačią kubinę struktūrą kaip silicis ir germanis, o dėl anglies ir anglies jungčių stiprumo jis yra kiečiausia natūrali medžiaga, matuojant pagal atsparumą įbrėžimams. Priešingai populiariam įsitikinimui, kad „deimantai yra amžinai“, normaliomis sąlygomis jie yra termodinamiškai nestabilūs ir virsta grafitu. Dėl didelio aktyvavimo energijos barjero normalioje temperatūroje perėjimas į grafito formą yra toks lėtas, kad jo neįmanoma aptikti. Tam tikromis sąlygomis anglis kristalizuojasi kaip lonsalitas, šešiakampė kristalinė gardelė, kurios visi atomai yra kovalentiškai sujungti ir kurių savybės panašios į deimanto. Fullerenai yra sintetinis kristalinis darinys, panašus į grafitą, tačiau vietoj šešiakampių fullerenai susideda iš penkiakampių (ar net septyniakampių) iš anglies atomų. Trūksta (arba papildomų) atomų deformuoja lakštus į rutulius, elipses arba cilindrus. Fullerenų (suskirstytų į buckyballs, bakitubes ir nanobads) savybės dar nėra iki galo ištirtos ir yra intensyvi nanomedžiagų tyrimų sritis. Pavadinimai „fullerenas“ ir „bukibolas“ siejami su Richardo Buckminsterio Fullerio, geodezinių kupolų, primenančių fullerenų struktūrą, populiarintojo vardu. Buckyballs yra gana didelės molekulės, susidarančios vien tik iš anglies jungčių trikampiu būdu ir sudaro sferoidus (geriausiai žinomas ir paprasčiausias yra futbolo formos bucksynysterfellerene C60). Anglies nanovamzdeliai yra struktūriškai panašūs į buckyballs, išskyrus tai, kad kiekvienas atomas yra trikampiu sujungtas į išlenktą lakštą, kuris sudaro tuščiavidurį cilindrą. Nanokamuoliai pirmą kartą buvo pristatyti 2007 m. ir yra hibridinės medžiagos (su išorine nanovamzdelio sienele kovalentiškai sujungtos bukiuoliukai), kurios vienoje struktūroje sujungia abiejų savybes. Iš kitų atrastų alotropų anglies nanoputos yra feromagnetinis alotropas, atrastas 1997 m. Jį sudaro mažo tankio anglies atomų rinkinys, ištemptas į laisvą trimatį tinklą, kuriame atomai yra trigoniškai susieti šešių ir septynių narių žiedais. Tai yra viena iš lengviausių kietųjų medžiagų, kurių tankis yra apie 2 kg/m3. Panašiai ir stiklinėje anglyje yra didelė uždaro poringumo dalis, tačiau, skirtingai nuo įprasto grafito, grafito sluoksniai nėra sukrauti kaip knygos puslapiai, o yra labiau atsitiktiniai. Linijinė acetileno anglis turi cheminę struktūrą – (C:::C)n-. Šios modifikacijos anglis yra linijinė su sp orbitine hibridizacija ir yra polimeras su kintamomis viengubomis ir trigubomis jungtimis. Šis karbinas labai domina nanotechnologijas, nes jo Youngo modulis yra keturiasdešimt kartų didesnis nei kiečiausios medžiagos – deimanto. 2015 m. Šiaurės Karolinos universiteto komanda paskelbė apie kito alotropo, kurį jie pavadino Q-anglį, sukūrimą, sukurtą naudojant didelės energijos, trumpos trukmės lazerio impulsą ant amorfinių anglies dulkių. Pranešama, kad Q-anglis pasižymi feromagnetizmu, fluorescencija ir yra geresnis už deimantų kietumą.

Paplitimas

Anglis yra ketvirtas pagal masę gausus cheminis elementas visatoje po vandenilio, helio ir deguonies. Anglies yra daug Saulėje, žvaigždėse, kometose ir daugumos planetų atmosferoje. Kai kuriuose meteorituose yra mikroskopinių deimantų, kurie susidarė, kai Saulės sistema dar buvo protoplanetinis diskas. Mikroskopiniai deimantai taip pat gali susidaryti esant dideliam slėgiui ir aukštai temperatūrai meteorito smūgio vietose. 2014 m. NASA paskelbė apie atnaujintą duomenų bazę, skirtą stebėti policiklinius aromatinius angliavandenilius (PAH) Visatoje. Daugiau nei 20% visatoje esančios anglies gali būti siejama su PAH, sudėtingais anglies ir vandenilio junginiais be deguonies. Šie junginiai yra įtraukti į pasaulinę PAH hipotezę, kur manoma, kad jie vaidina svarbų vaidmenį abiogenezėje ir gyvybės formavime. Panašu, kad PAH susidarė „praėjus porai milijardų metų“ po Didžiojo sprogimo, yra plačiai paplitę visoje visatoje ir yra siejami su naujomis žvaigždėmis ir egzoplanetomis. Apskaičiuota, kad visoje Žemės plutoje yra 730 ppm anglies, iš kurių 2000 ppm yra šerdyje ir 120 ppm sujungtoje mantijoje ir plutoje. Kadangi žemės masė yra 5,9 72 × 1024 kg, tai reikštų 4360 milijonų gigatonų anglies. Tai daug daugiau nei anglies kiekis vandenynuose ar atmosferoje (toliau). Kartu su deguonimi anglies dvideginyje anglis randama Žemės atmosferoje (apie 810 gigatonų anglies) ir ištirpsta visuose vandens telkiniuose (apie 36 000 gigatonų anglies). Biosferoje yra apie 1900 gigatonų anglies. Angliavandeniliuose (tokiuose kaip anglis, nafta ir gamtinės dujos) taip pat yra anglies. Anglies „atsargos“ (ne „ištekliai“) yra apie 900 gigatonų su gal 18 000 Gt išteklių. Naftos atsargos siekia apie 150 gigatonų. Įrodyta, kad gamtinių dujų šaltiniai yra apie 175 1012 kubinių metrų (sudėtyje yra apie 105 gigatonas anglies), tačiau tyrimais skaičiuojama, kad dar 900 1012 kubinių metrų iš „netradicinių“ telkinių, tokių kaip skalūnų dujos, sudaro apie 540 gigatonų anglies. Anglies taip pat buvo rasta metano hidratuose poliariniuose regionuose ir po jūromis. Įvairiais vertinimais šios anglies kiekis yra 500, 2500 Gt arba 3000 Gt. Anksčiau angliavandenilių kiekis buvo didesnis. Vieno šaltinio duomenimis, 1751–2008 metais deginant iškastinį kurą į atmosferą kaip anglies dioksidas buvo išleista apie 347 gigatonas anglies. Kitas šaltinis prideda į atmosferą nuo 1750 m. pridėtą kiekį iki 879 Gt, o bendras kiekis atmosferoje, jūroje ir sausumoje (pvz., durpynai) yra beveik 2000 Gt. Anglis yra labai didelių masių karbonatinių uolienų (kalkakmens, dolomito, marmuro ir kt.) sudedamoji dalis (12 % masės). Anglys turi labai daug anglies (antracite yra 92–98% anglies) ir yra didžiausias komercinis mineralinės anglies šaltinis, sudarantis 4000 gigatonų arba 80% iškastinio kuro. Kalbant apie atskirus anglies alotropus, grafitas dideliais kiekiais randamas JAV (daugiausia Niujorke ir Teksase), Rusijoje, Meksikoje, Grenlandijoje ir Indijoje. Natūralūs deimantai randami uolienų kimberlite, esančiame senoviniuose vulkaniniuose „kakliuose“ arba „kaminuose“. Daugiausia deimantų telkinių randama Afrikoje, ypač Pietų Afrikoje, Namibijoje, Botsvanoje, Kongo Respublikoje ir Siera Leonėje. Deimantų telkinių taip pat buvo Arkanzase, Kanadoje, Rusijos Arktyje, Brazilijoje, Šiaurės ir Vakarų Australijoje. Deimantai taip pat dabar išgaunami iš vandenyno dugno prie Gerosios Vilties kyšulio. Deimantai atsiranda natūraliai, tačiau dabar pagaminama apie 30% visų Jungtinėse Valstijose naudojamų pramoninių deimantų. Anglies-14 susidaro viršutinėje troposferos ir stratosferos dalyje 9-15 km aukštyje vykstant reakcijai, kurią nusėda kosminiai spinduliai. Gaminami terminiai neutronai, kurie susiduria su azoto-14 branduoliais, sudarydami anglies-14 ir protoną. Taigi 1,2 × 1010% atmosferos anglies dioksido yra anglies-14. Anglies turtingi asteroidai yra santykinai dominuojantys išorinėse asteroidų juostos dalyse mūsų Saulės sistemoje. Šių asteroidų mokslininkai dar tiesiogiai netyrė. Asteroidai galėtų būti naudojami hipotetinėje kosminėje anglies kasyboje, kuri gali būti įmanoma ateityje, bet šiuo metu technologiškai neįmanoma.

Anglies izotopai

Anglies izotopai yra atominiai branduoliai, kuriuose yra šeši protonai ir keletas neutronų (nuo 2 iki 16). Anglis turi du stabilius, natūraliai pasitaikančius izotopus. Izotopas anglis-12 (12C) sudaro 98,93% anglies Žemėje, o anglis-13 (13C) sudaro likusius 1,07%. Biologinėse medžiagose 12C koncentracija toliau didėja, nes biocheminės reakcijos atskiria 13C. 1961 m. Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga (IUPAC) patvirtino anglies-12 izotopą kaip atominių svorių pagrindą. Anglies identifikavimas branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) eksperimentuose atliekamas su izotopu 13C. Anglis-14 (14C) yra natūraliai susidarantis radioizotopas, susidarantis viršutiniuose atmosferos sluoksniuose (žemutinėje stratosferoje ir viršutinėje troposferoje) sąveikaujant azotui su kosminiais spinduliais. Žemėje jo randama iki 1 dalies trilijonui (0,0000000001%), daugiausia atmosferoje ir paviršiaus nuosėdose, ypač durpėse ir kitose organinėse medžiagose. Šis izotopas suyra, kai β emisija yra 0,158 MeV. Dėl santykinai trumpo 5730 metų pusinės eliminacijos periodo senovinėse uolienose 14C praktiškai nėra. Atmosferoje ir gyvuose organizmuose 14C kiekis beveik pastovus, tačiau po mirties organizmuose mažėja. Šis principas naudojamas radioaktyviosios anglies datavimui, išrastas 1949 m., kuris buvo plačiai naudojamas datuojant anglies medžiagas iki 40 000 metų. Yra žinoma 15 anglies izotopų, o trumpiausias yra 8C, kuris skyla dėl protonų emisijos ir alfa skilimo, o jo pusinės eliminacijos laikas yra 1,98739 x 10-21 s. „Exotic 19C“ turi branduolinį aureolę, o tai reiškia, kad jo spindulys yra daug didesnis, nei būtų galima tikėtis, jei šerdis būtų pastovaus tankio sfera.

