Нүүрстөрөгчийн төлөв байдал. Хичээлийн хураангуй "Нүүрстөрөгчийн атомын бүтэц

Нүүрстөрөгч (Латин хэлнээс: carbo "нүүрс") нь C тэмдэгтэй, атомын дугаар 6-тай химийн элемент юм. Ковалент химийн холбоо үүсгэх дөрвөн электрон байдаг. Уг бодис нь металл бус, дөрвөн валент юм. Нүүрстөрөгчийн гурван изотоп нь байгальд байдаг бөгөөд 12C, 13C нь тогтвортой, 14C нь задралын цацраг идэвхт изотоп бөгөөд хагас задралын хугацаа нь 5730 орчим жил юм. Нүүрстөрөгч бол эрт дээр үеэс мэдэгдэж байсан цөөн тооны элементүүдийн нэг юм. Нүүрстөрөгч нь дэлхийн царцдасын 15 дахь хамгийн элбэг элемент бөгөөд массаараа устөрөгч, гели, хүчилтөрөгчийн дараа орчлон ертөнцийн дөрөв дэх хамгийн элбэг элемент юм. Нүүрстөрөгчийн элбэг дэлбэг байдал, түүний органик нэгдлүүдийн өвөрмөц олон янз байдал, дэлхий дээр ихэвчлэн олддог температурт полимер үүсгэх ер бусын чадвар нь түүнийг бүх мэдэгдэж буй амьдралын хэлбэрүүдэд нийтлэг элемент болгон ашиглах боломжийг олгодог. Энэ нь хүний ​​биед агуулагдах массаараа (ойролцоогоор 18.5%) хүчилтөрөгчийн дараа хоёрдугаарт ордог. Нүүрстөрөгчийн атомууд нь нүүрстөрөгчийн аллотроп гэж нэрлэгддэг янз бүрийн аргаар холбогдож болно. Хамгийн алдартай аллотропууд нь бал чулуу, алмаз, аморф нүүрстөрөгч юм. Нүүрстөрөгчийн физик шинж чанар нь аллотроп хэлбэрээс хамаарч өөр өөр байдаг. Жишээлбэл, бал чулуу нь тунгалаг, хар өнгөтэй байдаг бол алмаз нь маш тунгалаг байдаг. Графит нь цаасан дээр зураас үүсгэх хангалттай зөөлөн байдаг (иймээс нэр нь "бичих" гэсэн утгатай Грекийн "γράφειν" үйл үгнээс гаралтай), алмааз бол байгальд мэдэгдэж байгаа хамгийн хатуу материал юм. Графит нь сайн цахилгаан дамжуулагч бөгөөд алмааз нь цахилгаан дамжуулах чадвар багатай байдаг. Хэвийн нөхцөлд алмаз, нүүрстөрөгчийн нано хоолой, графен нь мэдэгдэж буй материалуудаас хамгийн өндөр дулаан дамжуулалттай байдаг. Бүх нүүрстөрөгчийн аллотропууд нь хэвийн нөхцөлд хатуу бодис бөгөөд графит нь термодинамикийн хувьд хамгийн тогтвортой хэлбэр юм. Тэд химийн хувьд тогтвортой бөгөөд хүчилтөрөгчтэй ч гэсэн урвалд орохын тулд өндөр температур шаарддаг. Органик бус нэгдлүүд дэх нүүрстөрөгчийн хамгийн түгээмэл исэлдэлтийн төлөв нь нүүрстөрөгчийн дутуу исэл ба шилжилтийн металлын карбоксил цогцолборт +4, +2 байдаг. Органик бус нүүрстөрөгчийн хамгийн том эх үүсвэр нь шохойн чулуу, доломит, нүүрстөрөгчийн давхар исэл боловч ихээхэн хэмжээгээр нүүрс, хүлэр, газрын тос, метан клатрат зэрэг органик ордуудаас бүрддэг. Нүүрстөрөгч нь өнөөг хүртэл тодорхойлогдсон бараг арван сая нэгдлүүдтэй бусад элементүүдээс илүү асар олон тооны нэгдлүүдийг үүсгэдэг боловч энэ тоо нь стандарт нөхцөлд онолын хувьд боломжтой нэгдлүүдийн зөвхөн багахан хэсэг юм. Ийм учраас нүүрстөрөгчийг ихэвчлэн "элементүүдийн хаан" гэж нэрлэдэг.