Švietimas žvaigždėse

Anglies atomo branduoliui susidaryti reikalingas beveik vienu metu trigubas alfa dalelių (helio branduolių) susidūrimas milžiniškos ar supermilžinės žvaigždės šerdyje, kuris vadinamas trigubu alfa procesu, nes tolesnių helio branduolių sintezės reakcijų produktai su vandenilis arba kitas helio branduolys gamina atitinkamai ličio-5 ir berilio-8, kurie abu yra labai nestabilūs ir beveik akimirksniu suyra atgal į mažesnius branduolius. Tai įvyksta esant didesnei nei 100 megakalvino ir helio koncentracijos temperatūrai, kuri yra nepriimtina sparčiai plečiantis ir vėsstant ankstyvajai Visatai, todėl per Didįjį sprogimą nesusidarė reikšmingi anglies kiekiai. Remiantis šiuolaikine fizinės kosmologijos teorija, anglis susidaro žvaigždžių viduje horizontalioje šakoje susidūrus ir transformuojant tris helio branduolius. Kai šios žvaigždės miršta kaip supernovos, anglis pasklinda erdvėje kaip dulkės. Šios dulkės tampa statybine medžiaga antros ar trečios kartos žvaigždžių sistemoms su susikaupusiomis planetomis formuotis. Saulės sistema yra viena iš tokių žvaigždžių sistemų, kuriose yra daug anglies, leidžiančių egzistuoti tokiai gyvybei, kokią mes ją žinome. CNO ciklas yra papildomas sintezės mechanizmas, varantis žvaigždes, kur anglis veikia kaip katalizatorius. Įvairių anglies monoksido izotopinių formų (pvz., 12CO, 13CO ir 18CO) sukimosi perėjimai aptinkami submilimetro bangos ilgio diapazone ir naudojami tiriant naujai besiformuojančias žvaigždes molekuliniuose debesyse.

Anglies ciklas

Antžeminėmis sąlygomis vieno elemento pavertimas kitu yra labai retas reiškinys. Todėl anglies kiekis Žemėje yra faktiškai pastovus. Taigi procesuose, kuriuose naudojama anglis, ji turi būti gaunama iš kažkur ir panaudojama kitur. Anglies keliai aplinkoje sudaro anglies ciklą. Pavyzdžiui, fotosintetiniai augalai iš atmosferos (arba jūros vandens) išgauna anglies dioksidą ir sukaupia jį į biomasę, kaip ir Kalvino cikle – anglies fiksavimo procese. Dalį šios biomasės suvalgo gyvūnai, o dalį anglies gyvūnai iškvepia kaip anglies dioksidą. Anglies ciklas yra daug sudėtingesnis nei šis trumpas ciklas; pavyzdžiui, dalis anglies dioksido ištirpsta vandenynuose; Jei bakterijos jo nevartoja, negyvos augalinės ar gyvūninės medžiagos gali tapti aliejumi arba anglimis, kurios degdamos išskiria anglį.

Anglies junginiai

Anglis gali sudaryti labai ilgas susipynusių anglies-anglies ryšių grandines, o tai vadinama grandinės formavimu. Anglies ir anglies jungtys yra stabilios. Katanacijos (grandinės susidarymo) dėka anglis sudaro daugybę junginių. Įvertinus unikalius junginius matyti, kad daugiau jų turi anglies. Panašų teiginį galima pasakyti apie vandenilį, nes daugumoje organinių junginių taip pat yra vandenilio. Paprasčiausia organinės molekulės forma yra angliavandenilis, didelė organinių molekulių šeima, susidedanti iš vandenilio atomų, sujungtų su anglies atomų grandine. Grandinės ilgis, šoninės grandinės ir funkcinės grupės turi įtakos organinių molekulių savybėms. Anglies yra visose žinomose organinės gyvybės formose ir ji yra organinės chemijos pagrindas. Susijungusi su vandeniliu, anglis sudaro įvairius angliavandenilius, kurie yra svarbūs pramonei kaip šaltnešiai, tepalai, tirpikliai, cheminės žaliavos plastikams ir naftos produktams bei kaip iškastinis kuras. Susijungusi su deguonimi ir vandeniliu, anglis gali sudaryti daugybę svarbių biologinių junginių grupių, įskaitant cukrų, lignanus, chitinus, alkoholius, riebalus ir aromatinius esterius, karotinoidus ir terpenus. Su azotu anglis sudaro alkaloidus, o pridėjus sieros taip pat susidaro antibiotikai, aminorūgštys ir gumos gaminiai. Prie šių kitų elementų pridėjus fosforo, susidaro DNR ir RNR, cheminio gyvybės kodo nešiotojai, ir adenozino trifosfatas (ATP), svarbiausia energijos transportavimo molekulė visose gyvose ląstelėse.

Neorganiniai junginiai

Paprastai anglies turintys junginiai, kurie yra susiję su mineralais arba kuriuose nėra vandenilio ar fluoro, apdorojami atskirai nuo klasikinių organinių junginių; šis apibrėžimas nėra griežtas. Tarp jų yra ir paprasti anglies oksidai. Geriausiai žinomas oksidas yra anglies dioksidas (CO2). Ši medžiaga kažkada buvo pagrindinė paleoatmosferos sudedamoji dalis, tačiau šiandien ji yra nedidelė Žemės atmosferos sudedamoji dalis. Ištirpusi vandenyje ši medžiaga sudaro anglies dioksidą (H2CO3), tačiau, kaip ir dauguma junginių, kurių vienoje anglies sudėtyje yra keli monodeguoniai, ji yra nestabili. Tačiau per šią tarpinę medžiagą susidaro rezonansiniai stabilizuoti karbonato jonai. Kai kurie svarbūs mineralai yra karbonatai, ypač kalcitas. Anglies disulfidas (CS2) yra panašus. Kitas įprastas oksidas yra anglies monoksidas (CO). Susidaro nepilno degimo metu ir yra bespalvės, bekvapės dujos. Kiekviena molekulė turi trigubą jungtį ir yra gana polinė, todėl ji nuolat jungiasi su hemoglobino molekulėmis, išstumdama deguonį, kurio surišimo afinitetas yra mažesnis. Cianidas (CN-) turi panašią struktūrą, bet elgiasi kaip halogenidų jonai (pseudohalogenas). Pavyzdžiui, jis gali sudaryti cianogeno nitrido (CN)2 molekulę, panašią į diatomito halogenidus. Kiti nedažni oksidai yra anglies suboksidas (C3O2), nestabilus anglies monoksidas (C2O), anglies trioksidas (CO3), ciklopentanpeptonas (C5O5), cikloheksano heksonas (C6O6) ir melito anhidridas (C12O9). Su reaktyviais metalais, tokiais kaip volframas, anglis sudaro arba karbidus (C4-) arba acetilidus (C2-2), kad susidarytų lydiniai su aukšta lydymosi temperatūra. Šie anijonai taip pat yra susiję su metanu ir acetilenu, kurie abu yra labai silpnos rūgštys. Kai elektronegatyvumas yra 2,5, anglis mieliau formuoja kovalentinius ryšius. Keletas karbidų yra kovalentinės gardelės, tokios kaip karborundas (SiC), kuris primena deimantą. Tačiau net patys poliškiausi ir į druskas panašūs karbidai nėra visiškai joniniai junginiai.

Organiniai metaliniai junginiai

Organiniai metalo junginiai pagal apibrėžimą turi bent vieną anglies ir metalo jungtį. Tokių junginių yra labai daug; pagrindinės klasės apima paprastus alkil-metalų junginius (pvz., tetraetilalidą), η2-alkeno junginius (pvz., Zeise druską) ir η3-alilo junginius (pvz., alilpaladžio chlorido dimerą); metalocenai, turintys ciklopentadienilo ligandų (pvz., ferocenas); ir pereinamųjų metalų karbenų kompleksai. Yra daug metalų karbonilų (pvz., tetrakarbonilnikelis); Kai kurie darbuotojai mano, kad anglies monoksido ligandas yra grynai neorganinis, o ne metalo organinis junginys. Nors manoma, kad anglis sudaro tik keturias jungtis, buvo pranešta apie įdomų junginį, turintį oktaedrinį heksakoordinatinį anglies atomą. Šio junginio katijonas yra 2+. Šis reiškinys paaiškinamas aukso ligandų aurofiliškumu. 2016 m. buvo patvirtinta, kad heksametilbenzene yra anglies atomas su šešiomis jungtimis, o ne įprastomis keturiomis.

Istorija ir etimologija

Angliškas anglies pavadinimas kilęs iš lotynų kalbos carbo, reiškiančio „anglis“ ir „anglis“, taigi prancūziškas žodis charbon, reiškiantis „anglis“. Vokiečių, olandų ir danų kalbomis anglies pavadinimai yra atitinkamai Kohlenstoff, koolstof ir kulstof, visi pažodžiui reiškia anglis. Anglis buvo aptikta priešistoriniais laikais ir ankstyviausiose žmonių civilizacijose buvo žinoma kaip suodžiai ir anglis. Deimantai tikriausiai buvo žinomi jau 2500 m. pr. Kr. Kinijoje, o anglis anglies pavidalu Romos laikais buvo gaminama ta pačia chemija kaip ir šiandien – kaitinant malkas piramidėje, padengtoje moliu, kad būtų pašalintas oras. 1722 m. René Antoine'as Ferjo de Reamur įrodė, kad geležis virsta plienu absorbuojant medžiagą, kuri dabar žinoma kaip anglis. 1772 m. Antoine'as Lavoisier parodė, kad deimantai yra anglies forma; kai jis sudegino anglies ir deimantų pavyzdžius ir išsiaiškino, kad nė vienas iš jų negamina vandens ir kad abi medžiagos išskiria vienodus anglies dioksido kiekius viename grame. 1779 m. Karlas Wilhelmas Scheele įrodė, kad grafitas, kuris, kaip manoma, yra švino forma, buvo identiškas medžio anglims, bet su nedideliu geležies mišiniu, ir kad oksiduodamas azoto rūgštis. 1786 m. prancūzų mokslininkai Claude'as Louisas Berthollet, Gaspardas Monge'as ir C. A. Vandermonde'as patvirtino, kad grafitas pirmiausia yra anglis, oksiduodamas jį deguonimi panašiai kaip Lavoisier padarė deimantą. Vėl liko šiek tiek geležies, kuri, prancūzų mokslininkų nuomone, buvo būtina grafito struktūrai. Savo publikacijoje jie pasiūlė grafito elemento, kuris degant grafitui išsiskyrė kaip dujos, pavadinimą karbonas (lot. carbonum). Tada Antoine'as Lavoisier savo 1789 m. vadovėlyje įtraukė anglį kaip elementą. Naujas anglies alotropas, fullerenas, kuris buvo atrastas 1985 m., apima nanostruktūrines formas, tokias kaip buckyballs ir nanovamzdeliai. Jų atradėjai Robertas Curlas, Haroldas Croteau ir Richardas Smalley'us 1996 metais gavo Nobelio chemijos premiją. Atsiradęs atnaujintas susidomėjimas naujomis formomis leidžia atrasti papildomų egzotiškų alotropų, įskaitant stiklinę anglį, ir suvokti, kad „amorfinė anglis“ nėra griežtai amorfinė.

Gamyba

Grafitas

Komerciniu požiūriu naudingų natūralaus grafito telkinių yra daugelyje pasaulio šalių, tačiau ekonomiškai svarbiausi šaltiniai yra Kinijoje, Indijoje, Brazilijoje ir Šiaurės Korėjoje. Grafito nuosėdos yra metamorfinės kilmės, randamos kartu su kvarcu, žėručiu ir lauko špatais skiltose, gneisuose ir metamorfiniuose smiltainiuose bei kalkakmeniuose kaip lęšiai arba gyslos, kartais kelių metrų ar storesnės. Grafito tiekimas Borrowdale mieste, Kamberlande, Anglijoje, iš pradžių buvo pakankamo dydžio ir grynumo, todėl iki XIX amžiaus pieštukai buvo gaminami tiesiog pjaustant natūralaus grafito blokus į juosteles, prieš juos klijuojant į medieną. Šiandien mažesnės grafito nuosėdos susidaro susmulkinant pradinę uolieną ir plūduriuojant ant vandens lengvesnį grafitą. Yra trijų rūšių natūralus grafitas – amorfinis, dribsnis arba kristalinis. Amorfinis grafitas yra žemiausios kokybės ir labiausiai paplitęs. Skirtingai nei moksle, pramonėje „amorfinis“ reiškia labai mažą kristalo dydį, o ne visišką kristalinės struktūros nebuvimą. Žodis „amorfinis“ vartojamas apibūdinti gaminiams, kuriuose yra mažai grafito, ir yra pigiausias grafitas. Dideli amorfinio grafito telkiniai yra Kinijoje, Europoje, Meksikoje ir JAV. Plokščiasis grafitas yra rečiau paplitęs ir kokybiškesnis nei amorfinis; jis pasirodo kaip atskiros plokštės, kurios kristalizuojasi metamorfinėse uolienose. Granuliuoto grafito kaina gali būti keturis kartus didesnė už amorfinio grafito kainą. Geros kokybės dribsnių grafitas gali būti perdirbamas į plečiamą grafitą daugeliui pritaikymų, pavyzdžiui, antipirenų. Pirminiai grafito telkiniai yra Austrijoje, Brazilijoje, Kanadoje, Kinijoje, Vokietijoje ir Madagaskare. Skystas arba vienkartinis grafitas yra rečiausia, vertingiausia ir kokybiškiausia natūralaus grafito rūšis. Jis randamas venose išilgai įkyrių kontaktų kietų gabalų pavidalu ir komerciniais tikslais išgaunamas tik Šri Lankoje. Pagal USGS, 2010 m. pasaulyje buvo pagaminta 1,1 milijono tonų natūralaus grafito, iš kurių Kinija pagamino 800 000 tonų, Indija - 130 000 tonų, Brazilija - 76 000 tonų, Šiaurės Korėja - 30 000 tonų, o Kanada - 25 000 natūralaus tografito Jungtinėse Valstijose , tačiau 2009 metais buvo iškasta 118 000 tonų sintetinio grafito, kurio numatoma vertė – 998 mln.

Deimantas

Deimantų tiekimą kontroliuoja ribotas įmonių skaičius ir yra labai sutelkta nedaugelyje vietų visame pasaulyje. Tik labai mažą deimantų rūdos dalį sudaro tikri deimantai. Rūda susmulkinama, jos metu reikia pasirūpinti, kad dideli deimantai nesunyktų, o dalelės rūšiuojamos pagal tankį. Šiandien deimantai išgaunami į deimantų turtingą frakciją naudojant rentgeno fluorescenciją, po kurios paskutiniai rūšiavimo etapai atliekami rankiniu būdu. Prieš plačiai naudojant rentgeno spindulius, atskyrimas buvo atliekamas naudojant tepimo diržus; Yra žinoma, kad deimantai buvo aptikti tik Pietų Indijos aliuviniuose telkiniuose. Yra žinoma, kad deimantai labiau prilimpa prie masės nei kiti rūdos mineralai. Indija buvo deimantų gamybos lyderė nuo jų atradimo maždaug IX amžiuje prieš Kristų iki XVIII a. vidurio, tačiau šių šaltinių komercinis potencialas buvo išnaudotas iki XVIII amžiaus pabaigos, o iki tol Indiją užgožė Brazilija, kur pirmieji deimantai buvo rasti 1725 m. Pirminių telkinių (kimberlitų ir lamproitų) deimantų gamyba pradėta tik 1870 m., Pietų Afrikoje aptikus deimantų telkinius. Laikui bėgant deimantų gamyba išaugo ir nuo šios datos iš viso buvo sukaupta 4,5 milijardo karatų. Vien per pastaruosius 5 metus buvo pagaminta apie 20% šio kiekio, o per pastaruosius dešimt metų buvo pradėti gaminti 9 nauji telkiniai, o dar 4 laukia, kol bus greitai atrasti. Dauguma šių telkinių yra Kanadoje, Zimbabvėje, Angoloje ir vienas Rusijoje. Jungtinėse Amerikos Valstijose deimantai buvo aptikti Arkanzase, Kolorado valstijoje ir Montanoje. 2004 m., stulbinantis mikroskopinio deimanto atradimas Jungtinėse Valstijose, 2008 m. sausio mėn. buvo išleistas didžiulis kimberlito vamzdžių mėginių ėmimas atokioje Montanos dalyje. Šiandien dauguma komerciškai perspektyvių deimantų telkinių yra Rusijoje, Botsvanoje, Australijoje ir Kongo Demokratinėje Respublikoje. Didžiosios Britanijos geologijos tarnybos duomenimis, 2005 m. Rusija pagamino beveik penktadalį pasaulio deimantų. Dešimtajame dešimtmetyje turtingiausias Australijos deimantinis vamzdis pasiekė didžiausią gamybos lygį – 42 metrines tonas (41 t; 46 trumpos tonos). Taip pat yra komercinių telkinių, kurių aktyvi gamyba vykdoma Kanados šiaurės vakarų teritorijose, Sibire (daugiausia Jakutijoje, pavyzdžiui, Mir vamzdyje ir Udachnaya vamzdyje), Brazilijoje, taip pat Šiaurės ir Vakarų šalyse. Australija.

Programos

Anglis yra būtina visoms žinomoms gyvoms sistemoms. Be jo neįmanoma egzistuoti tokia gyvybė, kokią mes žinome. Pagrindinis ekonominis anglies panaudojimas, išskyrus maistą ir medieną, yra angliavandeniliai, visų pirma iškastinis kuras, metano dujos ir žalia nafta. Žalią naftą perdirba naftos perdirbimo įmonės, kad pagamintų benziną, žibalą ir kitus produktus. Celiuliozė yra natūralus anglies turintis polimeras, kurį augalai gamina medienos, medvilnės, linų ir kanapių pavidalu. Celiuliozė pirmiausia naudojama augalų struktūrai palaikyti. Komerciniu požiūriu vertingi gyvūninės kilmės anglies polimerai yra vilna, kašmyras ir šilkas. Plastikai gaminami iš sintetinių anglies polimerų, dažnai su deguonies ir azoto atomais, reguliariais intervalais įtraukiant į pagrindinę polimero grandinę. Daugelio šių sintetinių medžiagų žaliavos gaunamos iš žalios naftos. Anglies ir jos junginių panaudojimas yra labai įvairus. Anglis gali sudaryti lydinius su geležimi, iš kurių dažniausiai yra anglinis plienas. Grafitas jungiasi su moliu ir sudaro „šviną“, naudojamą rašymui ir piešimui naudojamuose pieštukuose. Jis taip pat naudojamas kaip tepalas ir pigmentas, kaip liejimo medžiaga stiklų gamyboje, sausųjų elementų baterijų elektroduose ir galvanizuojant bei elektroformuojant, elektros variklių šepečiuose ir kaip neutronų reguliatorius branduoliniuose reaktoriuose. Akmens anglys naudojamos kaip meno kūrimo medžiaga, kepsninėje, geležies lydymui ir daugybe kitų panaudojimo būdų. Mediena, anglis ir nafta naudojami kaip kuras energijos gamybai ir šildymui. Aukštos kokybės deimantai naudojami papuošalų gamyboje, o pramoniniai deimantai naudojami metalo ir akmens apdirbimo įrankių gręžimui, pjovimui, poliravimui. Plastikai gaminami iš iškastinių angliavandenilių, o anglies pluoštas, pagamintas pirolizuojant sintetinius poliesterio pluoštus, naudojamas plastikams sutvirtinti, kad susidarytų pažangios, lengvos kompozicinės medžiagos. Anglies pluoštas gaminamas pirolizuojant išspaustas ir ištemptas poliakrilonitrilo (PAN) ir kitų organinių medžiagų gijas. Pluošto kristalinė struktūra ir mechaninės savybės priklauso nuo pradinės medžiagos tipo ir tolesnio apdorojimo. Anglies pluoštai, pagaminti iš PAN, turi struktūrą, panašią į siauras grafito gijas, tačiau terminis apdorojimas gali pertvarkyti struktūrą į vientisą lakštą. Dėl to pluoštų savitasis tempiamasis stipris yra didesnis nei plieno. Suodžiai naudojama kaip juodas pigmentas spausdinimo dažuose, aliejiniai dažai ir menininkų akvarelės, anglies popierius, automobilių apdaila, rašalai ir lazeriniai spausdintuvai. Suodžiai taip pat naudojami kaip gumos gaminių, tokių kaip padangos, ir plastiko mišinių užpildas. Aktyvintoji anglis naudojama kaip absorbentas ir adsorbentas filtravimo terpėse įvairiose srityse, pavyzdžiui, dujokaukėse, vandens valymui ir virtuvės gaubtuose, taip pat medicinoje, kad sugertų toksinus, nuodus ar dujas iš virškinimo sistemos. Anglis naudojama cheminei redukcijai aukštoje temperatūroje. Koksas naudojamas geležies rūdai paversti geležimi (lydyti). Plieno grūdinimas pasiekiamas kaitinant gatavus plieno komponentus anglies milteliuose. Silicis, volframas, boras ir titano karbidai yra vienos kiečiausių medžiagų ir naudojami kaip abrazyvai pjovimui ir šlifavimui. Anglies junginiai sudaro daugumą drabužių, naudojamų medžiagų, tokių kaip natūrali ir sintetinė tekstilė ir oda, taip pat beveik visi vidaus paviršiai, išskyrus stiklą, akmenį ir metalą.