Онцлог шинж чанарууд

Нүүрстөрөгчийн аллотропуудад мэдэгдэж байгаа хамгийн зөөлөн бодисуудын нэг болох бал чулуу, байгалийн хамгийн хатуу бодис болох алмаз орно. Нүүрстөрөгч нь бусад жижиг атомууд, түүний дотор бусад нүүрстөрөгчийн атомуудтай амархан холбогддог бөгөөд тохиромжтой олон валент атомуудтай олон тооны тогтвортой ковалент холбоо үүсгэх чадвартай. Нүүрстөрөгч нь бүх химийн нэгдлүүдийн дийлэнх нь бараг арван сая өөр нэгдлүүдийг үүсгэдэг нь мэдэгдэж байна. Нүүрстөрөгч нь аливаа элементийн хамгийн өндөр сублимацийн цэгтэй байдаг. Агаар мандлын даралтад хайлах цэг байхгүй, учир нь түүний гурвалсан цэг нь 10.8 ± 0.2 МПа ба 4600 ± 300 К (~ 4330 ° C буюу 7820 ° F) байдаг тул 3900 К-т гүн гүнзгийрдэг. Графит нь алмазаас хамаагүй илүү идэвхтэй байдаг. Стандарт нөхцлүүд хэдийгээр термодинамикийн хувьд илүү тогтвортой байдаг, учир нь түүний нутагшуулсан pi систем нь халдлагад илүү өртөмтгий байдаг. Жишээлбэл, бал чулууг халуун төвлөрсөн азотын хүчлээр стандарт нөхцөлд исэлдүүлэн меллитийн хүчил C6(CO2H)6 болгох боломжтой бөгөөд энэ нь бал чулууны зургаан өнцөгт нэгжийг хадгалж, том бүтцийг устгадаг. Температур нь ойролцоогоор 5,800 К (5,530 ° C, 9,980 ° F) байдаг нүүрстөрөгчийн нум дахь нүүрстөрөгч нь сублимин болдог. Тиймээс аллотроп хэлбэрээс үл хамааран нүүрстөрөгч нь вольфрам эсвэл рений зэрэг хамгийн өндөр хайлах цэгээс өндөр температурт хатуу хэвээр байна. Нүүрстөрөгч нь термодинамикийн хувьд исэлдэлтэнд өртөмтгий боловч өрөөний температурт сул бууруулагч бодис болох төмөр, зэс зэрэг элементүүдээс илүү исэлдэлтэнд тэсвэртэй байдаг. Нүүрстөрөгч нь 1s22s22p2 үндсэн төлөвийн электрон тохиргоотой зургаа дахь элемент бөгөөд гаднах дөрвөн электрон нь валентын электронууд юм. Түүний эхний дөрвөн иончлолын энерги нь 1086.5, 2352.6, 4620.5, 6222.7 кЖ/моль бөгөөд 14-р бүлгийн хүнд нүүрстөрөгчийн цахилгаан сөрөг чанар нь 2.5, 114.8-р бүлгийн хүнд элементүүдээс хамаагүй өндөр байдаг. ихэнх хөрш зэргэлдээх металл бус, түүнчлэн хоёр ба гурав дахь эгнээний зарим шилжилтийн металлуудад. Нүүрстөрөгчийн ковалент радиусыг ерөнхийд нь 77.2 pm (C-C), 66.7 pm (C=C), 60.3 pm (C≡C) гэж авдаг боловч тэдгээр нь координацын тоо болон нүүрстөрөгчтэй ямар холбоотой байгаагаас хамаарч өөр өөр байж болно. Ерөнхийдөө ковалент радиус нь координацын тоо буурч, бондын дараалал нэмэгдэх тусам буурдаг. Нүүрстөрөгчийн нэгдлүүд нь дэлхий дээрх бүх мэдэгдэж буй амьдралын үндэс суурийг бүрдүүлдэг бөгөөд нүүрстөрөгч-азотын эргэлт нь нар болон бусад оддын ялгардаг энергийн зарим хэсгийг хангадаг. Хэдийгээр нүүрстөрөгч нь ер бусын олон төрлийн нэгдлүүдийг үүсгэдэг боловч нүүрстөрөгчийн ихэнх хэлбэр нь хэвийн нөхцөлд харьцангуй урвалд ордоггүй. Стандарт температур, даралтад нүүрстөрөгч нь хамгийн хүчтэй исэлдүүлэгч бодисоос бусад бүх зүйлийг тэсвэрлэх чадвартай. Энэ нь хүхрийн хүчил, давсны хүчил, хлор, шүлттэй урвалд ордоггүй. Өндөр температурт нүүрстөрөгч нь хүчилтөрөгчтэй урвалд орж нүүрстөрөгчийн исэл үүсгэж, металлын исэлээс хүчилтөрөгчийг зайлуулж, элементийн металыг үлдээдэг. Энэхүү экзотермик урвалыг төмөр, гангийн үйлдвэрт төмрийг хайлуулах, гангийн нүүрстөрөгчийн агууламжийг хянахад ашигладаг.

Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (г)

хүхэртэй нүүрстөрөгчийн дисульфид үүсгэх ба нүүрс-хийн урвалд уураар:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Нүүрстөрөгч нь өндөр температурт тодорхой металлуудтай нийлж, ган дахь төмрийн карбидаас цементит, гянтболдын карбид зэрэг металл карбидыг үүсгэдэг бөгөөд зүлгүүр болгон өргөн хэрэглэгддэг ба зүсэгч багажны хатуу цэгүүдийг хийдэг. Нүүрстөрөгчийн аллотропын систем нь хэд хэдэн эрс тэс байдлыг хамардаг.

Бал чулууны зарим хэлбэрийг дулаан тусгаарлалтанд (галын хаалт, дулааны хамгаалалт гэх мэт) ашигладаг боловч бусад хэлбэрүүд нь сайн дулаан дамжуулагч юм. Алмаз бол хамгийн алдартай байгалийн дулаан дамжуулагч юм. Графит нь тунгалаг. Алмаз нь маш ил тод байдаг. Графит нь зургаан өнцөгт системд талсждаг. Алмаз нь куб системд талсждаг. Аморф нүүрстөрөгч нь бүрэн изотроп юм. Нүүрстөрөгчийн нано хоолой нь хамгийн алдартай анизотроп материалуудын нэг юм.