Deimantai

Deimantų pramonė skirstoma į dvi kategorijas, iš kurių viena yra aukštos kokybės deimantai (brangakmeniai), o kita – pramoninės klasės deimantai. Nors prekyba abiejų rūšių deimantais yra didelė, šios dvi rinkos veikia labai skirtingai. Skirtingai nuo tauriųjų metalų, tokių kaip auksas ar platina, brangakmeniais deimantais neprekiaujama kaip preke: deimantai parduodami už didelę priemoką, o deimantų perpardavimo rinka nėra labai aktyvi. Pramoniniai deimantai pirmiausia vertinami dėl jų kietumo ir šilumos laidumo, o gemologinės skaidrumo ir spalvos savybės iš esmės nėra svarbios. Apie 80 % iškasamų deimantų (atitinka maždaug 100 milijonų karatų arba 20 tonų per metus) yra netinkami naudoti ir naudojami pramonėje (deimantų laužas). Sintetiniai deimantai, išrasti šeštajame dešimtmetyje, beveik iš karto buvo pritaikyti pramonėje; Kasmet pagaminama 3 milijardai karatų (600 tonų) sintetinių deimantų. Dominuojantis deimantų naudojimas pramonėje yra pjovimas, gręžimas, šlifavimas ir poliravimas. Daugumai šių programų nereikia didelių deimantų; Tiesą sakant, dauguma brangakmenių kokybės deimantų, išskyrus mažo dydžio deimantus, gali būti naudojami pramoniniu būdu. Deimantai įterpiami į grąžtus arba pjūklo ašmenis arba sumalami į miltelius, kad būtų naudojami šlifuojant ir poliruojant. Specializuotos programos apima laboratorinį naudojimą kaip saugyklą aukšto slėgio eksperimentams, didelio našumo guolius ir ribotą naudojimą specialiuose languose. Dėl sintetinių deimantų gamybos pažangos atsiranda naujų pritaikymų. Daug dėmesio buvo skirta galimam deimanto kaip puslaidininkio, tinkamo mikroschemoms, panaudojimui, o dėl išskirtinio šilumos laidumo – kaip šilumos šalintuvui elektronikoje.

Idėją, kad cheminiai ryšiai gali atsirasti dalijantis elektronų porai tarp dviejų atomų, iškėlė Lewisas (1916), o ją sukūrė Heitleris ir Londonas (1927). Vėliau Linusas Paulingas pristatė itin svarbias kryptingos valencijos ir orbitinės hibridizacijos sąvokas.

Pagal koncepciją krypties valentingumas, atomų sujungimas vykdomas ta kryptimi, kuri užtikrina maksimalų orbitų persidengimą. Kuo geresnis persidengimas, tuo stipresnis turi būti ryšys, ir tik esant maksimaliam persidengimui pasiekiama minimali sistemos energija.

Anglies atomo pagrindinės būsenos elektroninė struktūra yra 1s22s22p2. Atidžiai pažvelkime į elektronų pasiskirstymą tarp anglies atomo orbitų:

Du nesuporuoti elektronai gali sudaryti tik du cheminius ryšius su kitais atomais, tai yra, pagal šią schemą anglies atomas turi būti dvivalentis. Tačiau organinėje chemijoje anglies atomo valentingumas visada yra keturi.

Kad susidarytų keturi kovalentiniai ryšiai, anglies atomas turi turėti keturis nesuporuotus elektronus.

Kaip paaiškinti anglies tetravalentiškumą?

Atomas gali pakeisti savo valentinę būseną, kai suporuoti elektronai yra suporuojami ir perkeliami į kitas atomines orbitas. Mūsų atveju vienas elektronas iš s orbitos juda į laisvąją p orbitą.

Panagrinėkime ryšių susidarymą paprasčiausio vandenilio anglies junginio molekulėje – metano (CH4) molekulėje. Kiekvienas vandenilio atomas turi vieną nesuporuotą elektroną pirmojo elektronų sluoksnio orbitoje (1s1). Anglies atomas sužadintoje būsenoje turi keturis nesuporuotus elektronus: vieną s ir tris antrojo sluoksnio orbitose. Galima tikėtis, kad dėl skirtingų s ir p orbitalių formų ryšiai tarp anglies atomo ir vandenilio atomų bus nevienodi. Tyrimai rodo, kad ryšiai metano molekulėje yra lygiaverčiai.

Šiuo atveju paaiškėja hibridinės atominės orbitos , elektronai

ant kurių jie turi vidutinę energiją.

Taigi hibridizacijoje dalyvauja 1-s elektronas ir 3p-elektronai, todėl toks hibridizacijos tipas vadinamas sp 3 - hibridizacija . Tokia anglies atomo orbitalių būsena vadinama pirmoji valentinė būsena. Kadangi hibridizacijoje dalyvauja keturi elektronai, susidaro keturios vienodos hibridinės orbitalės. Susidariusios hibridinės orbitalės jos pasislenka kuo toliau viena nuo kitos. Kampas tarp jų pasirodo lygus 109028/, tai yra, visos sp3 hibridizacijos būsenos anglies atomo hibridinės orbitalės yra nukreiptos į tetraedro viršūnes - taisyklingą trikampę piramidę.

Cheminis ryšys yra atominių orbitų sutapimas . Kadangi anglis yra keturiavalentė, bus keturios cheminės jungtys. Vandenilio atomas turi vieną nesuporuotą elektroną s orbitoje ir yra sferinės formos. Todėl CH4 metano molekulė turi tokią erdvinę struktūrą.

Etano molekulė CH3 – CH3 atitinkamai turės tokią erdvinę struktūrą:

https://pandia.ru/text/80/289/images/image016_17.jpg" align="left" width="147 height=110" height="110">Ne visos atomo p-orbitalės gali dalyvauti hibridizacijoje Taigi iš vienos s - ir dviejų p-orbitalių susidaro trys sp2-hibridinės orbitalės, kurių kampas yra 1200 (plokščias lygiakraštis trikampis, likusi viena p-orbitalė yra statmena plokštumai, kurioje nehibridinės orbitos lieja p-elektronus, kurie dalyvaus formuojant π ryšį, kuris susidaro, kai p-debesys persidengia į šonus ir yra aukščiau ir žemiau jungiamųjų branduolių plokštumos.

Mes susiduriame su sp2 hibridizacija junginiuose su dviguba jungtimi atomai, sudarantys dvigubą jungtį, bus sp2 hibridizacijoje.

Panagrinėkime eteno molekulės CH2 = CH2 erdvinę struktūrą, kurioje anglies atomai yra sp2 hibridizacijos būsenoje. Paveikslėlyje esanti banguota linija rodo nehibridinių p orbitalių persidengimą (π ryšys).

Trečioji anglies atomo valentinė būsena, sp – hibridizacija .

Sumaišius vieną s ir vieną p anglies atomo orbitalę, įvyksta sp hibridizacija. Atominių orbitalių sp hibridizacijoje dvi p orbitalės lieka nehibridizuotos. sp-hibridinės orbitos yra orientuotos 1800 kampu viena kitos atžvilgiu (tiesinė konfigūracija).

Dvi hibridizacijoje nedalyvaujančios p-orbitalės yra viena kitai statmenos ir dalyvauja formuojant dvi π ryšius. Mes susiduriame su sp-hibridizacija junginiuose su trigubu ryšiu, anglies atomai, sudarantys trigubą jungtį, bus sp-hibridizacijoje.

Taigi , anglies atomai, dalyvaujantys formuojant paprastas, pavienes σ-jungtis, yra sp3-hibridizacijos būsenoje, anglies atomai, dalyvaujantys formuojant dvigubus ryšius, yra sp2-hibridizacijos būsenoje, anglies atomai dalyvauja formuojant trigubus ryšius yra sp-hibridizacijos būsenoje. Bet koks daugialypis ryšys visada turės vieną σ ryšį, visi kiti bus π ryšiai. Pavyzdžiui, molekulėje CH2 = CH2, tarp anglies atomų viena jungtis yra σ-jungtis, kita - π-jungtis. CH≡CH molekulėje tarp anglies atomų yra viena σ jungtis ir dvi π ryšiai.

Išbandykite save, kad pamatytumėte, kaip suprantate temą, atlikdami testo užduotį:

1. Kiek π-jungčių turi buteno -1 molekulė (CH3 – CH2 – CH = CH2):

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

2. Kiek anglies atomų pentino-2 molekulėje (CH3 – C ≡ C – CH2 – CH3) yra sp3 hibridizacijos būsenoje:

a) visi 5 anglies atomai, b) 2, c) 1, d) 3.

3. Kokia laukiama CH2 = CH2 molekulės pusiausvyros konfigūracija:

a) tiesinis, b) kampinis, c) plokščias lygiakraštis trikampis, d) tetraedras.

4. Pasirinkite junginius, kuriems būdingi poliniai kovalentiniai ryšiai:

a) Cl2; b) C-H;

5. Nustatykite atominių orbitų hibridizacijos tipą naudodami šiuos duomenis:

Teisingi testo atsakymai:

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

Svarbi naujausių fizikos, chemijos ir net astronomijos atradimų praktinio taikymo sritis yra naujų medžiagų, turinčių neįprastų, kartais unikalių savybių, kūrimas ir tyrimas. Apie tai, kokiomis kryptimis šis darbas vykdomas ir ką mokslininkams jau pavyko pasiekti, kalbėsime straipsnių serijoje, sukurtoje bendradarbiaujant su Uralo federaliniu universitetu. Pirmasis mūsų tekstas skirtas neįprastoms medžiagoms, kurias galima gauti iš labiausiai paplitusios medžiagos – anglies.

Jei paklaustumėte chemiko, kuris elementas yra svarbiausias, galite gauti daug skirtingų atsakymų. Vieni sakys apie vandenilį – labiausiai paplitusią elementą Visatoje, kiti – apie deguonį – labiausiai paplitusią elementą žemės plutoje. Tačiau dažniausiai išgirsite atsakymą „anglis“ – tai visų organinių medžiagų, nuo DNR ir baltymų iki alkoholių ir angliavandenilių, pagrindas.