Нүүрстөрөгчийн аллотропууд

Атомын нүүрстөрөгч нь маш богино насалдаг зүйл тул нүүрстөрөгч нь аллотроп гэж нэрлэгддэг янз бүрийн молекулын бүтэцтэй олон атомт бүтцэд тогтворждог. Нүүрстөрөгчийн харьцангуй алдартай гурван аллотроп нь аморф нүүрстөрөгч, бал чулуу, алмаз юм. Өмнө нь чамин гэж тооцогддог байсан фуллеренийг одоо ихэвчлэн нэгтгэж, судалгаанд ашигладаг; Эдгээрт бакки бөмбөлөг, нүүрстөрөгчийн нано хоолой, нүүрстөрөгчийн нанодот, нано шилэн материалууд орно. Лонсалетит, шилэн нүүрстөрөгч, нанофаум нүүрстөрөгч, шугаман ацетилен нүүрстөрөгч (карбин) зэрэг бусад хэд хэдэн чамин аллотропуудыг илрүүлсэн. 2009 оны байдлаар графен нь урьд өмнө туршиж үзсэн хамгийн бат бөх материал гэж тооцогддог. Үүнийг бал чулуунаас салгах үйл явц нь үйлдвэрлэлийн процесст хэмнэлттэй болохоос өмнө технологийн цаашдын хөгжлийг шаарддаг. Хэрэв амжилттай болвол графеныг сансрын цахилгаан шат барихад ашиглах боломжтой. Түүнчлэн автомашины устөрөгч дээр суурилсан хөдөлгүүрт ашиглахын тулд устөрөгчийг найдвартай хадгалахад ашиглаж болно. Аморф хэлбэр нь талст макро бүтцэд агуулагдахаас илүү талст бус, жигд бус, шил хэлбэртэй нүүрстөрөгчийн атомуудын цуглуулга юм. Энэ нь нунтаг хэлбэрээр байдаг бөгөөд нүүрс, чийдэнгийн хөө (хөө тортог), идэвхжүүлсэн нүүрс зэрэг бодисын үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Хэвийн даралтын үед нүүрстөрөгч нь бал чулуу хэлбэртэй байдаг бөгөөд атом бүр нь анхилуун үнэрт нүүрсустөрөгчийн нэгэн адил нийлсэн зургаан өнцөгт цагиргуудаас бүрдсэн хавтгайд өөр гурван атомаар гурвалжин холбогддог. Үүссэн сүлжээ нь хоёр хэмжээст бөгөөд үүссэн хавтгай хуудаснууд нь сул ван дер Ваалсын хүчээр нугалж, чөлөөтэй холбогддог. Энэ нь бал чулуунд зөөлөн, задрах шинж чанарыг өгдөг (хуудаснууд бие биенийхээ хажуугаар амархан гулсдаг). Атом бүрийн гаднах электронуудын аль нэг нь π үүл үүсгэхийн тулд орон зайг алддаг тул бал чулуу нь цахилгаан гүйдэл дамжуулдаг боловч ковалентаар холбогдсон хуудас бүрийн хавтгайд л байдаг. Үүний үр дүнд нүүрстөрөгчийн цахилгаан дамжуулах чанар ихэнх металлуудаас бага байдаг. Делокализаци нь өрөөний температурт алмаз дээрх бал чулууны энергийн тогтвортой байдлыг тайлбарладаг. Маш өндөр даралттай үед нүүрстөрөгч нь бал чулуунаас бараг хоёр дахин их нягтралтай, илүү нягт аллотроп, алмаз үүсгэдэг. Энд атом бүр өөр дөрвөнтэй тетраэдр байдлаар холбогдож, атомын үрчлээстэй зургаан гишүүнтэй цагираг бүхий гурван хэмжээст сүлжээг бүрдүүлдэг. Алмаз нь цахиур, германийхтэй ижил куб бүтэцтэй бөгөөд нүүрстөрөгч-нүүрстөрөгчийн холболтын бат бөх чанараас шалтгаалан зураасны эсэргүүцлээр хэмжигддэг байгалийн хамгийн хатуу бодис юм. "Очир нь мөнх" гэсэн түгээмэл итгэл үнэмшлээс үл хамааран тэдгээр нь ердийн нөхцөлд термодинамикийн хувьд тогтворгүй бөгөөд бал чулуу болж хувирдаг. Идэвхжүүлэлтийн энергийн саад ихтэй тул бал чулуу хэлбэрт шилжих нь хэвийн температурт маш удаан явагддаг тул үүнийг илрүүлэх боломжгүй юм. Тодорхой нөхцөлд нүүрстөрөгч нь бүх атомууд нь ковалентаар холбогдсон, алмаазтай төстэй шинж чанартай зургаан өнцөгт талст тор болох лонзалит хэлбэрээр талсждаг. Фуллерен нь бал чулуу шиг бүтэцтэй синтетик талст формац боловч зургаан өнцөгтийн оронд фуллерен нь нүүрстөрөгчийн атомын таван өнцөгт (эсвэл бүр долоон өнцөгт)-ээс бүрддэг. Алга болсон (эсвэл нэмэлт) атомууд нь хуудсыг бөмбөрцөг, эллипс эсвэл цилиндр хэлбэртэй болгодог. Фуллеренүүдийн шинж чанарыг (бакибол, бакитуб, нанобад гэж хуваадаг) хараахан бүрэн шинжлэгдээгүй байгаа бөгөөд наноматериалын судалгааны эрчимтэй салбарыг төлөөлдөг. "Фуллерен" ба "баккибол" гэсэн нэрс нь фуллеренийн бүтэцтэй төстэй геодезийн бөмбөгөрийг түгээгч Ричард Бакминстер Фуллерийн нэртэй холбоотой юм. Баки бөмбөлөг нь нүүрстөрөгчийн холбооноос бүхэлдээ гурвалжин хэлбэрээр үүссэн нэлээд том молекулууд бөгөөд бөмбөрцөг үүсгэдэг (хамгийн сайн мэддэг бөгөөд хамгийн энгийн нь хөл бөмбөг хэлбэртэй bucksynysterfellerene C60 юм). Нүүрстөрөгчийн нано гуурс нь бүтцийн хувьд баки бөмбөлөгтэй төстэй бөгөөд зөвхөн атом бүр нь муруй хуудсан дээр гурвалжин холболттой бөгөөд хөндий цилиндр үүсгэдэг. Нано бөмбөлөг нь 2007 онд анх гарч ирсэн бөгөөд хоёулангийнх нь шинж чанарыг нэг бүтцэд нэгтгэсэн эрлийз материал (баки бөмбөлөг нь нано гуурсны гадна хананд ковалентаар холбогддог) юм. Олдсон бусад аллотропуудаас нүүрстөрөгчийн нано хөөс нь 1997 онд нээгдсэн ферромагнит аллотроп юм. Энэ нь атомууд нь 6 ба долоон гишүүнтэй цагирагт тригональ холбогдсон сул гурван хэмжээст сүлжээ болгон сунасан бага нягттай нүүрстөрөгчийн атомуудын бөөгнөрөлөөс бүрдэнэ. Энэ нь ойролцоогоор 2 кг/м3 нягттай хамгийн хөнгөн хатуу биетүүдийн нэг юм. Үүний нэгэн адил шилэн нүүрстөрөгч нь битүү сүвэрхэг чанарыг их хэмжээгээр агуулдаг боловч ердийн бал чулуунаас ялгаатай нь бал чулуун давхаргууд нь номын хуудас шиг овоолсон биш, харин санамсаргүй байдлаар байрлуулсан байдаг. Шугаман ацетилен нүүрстөрөгч нь химийн бүтэцтэй - (C:::C)n-. Энэхүү өөрчлөлтийн нүүрстөрөгч нь sp орбитын эрлийзжилттэй шугаман бөгөөд ээлжлэн дан ба гурвалсан холбоо бүхий полимер юм. Энэхүү карбин нь нано технологийн хувьд ихээхэн сонирхол татдаг, учир нь түүний Young модуль нь хамгийн хатуу материал болох алмаазаас дөч дахин их байдаг. 2015 онд Хойд Каролинагийн их сургуулийн баг аморф нүүрстөрөгчийн тоос дээр өндөр энерги, бага хугацаатай лазер импульсийн нөлөөгөөр бүтээгдсэн Q-нүүрстөрөгч гэж нэрлэсэн өөр аллотропыг хөгжүүлж байгаагаа зарлав. Q-нүүрстөрөгч нь ферромагнетизм, флюресценцийг харуулдаг бөгөөд алмаазаас илүү хатуулагтай байдаг.