Mūsų straipsnis yra skirtas įvairioms šio elemento formoms: pasirodo, kad vien iš jo atomų galima sukurti dešimtis skirtingų medžiagų – nuo ​​grafito iki deimanto, nuo karbino iki fullerenų ir nanovamzdelių. Nors jie visi sudaryti iš lygiai tų pačių anglies atomų, jų savybės kardinaliai skiriasi – o pagrindinį vaidmenį čia atlieka atomų išsidėstymas medžiagoje.

Grafitas

Dažniausiai gamtoje grynos anglies galima rasti grafito pavidalu – minkšta juoda medžiaga, kuri lengvai išsisluoksniuoja ir atrodo slidi. Daugelis gali prisiminti, kad pieštukų laidai yra pagaminti iš grafito, tačiau tai ne visada tiesa. Dažnai švinas gaminamas iš grafito drožlių ir klijų kompozicijos, tačiau yra ir visiškai grafito pieštukų. Įdomu tai, kad daugiau nei viena dvidešimtoji pasaulio natūralaus grafito produkcijos patenka į pieštukus.

Kuo ypatingas grafitas? Visų pirma, jis gerai praleidžia elektrą – nors pati anglis nepanaši į kitus metalus. Jei paimsite grafito plokštę, paaiškėja, kad išilgai jos plokštumos laidumas yra apie šimtą kartų didesnis nei skersine kryptimi. Tai tiesiogiai susiję su tuo, kaip medžiagoje yra organizuoti anglies atomai.

Jei pažvelgsime į grafito struktūrą, pamatysime, kad jis susideda iš atskirų vieno atomo storio sluoksnių. Kiekvienas sluoksnis yra šešiakampių tinklelis, primenantis korį. Anglies atomai sluoksnio viduje yra susieti kovalentiniais cheminiais ryšiais. Be to, kai kurie elektronai, kurie sudaro cheminį ryšį, yra „ištepti“ per visą plokštumą. Jų judėjimo paprastumas lemia didelį grafito laidumą išilgai anglies dribsnių plokštumos.

Atskiri sluoksniai yra sujungti vienas su kitu dėka van der Waals jėgų – jie yra daug silpnesni nei įprastinis cheminis ryšys, tačiau jų pakanka užtikrinti, kad grafito kristalas savaime nesisluoksniuotų. Dėl šio neatitikimo elektronams daug sunkiau judėti statmenai plokštumoms – elektrinė varža padidėja 100 kartų.

Dėl savo elektrinio laidumo, taip pat galimybės įterpti kitų elementų atomus tarp sluoksnių, grafitas naudojamas kaip anodai ličio jonų akumuliatoriams ir kitiems srovės šaltiniams. Aliuminio metalo gamybai reikalingi grafito elektrodai – net troleibusuose srovės rinktuvams naudojami slydimo grafito kontaktai.

Be to, grafitas yra diamagnetinė medžiaga ir yra vienas didžiausių masės vieneto jautrumo. Tai reiškia, kad jei į magnetinį lauką įdėsite grafito gabalėlį, jis visais įmanomais būdais stengsis išstumti šį lauką iš savęs – tiek, kad grafitas galėtų levituoti virš pakankamai stipraus magneto.

Ir paskutinė svarbi grafito savybė yra jo neįtikėtinas atsparumas ugniai. Šiandien ugniai atspariausia medžiaga yra vienas iš hafnio karbidų, kurio lydymosi temperatūra yra apie 4000 laipsnių Celsijaus. Tačiau jei bandysite išlydyti grafitą, tada, esant maždaug šimto atmosferų slėgiui, jis išlaikys kietumą iki 4800 laipsnių Celsijaus (esant atmosferos slėgiui, grafitas sublimuoja - išgaruoja, apeidamas skystąją fazę). Dėl šios priežasties grafito pagrindu pagamintos medžiagos naudojamos, pavyzdžiui, raketų antgalių korpusuose.

Deimantas

Daugelis slėgių medžiagų pradeda keisti savo atominę struktūrą – įvyksta fazinis perėjimas. Grafitas šia prasme niekuo nesiskiria nuo kitų medžiagų. Esant šimto tūkstančių atmosferų slėgiui ir 1–2 tūkstančių laipsnių Celsijaus temperatūrai, anglies sluoksniai pradeda artėti vienas prie kito, tarp jų atsiranda cheminiai ryšiai, o kai glotnios plokštumos tampa banguotos. Susiformuoja deimantas, viena gražiausių anglies formų.

Deimanto savybės kardinaliai skiriasi nuo grafito – tai kieta, skaidri medžiaga. Itin sunku subraižyti (10 reitingo pagal Moso kietumo skalę, tai didžiausias kietumas). Be to, deimanto ir grafito elektrinis laidumas skiriasi kvintilijoną kartų (tai skaičius su 18 nulių).

Deimantas uoloje

Wikimedia Commons

Tai nulemia deimantų panaudojimą: didžioji dalis iškastų ir dirbtinai pagamintų deimantų yra naudojami metalo apdirbimo ir kitose pramonės šakose. Pavyzdžiui, plačiai naudojami galandimo diskai ir pjovimo įrankiai su deimantų milteliais arba padengimu. Deimantinės dangos naudojamos net chirurgijoje – skalpeliams. Šių akmenų panaudojimas juvelyrikos pramonėje yra visiems gerai žinomas.

Nuostabus kietumas naudojamas ir moksliniuose tyrimuose – būtent aukštos kokybės deimantų pagalba laboratorijos tiria medžiagas esant milijonų atmosferų slėgiui. Daugiau apie tai galite perskaityti mūsų medžiagoje "".

Grafenas

Užuot suspaudę ir kaitinę grafitą, mes seksime Andrejų Geimą ir Konstantiną Novoselovą, priklijuodami juostos gabalėlį prie grafito kristalo. Tada nulupkite – ant juostos liks plonas grafito sluoksnis. Pakartokime šią operaciją dar kartą – plonu sluoksniu užtepkite juostą ir vėl nulupkite. Sluoksnis taps dar plonesnis. Procedūrą pakartoję dar kelis kartus, gauname grafeną – medžiagą, už kurią minėti britų fizikai 2010 metais gavo Nobelio premiją.

Grafenas yra plokščias monosluoksnis anglies atomų, visiškai identiškas atominiams grafito sluoksniams. Jo populiarumą lemia neįprastas jame esančių elektronų elgesys. Jie juda taip, tarsi visai neturėtų masės. Realybėje, žinoma, elektronų masė išlieka tokia pati kaip ir bet kurioje medžiagoje. Dėl visko kalti grafeno karkaso anglies atomai, pritraukiantys įkrautas daleles ir formuojantys ypatingą periodinį lauką.

Įrenginys grafeno pagrindu. Nuotraukos fone auksiniai kontaktai, virš jų grafenas, viršuje plonas polimetilmetakrilato sluoksnis

Inžinerija Kembridže / flickr.com

Tokio elgesio pasekmė yra didesnis elektronų mobilumas – jie grafene juda daug greičiau nei silicyje. Dėl šios priežasties daugelis mokslininkų tikisi, kad grafenas taps ateities elektronikos pagrindu.

Įdomu tai, kad grafenas turi anglies brolių – ir. Pirmasis iš jų susideda iš šiek tiek iškreiptų penkiakampių sekcijų ir, skirtingai nei grafenas, blogai praleidžia elektrą. Fagrafenas susideda iš penkiakampių, šešiakampių ir septyniakampių dalių. Jei grafeno savybės visomis kryptimis yra vienodos, tada fagrafenas turės ryškią savybių anizotropiją. Abi šios medžiagos buvo teoriškai prognozuotos, tačiau realybėje dar neegzistuoja.

Silicio monokristalo fragmentas (pirmame plane) ant vertikalios anglies nanovamzdelių masyvo

Anglies nanovamzdeliai

Įsivaizduokite, kad susukote nedidelį grafeno lakšto gabalėlį į vamzdelį ir suklijavote jo kraštus. Rezultatas yra tuščiavidurė struktūra, susidedanti iš tų pačių anglies atomų šešiakampių kaip ir grafenas ir grafitas – anglies nanovamzdelis. Ši medžiaga daugeliu atžvilgių susijusi su grafenu – ji pasižymi dideliu mechaniniu stiprumu (kažkada buvo pasiūlyta iš anglies nanovamzdelių statyti liftą į kosmosą), dideliu elektronų judrumu.

Tačiau yra viena neįprasta savybė. Grafeno lakštas gali būti susuktas lygiagrečiai įsivaizduojamam kraštui (vieno iš šešiakampių šonu) arba kampu. Pasirodo, tai, kaip susuksime anglies nanovamzdelį, labai paveiks jo elektronines savybes, būtent ar jis bus panašesnis į puslaidininkį su juostos tarpu, ar labiau į metalą.

Daugiasienis anglies nanovamzdelis

Wikimedia Commons

Nėra tiksliai žinoma, kada pirmą kartą buvo pastebėti anglies nanovamzdeliai. 1950–1980 m. įvairios tyrėjų grupės, dalyvaujančios katalizuojant reakcijas, kuriose dalyvauja angliavandeniliai (pavyzdžiui, metano pirolizė), atkreipė dėmesį į pailgas katalizatorių dengiančių suodžių struktūras. Dabar, norėdami susintetinti tik tam tikro tipo anglies nanovamzdelius (specifinį chiralumą), chemikai siūlo naudoti specialias sėklas. Tai yra mažos molekulės žiedų pavidalu, kurios savo ruožtu susideda iš šešiakampių benzeno žiedų. Pavyzdžiui, galite perskaityti apie jų sintezės darbą.

Kaip ir grafenas, anglies nanovamzdeliai turi daug pritaikymų mikroelektronikoje. Jau sukurti pirmieji tranzistoriai, kurių pagrindą sudaro nanovamzdeliai, jų savybės panašios į tradicinius silicio įrenginius. Be to, nanovamzdeliai sudarė tranzistoriaus pagrindą.

Karbinas

Kalbant apie pailgas anglies atomų struktūras, negalima nepaminėti karabinų. Tai linijinės grandinės, kurios, anot teoretikų, gali pasirodyti kaip galima stipriausia medžiaga (kalbame apie specifinį stiprumą). Pavyzdžiui, Youngo modulis karbinui yra 10 giganiutonų kilogramui. Plienui šis skaičius yra 400 kartų mažesnis, grafenui – bent du kartus mažesnis.

Plonas siūlas, besitęsiantis link žemiau esančios geležies dalelės – karabino

Wikimedia Commons

Karbinai būna dviejų tipų, priklausomai nuo to, kaip išsidėstę ryšiai tarp anglies atomų. Jei visos grandinės ryšiai yra vienodi, tai kalbame apie kumulenus, o jei ryšiai kaitaliojasi (viengubas-trigubas-viengubas-trigubas ir pan.), tai kalbame apie poliines. Fizikai įrodė, kad karbino siūlą galima „perjungti“ tarp šių dviejų tipų deformuojant – ištempus kumulenas virsta poliinu. Įdomu tai, kad tai kardinaliai pakeičia elektrines karbino savybes. Jei poliinas praleidžia elektros srovę, tada kumulenas yra izoliatorius.

Pagrindinis sunkumas tiriant karabinus yra tai, kad juos labai sunku susintetinti. Tai chemiškai aktyvios medžiagos, kurios taip pat lengvai oksiduojasi. Šiandien grandinės yra tik šešių tūkstančių atomų ilgio. Kad tai pasiektų, chemikai turėjo auginti karbiną anglies nanovamzdelyje. Be to, karbino sintezė padės sumušti tranzistoriaus vartų dydžio rekordą – jį galima sumažinti iki vieno atomo.

Fullerenai

Nors šešiakampis yra viena iš stabiliausių konfigūracijų, kurias gali sudaryti anglies atomai, yra visa klasė kompaktiškų objektų, kuriuose yra įprastas anglies penkiakampis. Šie objektai vadinami fullerenais.

1985 m. Haroldas Kroteau, Robertas Curlas ir Richardas Smalley tyrė anglies garus ir tai, kaip atvėsę anglies atomai susilieja. Paaiškėjo, kad dujinėje fazėje yra dvi objektų klasės. Pirmasis yra klasteriai, susidedantys iš 2–25 atomų: grandinės, žiedai ir kitos paprastos struktūros. Antrasis – klasteriai, susidedantys iš 40–150 atomų, kurių anksčiau nebuvo pastebėta. Per ateinančius penkerius metus chemikai sugebėjo įrodyti, kad šią antrąją klasę sudaro tuščiaviduriai anglies atomų karkasai, iš kurių stabiliausią sudaro 60 atomų ir yra futbolo kamuolio formos. C 60 arba buckminsterfullerenas susideda iš dvidešimties šešiakampių sekcijų ir 12 penkiakampių sekcijų, sujungtų į sferą.

Fullerenų atradimas sukėlė didelį chemikų susidomėjimą. Vėliau buvo susintetinta neįprasta endofullerenų klasė – fullerenai, kurių ertmėje buvo koks nors svetimas atomas ar maža molekulė. Pavyzdžiui, vos prieš metus vandenilio fluorido rūgšties molekulė pirmą kartą buvo įtraukta į fullereną, todėl buvo galima labai tiksliai nustatyti jo elektronines savybes.

Fulleritai – fullereno kristalai

Wikimedia Commons

1991 m. paaiškėjo, kad fulleridai – fullerenų kristalai, kuriuose dalį ertmių tarp gretimų daugiakampių užima metalai – yra molekuliniai superlaidininkai, turintys rekordiškai aukštą šios klasės pereinamąją temperatūrą, būtent 18 kelvinų (K 3 C 60). Vėliau buvo rasta fulleridų su dar aukštesne pereinamumo temperatūra – 33 kelvinais, Cs 2 RbC 60. Paaiškėjo, kad tokios savybės yra tiesiogiai susijusios su elektronine medžiagos struktūra.

Q-anglis

Tarp neseniai atrastų anglies formų yra vadinamoji Q anglis. Pirmą kartą jį pristatė Amerikos medžiagų mokslininkai iš Šiaurės Karolinos universiteto 2015 m. Mokslininkai apšvitino amorfinę anglį naudodami galingą lazerį, lokaliai įkaitindami medžiagą iki 4000 laipsnių Celsijaus. Dėl to maždaug ketvirtadalis visų medžiagos anglies atomų priėmė sp 2 hibridizaciją, ty tokią pat elektroninę būseną kaip ir grafite. Likę Q-anglies atomai išlaikė deimantui būdingą hibridizaciją.

Q-anglis

Skirtingai nuo deimanto, grafito ir kitų anglies formų, Q-anglis yra feromagnetinė, tokia kaip magnetitas ar geležis. Tuo pačiu metu jo Kiuri temperatūra siekė apie 220 laipsnių Celsijaus – tik tokiu kaitinimu medžiaga prarado savo magnetines savybes. O sumaišę Q-anglį su boru, fizikai gavo dar vieną anglies superlaidininką, kurio pereinamoji temperatūra buvo maždaug 58 kelvinai.

***

Toliau pateikiamos ne visos žinomos anglies formos. Be to, šiuo metu teoretikai ir eksperimentuotojai kuria ir tiria naujas anglies medžiagas. Visų pirma, toks darbas atliekamas Uralo federaliniame universitete. Kreipėmės į UrFU Fizikos ir technologijos instituto docentą ir vyriausiąjį mokslo darbuotoją Anatolijų Fedorovičių Zatsepiną, kad išsiaiškintume, kaip galime numatyti dar nesusintetintų medžiagų savybes ir sukurti naujas anglies formas.

Anatolijus Zatsepinas dirba prie vieno iš šešių pažangių mokslinių projektų UrFU „Naujų funkcinių medžiagų, pagrįstų mažų matmenų anglies modifikacijomis, kūrimas“. Darbas vykdomas su akademiniais ir pramonės partneriais Rusijoje ir pasaulyje.

Projektą įgyvendina Universiteto strateginis akademinis padalinys (SAU) UrFU Fizikos ir technologijos institutas. Universiteto padėtis Rusijos ir tarptautiniuose reitinguose, pirmiausia dalykų reitinguose, priklauso nuo mokslininkų sėkmės.

N+1: Anglies nanomedžiagų savybės labai priklauso nuo struktūros ir labai skiriasi. Ar galima kaip nors numatyti medžiagos savybes pagal jos struktūrą?

Anatolijus Zatsepinas: Nuspėti galima, ir mes tai darome. Yra kompiuterinio modeliavimo metodai, leidžiantys atlikti skaičiavimus remiantis pirmaisiais principais ( ab initio) - nustatome tam tikrą struktūrą, modelį ir paimame visas pagrindines šią struktūrą sudarančių atomų charakteristikas. Rezultatas – savybės, kurias gali turėti mūsų modeliuojama medžiaga arba nauja medžiaga. Visų pirma, kalbant apie anglį, galėjome imituoti naujas gamtai nežinomas modifikacijas. Jie gali būti sukurti dirbtinai.

Visų pirma, mūsų laboratorija UrFU Fizikos ir technologijos institute šiuo metu užsiima naujos rūšies anglies kūrimu, sinteze ir savybių tyrimais. Jį galima pavadinti taip: dvimačiai sutvarkyta linijinės grandinės anglis. Toks ilgas pavadinimas atsirado dėl to, kad ši medžiaga yra vadinamoji 2D struktūra. Tai plėvelės, sudarytos iš atskirų anglies grandinių, o kiekvienoje grandinėje anglies atomai yra toje pačioje „cheminėje formoje“ – sp 1 hibridizacija. Tai suteikia medžiagai visiškai neįprastų savybių sp 1 anglies grandinėse, stiprumas viršija deimantų ir kitų anglies modifikacijų stiprumą.

Kai iš šių grandinių formuojame plėveles, gaunama nauja medžiaga, kuri pasižymi anglies grandinėms būdingomis savybėmis, be to, šių tvarkingų grandinių derinys ant specialaus pagrindo sudaro dvimatę struktūrą arba supergardelę. Ši medžiaga turi didelių perspektyvų ne tik dėl savo mechaninių savybių. Svarbiausia, kad tam tikros konfigūracijos anglies grandinės gali būti uždarytos į žiedą, todėl atsiranda labai įdomių savybių, tokių kaip superlaidumas, o tokių medžiagų magnetinės savybės gali būti geresnės nei esamų feromagnetų.

Iššūkis išlieka juos iš tikrųjų sukurti. Mūsų modeliavimas parodo kelią, kur eiti.

Visada yra klaida, bet esmė ta, kad skaičiavimai ir modeliavimas iš pirmųjų principų naudoja esmines atskirų atomų charakteristikas – kvantines savybes. Ir kai iš šių kvantinių atomų susidaro tokios mikro ir nanoskalės struktūros, klaidos yra susijusios su esamu teorijos ir tų modelių apribojimu. Pavyzdžiui, žinoma, kad Schrödingerio lygtis gali būti tiksliai išspręsta tik vandenilio atomui, o sunkesniems atomams reikia naudoti tam tikrus aproksimacijas, jei kalbame apie kietąsias medžiagas ar sudėtingesnes sistemas.

Kita vertus, dėl kompiuterinių skaičiavimų gali atsirasti klaidų. Visa tai neįtraukiamos didelės klaidos, o tikslumo visiškai pakanka nuspėti vieną ar kitą savybę ar poveikį, kuris bus būdingas tam tikrai medžiagai.

Kalbant apie anglies medžiagas, yra daug skirtumų, ir esu tikras, kad dar daug ką reikia ištirti ir atrasti. UrFU turi viską, kad galėtų tyrinėti naujas anglies medžiagas, ir laukia daug darbo.

Taip pat dirbame su kitais objektais, pavyzdžiui, silicio medžiagomis mikroelektronikai. Silicis ir anglis, beje, yra toje pačioje grupėje periodinėje lentelėje.

Vladimiras Koroliovas

Šioje knygoje žodis „anglis“ pasirodo gana dažnai: pasakojimuose apie žalius lapus ir geležį, apie plastiką ir kristalus ir daugelyje kitų. Anglis – „gimstanti anglys“ – vienas nuostabiausių cheminių elementų. Jos istorija yra gyvybės atsiradimo ir vystymosi Žemėje istorija, nes ji yra visų gyvų dalykų Žemėje dalis.

Kaip atrodo anglis?

Padarykime keletą eksperimentų. Imkime cukrų ir pakaitinkime be oro. Pirmiausia jis ištirps, pasidarys rudas, o paskui pajuoduos ir virs anglimi, išskirdamas vandenį. Jei dabar kaitinsite šią anglį dalyvaujant , ji sudegs be nuosėdų ir pavirs į . Todėl cukrus susidėjo iš anglies ir vandens (cukrus, beje, vadinamas angliavandeniu), o „cukrinė“ anglis, matyt, yra gryna anglis, nes anglies dioksidas yra anglies ir deguonies junginys. Tai reiškia, kad anglis yra juodi minkšti milteliai.

Paimkime pilką minkštą grafito akmenį, jums puikiai pažįstamą pieštukų dėka. Jei kaitinsite deguonyje, jis taip pat degs be likučių, nors šiek tiek lėčiau nei anglis, o anglies dioksidas liks įrenginyje, kuriame degė. Ar tai reiškia, kad grafitas taip pat yra gryna anglis? Žinoma, bet tai dar ne viskas.