Тархалт

Нүүрстөрөгч нь устөрөгч, гели, хүчилтөрөгчийн дараа орчлон ертөнцөд массаараа дөрөв дэх хамгийн элбэг байдаг химийн элемент юм. Нүүрстөрөгч нь нар, од, сүүлт од, ихэнх гаригуудын агаар мандалд элбэг байдаг. Зарим солирууд нь нарны аймаг анхдагч гаригийн диск байх үед үүссэн бичил харуурын алмазыг агуулдаг. Микроскопийн алмаз нь солирын цохилтын бүсэд хүчтэй даралт, өндөр температурт үүсч болно. 2014 онд НАСА орчлон ертөнц дэх полициклик үнэрт нүүрсустөрөгчийг (PAHs) хянах шинэчилсэн мэдээллийн санг зарласан. Орчлон ертөнц дэх нүүрстөрөгчийн 20 гаруй хувь нь хүчилтөрөгчгүй нүүрстөрөгч, устөрөгчийн цогц нэгдлүүд болох PAH-тай холбоотой байж болно. Эдгээр нэгдлүүд нь дэлхийн PAH таамаглалд багтдаг бөгөөд тэдгээр нь абиогенез болон амьдрал үүсэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг гэж үздэг. PAH нь Их тэсрэлтийн дараа "хоёр тэрбум жилийн дараа" үүссэн бололтой, орчлон даяар өргөн тархсан бөгөөд шинэ одод болон экзопланетуудтай холбоотой байдаг. Дэлхийн царцдас бүхэлдээ 730 ppm нүүрстөрөгч агуулдаг бөгөөд 2000 ppm нь цөмд, 120 ppm нь манти болон царцдасын нийлбэрт агуулагддаг. Дэлхийн масс 5.9 72 × 1024 кг тул энэ нь 4360 сая гигатон нүүрстөрөгч гэсэн үг юм. Энэ нь далай эсвэл агаар мандал дахь (доор) нүүрстөрөгчийн хэмжээнээс хамаагүй их юм. Нүүрстөрөгчийн давхар исэл дэх хүчилтөрөгчтэй хослуулан нүүрстөрөгч нь дэлхийн агаар мандалд (ойролцоогоор 810 гигатон нүүрстөрөгч) агуулагдаж, бүх усан санд уусдаг (ойролцоогоор 36,000 гигатон нүүрстөрөгч). Шим мандалд 1900 гигатон нүүрстөрөгч байдаг. Нүүрс устөрөгч (нүүрс, газрын тос, байгалийн хий гэх мэт) нь мөн нүүрстөрөгч агуулдаг. Нүүрсний "нөөц" ("нөөц" биш) ойролцоогоор 900 гигатон, магадгүй 18,000 Гт нөөцтэй. Газрын тосны нөөц 150 гигатонн орчим байдаг. Байгалийн хийн батлагдсан эх үүсвэр нь ойролцоогоор 175,1012 шоо метр (ойролцоогоор 105 гигатонн нүүрстөрөгч агуулдаг) боловч судалгаагаар занарын хий зэрэг "уламжлалт бус" ордуудаас 900,1012 шоо метр буюу 540 орчим гигатон нүүрстөрөгчтэй гэж тооцоолжээ. Нүүрстөрөгч нь туйлын бүс нутаг болон далайн ёроолд байгаа метан гидратаас мөн илэрсэн. Төрөл бүрийн тооцоогоор энэ нүүрстөрөгчийн хэмжээ 500, 2500 Gt, эсвэл 3000 Gt байна. Өмнө нь нүүрсустөрөгчийн хэмжээ илүү их байсан. Нэгэн эх сурвалжийн мэдээлснээр, 1751-2008 оны хооронд 347 гигатон нүүрстөрөгч чулуужсан түлшийг шатааж агаар мандалд нүүрстөрөгчийн давхар исэл хэлбэрээр цацагдсан байна. Өөр нэг эх сурвалж нь 1750 оноос хойш агаар мандалд нэмэгдсэн хэмжээг 879 Гт хүртэл нэмсэн бөгөөд агаар мандал, далай, хуурай газрын нийт хэмжээ (жишээлбэл, хүлэрт намаг) бараг 2000 Гт байна. Нүүрстөрөгч нь маш том хэмжээний карбонат чулуулгийн (шохойн чулуу, доломит, гантиг гэх мэт) бүрэлдэхүүн хэсэг (массын 12%) юм. Нүүрс нь маш их хэмжээний нүүрстөрөгч агуулдаг (антрацит нь 92-98% нүүрстөрөгч агуулдаг) бөгөөд ашигт малтмалын нүүрстөрөгчийн хамгийн том арилжааны эх үүсвэр бөгөөд 4000 гигатон буюу чулуужсан түлшний 80% -ийг эзэлдэг. Нүүрстөрөгчийн бие даасан аллотропын хувьд бал чулуу нь АНУ (ихэвчлэн Нью-Йорк, Техас), Орос, Мексик, Гренланд, Энэтхэгт их хэмжээгээр олддог. Байгалийн алмаз нь эртний галт уулын "хүзүү" эсвэл "яндан" -д агуулагдах кимберлит чулуулагаас олддог. Ихэнх алмазын ордууд Африкт, ялангуяа Өмнөд Африк, Намиби, Ботсвана, Бүгд Найрамдах Конго, Сьерра-Леонд байдаг. Мөн Канадын Арканзас, Оросын Арктик, Бразил, Хойд болон Баруун Австралиас алмазын орд олдсон. Очир алмазыг одоо Сайн найдварын хошуунаас далайн ёроолоос гаргаж авч байна. Алмаз нь байгалийн жамаар олддог боловч одоо АНУ-д ашиглагдаж буй үйлдвэрлэлийн нийт алмазны 30 орчим хувийг үйлдвэрлэж байна. Нүүрстөрөгч-14 нь тропосфер ба стратосферийн дээд давхаргад 9-15 км-ийн өндөрт сансар огторгуйн цацраг туяагаар хуримтлагдах урвалаар үүсдэг. Дулааны нейтронууд үүсч, азот-14 цөмтэй мөргөлдөж, нүүрстөрөгч-14 ба протоныг үүсгэдэг. Тиймээс агаар мандлын нүүрстөрөгчийн давхар ислийн 1.2 × 1010% нь нүүрстөрөгч-14 агуулдаг. Манай нарны аймгийн астероидын бүсийн гадна хэсэгт нүүрстөрөгчөөр баялаг астероидууд харьцангуй давамгайлж байна. Эдгээр астероидуудыг эрдэмтэд хараахан шууд судалж үзээгүй байна. Астероидуудыг сансарт суурилсан нүүрсний олборлолтод ашиглаж болох бөгөөд энэ нь ирээдүйд боломжтой боловч технологийн хувьд одоогоор боломжгүй байна.