Jei deimantas, skaidrus putojantis brangakmenis ir kiečiausias iš visų mineralų, tame pačiame įrenginyje kaitinamas deguonimi, jis taip pat sudegs, virsdamas anglies dioksidu. Jei kaitinsite deimantą be prieigos prie deguonies, jis pavirs grafitu, o esant labai aukštam slėgiui ir temperatūrai galite gauti deimantą iš grafito.

Taigi, anglis, grafitas ir deimantas yra skirtingos to paties elemento – anglies – egzistavimo formos.

Dar nuostabesnis yra anglies gebėjimas „dalyvauti“ daugybėje skirtingų junginių (todėl žodis „anglis“ taip dažnai pasitaiko šioje knygoje).

104 periodinės lentelės elementai sudaro daugiau nei keturiasdešimt tūkstančių tirtų junginių. Ir jau žinoma per milijoną junginių, kurių pagrindas yra anglis!

Šios įvairovės priežastis yra ta, kad anglies atomai gali būti sujungti vienas su kitu ir su kitais atomais stipriais ryšiais, sudarydami sudėtingus grandinių, žiedų ir kitų formų pavidalu. Joks lentelės elementas, išskyrus anglį, to negali.

Yra begalinis skaičius formų, kurias galima sukurti iš anglies atomų, taigi ir begalinis galimų junginių skaičius. Tai gali būti labai paprastos medžiagos, pavyzdžiui, šviečiančios dujos metanas, kurių molekulėje keturi atomai yra prijungti prie vieno anglies atomo, ir tokios sudėtingos, kad jų molekulių struktūra dar nenustatyta. Tokios medžiagos apima

Anglis periodinėje elementų lentelėje yra antrajame IVA grupės periode. Elektroninė anglies atomo konfigūracija ls 2 2s 2 2p 2 . Kai jis sužadinamas, lengvai pasiekiama elektroninė būsena, kurioje keturiose išorinėse atominėse orbitose yra keturi nesuporuoti elektronai:

Tai paaiškina, kodėl junginiuose esanti anglis paprastai yra keturvalentė. Valentinių elektronų skaičiaus lygybė anglies atome ir valentinių orbitalių skaičiumi, taip pat unikalus branduolio krūvio ir atomo spindulio santykis suteikia jam galimybę vienodai lengvai prijungti ir atsisakyti elektronų. , priklausomai nuo partnerio savybių (9.3.1 skyrius). Dėl to anglis pasižymi įvairiomis oksidacijos būsenomis nuo -4 iki +4 ir jos atominių orbitalių hibridizacijos paprastumu pagal tipą sp 3, sp 2 Ir sp 1 susidarant cheminiams ryšiams (2.1.3 skirsnis):

Visa tai suteikia anglies galimybę sudaryti viengubus, dvigubus ir trigubus ryšius ne tik tarpusavyje, bet ir su kitų organogeninių elementų atomais. Šiuo atveju susidariusios molekulės gali turėti linijinę, šakotą arba ciklinę struktūrą.

Dėl bendrų elektronų judrumo -MO, susidarančių dalyvaujant anglies atomams, jie pasislenka link labiau elektronegatyvaus elemento atomo (indukcinis efektas), o tai lemia ne tik šios jungties, bet ir molekulės poliškumą. visa. Tačiau anglis dėl vidutinės elektronegatyvumo reikšmės (0E0 = 2,5) sudaro silpnai polinius ryšius su kitų organogeninių elementų atomais (12.1 lentelė). Jei molekulėse yra konjuguotų ryšių sistemos (2.1.3 skyrius), judriųjų elektronų (MO) ir vienišų elektronų porų delokalizacija vyksta suvienodėjus elektronų tankiui ir ryšių ilgiams šiose sistemose.

Junginių reaktyvumo požiūriu svarbų vaidmenį vaidina jungčių poliarizuotumas (2.1.3 skyrius). Kuo didesnis jungties poliarizuojamumas, tuo didesnis jos reaktyvumas. Anglies turinčių jungčių poliarizavimo priklausomybė nuo jų prigimties atsispindi šiose serijose:

Visi nagrinėti duomenys apie anglies turinčių jungčių savybes rodo, kad junginiuose esanti anglis sudaro, viena vertus, gana stiprius kovalentinius ryšius tarpusavyje ir su kitais organogenais, o kita vertus, bendrosios šių ryšių elektronų poros yra. gana labilus. Dėl to gali padidėti šių jungčių reaktyvumas ir stabilizuotis. Būtent dėl ​​šių anglies turinčių junginių ypatybių anglis yra organogenas numeris vienas.

Anglies junginių rūgščių-šarmų savybės. Anglies monoksidas (4) yra rūgštinis oksidas, o jį atitinkantis hidroksidas – anglies rūgštis H2CO3 – yra silpna rūgštis. Anglies monoksido(4) molekulė yra nepolinė, todėl blogai tirpsta vandenyje (0,03 mol/l esant 298 K). Šiuo atveju pirmiausia tirpale susidaro hidratas CO2 H2O, kuriame CO2 yra vandens molekulių junginio ertmėje, o po to šis hidratas lėtai ir grįžtamai virsta H2CO3. Didžioji dalis anglies monoksido (4) ištirpo vandenyje yra hidrato pavidalu.

Organizme, raudonuosiuose kraujo kūneliuose, veikiant fermentui karboanhidrazei, labai greitai nusistovi pusiausvyra tarp CO2 hidrato H2O ir H2CO3. Tai leidžia nepaisyti CO2 buvimo hidrato pavidalu eritrocituose, bet ne kraujo plazmoje, kur nėra karboanhidrazės. Susidaręs H2CO3 fiziologinėmis sąlygomis disocijuoja į hidrokarbonato anijoną, o šarmingesnėje aplinkoje – į karbonato anijoną:

Anglies rūgštis egzistuoja tik tirpale. Sudaro dvi druskų serijas – hidrokarbonatus (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) ir karbonatus (Na2CO3, CaCO3). Hidrokarbonatai geriau tirpsta vandenyje nei karbonatai. Vandeniniuose tirpaluose anglies rūgšties druskos, ypač karbonatai, lengvai hidrolizuojasi prie anijono, sukurdamos šarminę aplinką:

Medžiagos, tokios kaip kepimo soda NaHC03; kreida CaCO3, baltasis magnezija 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O, hidrolizuotas, kad susidarytų šarminė aplinka, naudojami kaip antacidiniai vaistai (rūgšties neutralizatoriai), siekiant sumažinti padidėjusį skrandžio sulčių rūgštingumą:

Anglies rūgšties ir bikarbonato jonų derinys (H2CO3, HCO3(-)) sudaro bikarbonato buferinę sistemą (8.5 skyrius) – gražią kraujo plazmos buferinę sistemą, kuri užtikrina pastovų kraujo pH esant pH = 7,40 ± 0,05.

Mg(OH)2 susidaro dėl visiškos magnio katijono hidrolizės, kuri tokiomis sąlygomis vyksta dėl mažesnio Mg(0H)2 tirpumo, palyginti su MgC03.

Medicinos ir biologijos praktikoje, be anglies rūgšties, tenka susidurti ir su kitomis anglies turinčiomis rūgštimis. Tai visų pirma didelė įvairių organinių rūgščių įvairovė, taip pat vandenilio cianido rūgštis HCN. Rūgščių savybių požiūriu šių rūgščių stiprumas skiriasi:

Šie skirtumai atsiranda dėl abipusės molekulėje esančių atomų įtakos, disociuojančio ryšio pobūdžio ir anijono stabilumo, t.y., jo gebėjimo delokalizuoti krūvį.

Ciano rūgštis arba vandenilio cianidas, HCN – bespalvis, labai lakus skystis (T kip = 26 °C) su karčiųjų migdolų kvapu, maišosi su vandeniu bet kokiu santykiu. Vandeniniuose tirpaluose ji elgiasi kaip labai silpna rūgštis, kurios druskos vadinamos cianidais. Šarminių ir šarminių žemių metalų cianidai tirpsta vandenyje, tačiau anijone jie hidrolizuojasi, todėl jų vandeniniai tirpalai kvepia cianido rūgštimi (karčiųjų migdolų kvapas), o pH > 12:

Dėl šios reakcijos kalio cianidas (kalio cianidas) ir jo tirpalai ilgai laikant praranda toksiškumą. Cianido anijonas yra vienas iš galingiausių neorganinių nuodų, nes jis yra aktyvus ligandas ir lengvai sudaro stabilius kompleksinius junginius su fermentais, kurių kompleksą sudaro Fe 3+ ir Cu2(+) (Sect. 10.4).

Redokso savybės. Kadangi junginiuose esanti anglis gali turėti bet kokią oksidacijos būseną nuo -4 iki +4, reakcijos metu laisva anglis gali ir atiduoti, ir įgyti elektronus, veikdama atitinkamai kaip reduktorius arba kaip oksidatorius, priklausomai nuo antrojo reagento savybių:

Anaerobinės oksidacijos sąlygomis, kai trūksta arba nėra deguonies, organinio junginio anglies atomai, priklausomai nuo deguonies atomų kiekio šiuose junginiuose ir išorinių sąlygų, gali virsti C0 2, CO, C ir net CH 4 ir kt. organogenai virsta H2O, NH3 ir H2S.

Organizme visišką organinių junginių oksidaciją deguonimi, dalyvaujant oksidazės fermentams (aerobinė oksidacija), apibūdina lygtis:

Iš pateiktų oksidacijos reakcijų lygčių aišku, kad organiniuose junginiuose oksidacijos būseną keičia tik anglies atomai, o kitų organogenų atomai išlaiko oksidacijos būseną.

Hidrinimo reakcijų metu, t. y. pridedant vandenilio (redukcijos agento) į daugialypę jungtį, ją sudarantys anglies atomai sumažina savo oksidacijos būseną (veikia kaip oksidatoriai):

Organinės pakeitimo reakcijos, atsirandančios naujai tarpanglies jungtims, pavyzdžiui, Wurtz reakcijoje, taip pat yra redokso reakcijos, kuriose anglies atomai veikia kaip oksidatoriai, o metalo atomai veikia kaip reduktorius:

Panašus dalykas pastebimas organinių metalų junginių susidarymo reakcijose:

Dėl poliarinio reagento pridėjimo prie substrato per daugkartinę anglies jungtį, vienas iš anglies atomų sumažina oksidacijos būseną, pasižymėdamas oksiduojančiojo agento savybėmis, o kitas padidina oksidacijos laipsnį, veikdamas kaip reduktorius:

Tokiais atvejais vyksta intramolekulinė substrato anglies atomų oksidacijos-redukcijos reakcija, t.y. dismutacija, veikiant reagentui, kuris nepasižymi redokso savybėmis.

Tipiškos organinių junginių intramolekulinės dismutacijos dėl jų anglies atomų reakcijos yra aminorūgščių arba keto rūgščių dekarboksilinimo reakcijos, taip pat organinių junginių persitvarkymo ir izomerizacijos reakcijos, kurios buvo aptartos skyriuje. 9.3. Pateikti organinių reakcijų pavyzdžiai, taip pat reakcijos iš sektos. 9.3 įtikinamai nurodo, kad anglies atomai organiniuose junginiuose gali būti ir oksidatoriai, ir reduktorius.

Anglies atomas junginyje- oksidatorius, jeigu dėl reakcijos padidėja jo ryšių su mažiau elektronneigiamų elementų (vandenilio, metalų) atomais, nes pritraukdamas į save bendruosius šių jungčių elektronus, aptariamas anglies atomas sumažina savo oksidaciją. valstybė.

Anglies atomas junginyje- reduktorius, jei dėl reakcijos padidėja jo ryšių su daugiau elektronneigiamų elementų atomais skaičius(C, O, N, S), nes nustumdamas bendrus šių ryšių elektronus, aptariamas anglies atomas padidina savo oksidacijos būseną.

Taigi daugelis organinės chemijos reakcijų dėl anglies atomų redokso dvilypumo yra redoksinės. Tačiau, skirtingai nuo panašių neorganinės chemijos reakcijų, elektronų perskirstymas tarp oksiduojančio agento ir reduktorius organiniuose junginiuose gali būti lydimas tik bendros cheminės jungties elektronų poros poslinkio į atomą, veikiantį kaip oksidatorius. Šiuo atveju šis ryšys gali būti išsaugotas, bet stiprios poliarizacijos atvejais gali būti nutrauktas.

Kompleksinės anglies junginių savybės. Anglies atomas junginiuose neturi pavienių elektronų porų, todėl ligandais gali veikti tik anglies junginiai, kuriuose yra daug ryšių. Sudėtinguose formavimo procesuose ypač aktyvūs yra anglies monoksido (2) poliarinės trigubos jungties elektronai ir cianido rūgšties anijonas.

Anglies monoksido molekulėje (2) anglies ir deguonies atomai sudaro vieną ir vieną ryšį dėl jų dviejų 2p atomų orbitalių tarpusavio persidengimo pagal mainų mechanizmą. Trečiasis ryšys, t.y., kitas -ryšis, susidaro pagal donoro-akceptoriaus mechanizmą. Akceptorius yra laisva 2p-atominė anglies atomo orbitalė, o donoras yra deguonies atomas, suteikiantis vienišą elektronų porą iš 2p-orbitalės:

Padidėjęs jungčių santykis suteikia šiai molekulei didelį stabilumą ir inertiškumą normaliomis sąlygomis rūgščių-šarmų (CO yra druskos nesudarantis oksidas) ir redokso savybių (CO yra reduktorius). T > 1000 K). Tuo pačiu metu jis tampa aktyviu ligandu kompleksavimo reakcijose su d-metalų atomais ir katijonais, visų pirma su geležimi, su kuriuo jis sudaro geležies pentakarbonilą, lakų toksinį skystį:

Šios pusiausvyros pasislenka link karboksihemoglobino ННbСО susidarymo, kurio stabilumas yra 210 kartų didesnis nei oksihemoglobino ННbО2. Tai veda prie karboksihemoglobino kaupimosi kraujyje ir dėl to sumažėja jo gebėjimas pernešti deguonį.

Ciano rūgšties anijone CN- taip pat yra lengvai poliarizuojamų elektronų, todėl jis efektyviai sudaro kompleksus su d-metalais, įskaitant gyvuosius metalus, kurie yra fermentų dalis. Todėl cianidai yra labai toksiški junginiai (10.4 skirsnis).

Anglies ciklas gamtoje. Anglies ciklas gamtoje daugiausia grindžiamas anglies oksidacijos ir redukcijos reakcijomis (12.3 pav.).

Augalai pasisavina (1) anglies monoksidą (4) iš atmosferos ir hidrosferos. Dalį augalų masės suvartoja (2) žmonės ir gyvūnai. Gyvūnų kvėpavimas ir jų liekanų irimas (3), taip pat augalų kvėpavimas, negyvų augalų puvimas ir medienos deginimas (4) grąžina CO2 į atmosferą ir hidrosferą. Augalų (5) ir gyvūnų (6) liekanų mineralizacijos procesas, susidarant durpėms, iškastinėms anglims, naftai, dujoms, veda prie anglies virsmo gamtos ištekliais. Rūgščių ir šarmų reakcijos (7) vyksta ta pačia kryptimi, vykstančios tarp CO2 ir įvairių uolienų, susidarant karbonatams (vidutiniams, rūgštiniams ir baziniams):

Dėl šios neorganinės ciklo dalies atmosferoje ir hidrosferoje prarandamas CO2. Žmogaus veikla deginant ir apdorojant anglį, naftą, dujas (8), malkas (4), atvirkščiai, gausiai praturtina aplinką anglies monoksidu (4). Ilgą laiką buvo tikima, kad fotosintezės dėka CO2 koncentracija atmosferoje išlieka pastovi. Tačiau šiuo metu CO2 kiekio padidėjimo atmosferoje dėl žmogaus veiklos nekompensuoja natūralus jo mažėjimas. Bendras CO2 išmetimas į atmosferą eksponentiškai auga 4-5% per metus. Remiantis skaičiavimais, 2000 m. CO2 kiekis atmosferoje sieks maždaug 0,04 %, o ne 0,03 % (1990 m.).

Įvertinus anglies turinčių junginių savybes ir charakteristikas, reikėtų dar kartą pabrėžti pagrindinį anglies vaidmenį.

Ryžiai. 12.3. Anglies ciklas gamta

Organogenas Nr. 1: pirma, anglies atomai sudaro organinių junginių molekulių karkasą; antra, anglies atomai atlieka pagrindinį vaidmenį redokso procesuose, nes tarp visų organogenų atomų būtent anglies redokso dvilypumas būdingas. Daugiau informacijos apie organinių junginių savybes rasite IV modulyje „Bioorganinės chemijos pagrindai“.

IVA grupės p-elementų bendrosios charakteristikos ir biologinis vaidmuo. Elektroniniai anglies analogai yra IVA grupės elementai: silicis Si, germanis Ge, alavas Sn ir švinas Pb (žr. 1.2 lentelę). Šių elementų atomų spinduliai natūraliai didėja didėjant atominiam skaičiui, o jų jonizacijos energija ir elektronegatyvumas natūraliai mažėja (1.3 skyrius). Todėl pirmieji du grupės elementai: anglis ir silicis yra tipiški nemetalai, o germanis, alavas ir švinas yra metalai, nes jiems labiausiai būdingas elektronų praradimas. Serijoje Ge - Sn - Pb padidėja metalo savybės.

Redokso savybių požiūriu elementai C, Si, Ge, Sn ir Pb normaliomis sąlygomis yra gana stabilūs oro ir vandens atžvilgiu (metalai Sn ir Pb – dėl oksido plėvelės susidarymo ant paviršiaus ). Tuo pačiu metu švino junginiai (4) yra stiprūs oksidatoriai:

Kompleksuojančios savybės labiausiai būdingos švinui, nes jo Pb 2+ katijonai yra stiprūs kompleksuojantys agentai, palyginti su kitų IVA grupės p elementų katijonais. Švino katijonai sudaro stiprius kompleksus su bioligandais.

IVA grupės elementai labai skiriasi tiek savo kiekiu organizme, tiek biologiniu vaidmeniu. Anglis vaidina pagrindinį vaidmenį organizmo gyvenime, kur jos kiekis sudaro apie 20%. Kitų IVA grupės elementų kiekis organizme yra 10 -6 -10 -3%. Tuo pačiu metu, jei silicis ir germanis neabejotinai vaidina svarbų vaidmenį organizmo gyvenime, tai alavas ir ypač švinas yra toksiški. Taigi, didėjant IVA grupės elementų atominei masei, didėja jų junginių toksiškumas.

Dulkės, susidedančios iš anglies arba silicio dioksido SiO2 dalelių, sistemingai patekusios į plaučius, sukelia ligas – pneumokoniozę. Anglies dulkių atveju tai yra antrakozė, profesinė kalnakasių liga. Įkvėpus dulkių, kuriose yra Si02, atsiranda silikozė. Pneumokoniozės vystymosi mechanizmas dar nenustatytas. Daroma prielaida, kad silikatinio smėlio grūdeliams ilgai kontaktuojant su biologiniais skysčiais, susidaro gelio pavidalo polisilicio rūgštis Si02 yH2O, kurios nusėdimas ląstelėse sukelia jų mirtį.

Toksinis švino poveikis žmonijai buvo žinomas labai seniai. Švino naudojimas indams ir vandens vamzdžiams gaminti lėmė masinį žmonių apsinuodijimą. Šiuo metu švinas tebėra vienas iš pagrindinių aplinkos teršalų, nes švino junginių į atmosferą kasmet išleidžiama daugiau nei 400 000 tonų. Švinas daugiausia kaupiasi skelete blogai tirpaus fosfato Pb3(PO4)2 pavidalu, o kai kaulai demineralizuojami, jis reguliariai daro toksinį poveikį organizmui. Todėl švinas priskiriamas kaupiamiesiems nuodams. Švino junginių toksiškumas pirmiausia yra susijęs su jo komplekso savybėmis ir dideliu afinitetu bioligandams, ypač tiems, kurių sudėtyje yra sulfhidrilo grupių (-SH):

Sudėtingų švino jonų junginių susidarymas su baltymais, fosfolipidais ir nukleotidais lemia jų denatūravimą. Dažnai švino jonai slopina EM 2+ metalofermentus, išstumdami iš jų gyvuosius metalų katijonus:

Švinas ir jo junginiai yra nuodai, kurie pirmiausia veikia nervų sistemą, kraujagysles ir kraują. Tuo pačiu metu švino junginiai veikia baltymų sintezę, ląstelių energijos balansą ir jų genetinį aparatą.

Medicinoje kaip sutraukiantys naudojami išoriniai antiseptikai: švino acetatas Pb(CH3COO)2 ZH2O (švino losjonai) ir švino(2) oksidas PbO (švino tinkas). Šių junginių švino jonai reaguoja su baltymais (albuminu) mikrobų ląstelių ir audinių citoplazmoje, sudarydami gelio pavidalo albuminatus. Gelių susidarymas žudo mikrobus, be to, jiems sunku prasiskverbti į audinių ląsteles, todėl sumažėja vietinis uždegiminis atsakas.