Нүүрстөрөгчийн изотопууд

Нүүрстөрөгчийн изотопууд нь зургаан протон ба хэд хэдэн нейтрон (2-оос 16) агуулсан атомын цөм юм. Нүүрстөрөгч нь байгалийн гаралтай хоёр тогтвортой изотоптой. Дэлхий дээрх нүүрстөрөгчийн 98.93%-ийг нүүрстөрөгч-12 (12С) изотоп, үлдсэн 1.07%-ийг нүүрстөрөгч-13 (13С) бүрдүүлдэг. Биологийн материалд 12С-ийн концентраци улам нэмэгддэг, учир нь биохимийн урвалууд нь 13С-ээс ялгавартай байдаг. 1961 онд Олон улсын цэвэр ба хэрэглээний химийн холбоо (IUPAC) нүүрстөрөгч-12 изотопыг атомын жингийн үндэс болгон баталсан. Цөмийн соронзон резонансын (NMR) туршилтын нүүрстөрөгчийг тодорхойлох нь 13C изотопоор хийгддэг. Нүүрстөрөгч-14 (14С) нь азотын сансрын туяатай харилцан үйлчилснээр агаар мандлын дээд давхаргад (стратосферийн доод давхарга ба тропосферийн дээд давхарга) үүссэн байгалийн радиоизотоп юм. Энэ нь дэлхий дээр ул мөрийн хэмжээгээр их наяд тутамд 1 хүртэл (0.0000000001%), гол төлөв агаар мандал, гадаргын хурдас, ялангуяа хүлэр болон бусад органик материалаас олддог. Энэ изотоп нь 0.158 МэВ-ийн β-ялгаралтын үед задардаг. Хагас задралын хугацаа нь 5730 жил байдаг тул 14С нь эртний чулуулагт бараг байдаггүй. Агаар мандалд болон амьд организмд 14С-ийн хэмжээ бараг тогтмол байдаг боловч үхсэний дараа организмд буурдаг. Энэ зарчмыг 1949 онд зохион бүтээсэн, 40,000 жилийн настай нүүрстөрөгчийн материалыг он цагийг тогтооход өргөнөөр ашиглаж ирсэн радио нүүрстөрөгчийн шинжилгээнд ашигладаг. Мэдэгдэж байгаа нүүрстөрөгчийн 15 изотоп байдаг бөгөөд хамгийн богино наслалт нь 8С бөгөөд протоны ялгаралт болон альфа задралаар задардаг ба хагас задралын хугацаа 1.98739 x 10-21 сек байна. Экзотик 19С нь цөмийн гэрэлт цагиргийг харуулдаг бөгөөд хэрэв цөм нь тогтмол нягттай бөмбөрцөг байсан бол түүний радиус нь тооцоолж байснаас хамаагүй том болно.

Одод дахь боловсрол

Нүүрстөрөгчийн атомын цөм үүсэхийн тулд аварга том одны цөм дэх альфа бөөмс (гелийн цөм) бараг нэгэн зэрэг гурвалсан мөргөлдөх шаардлагатай бөгөөд үүнийг гурвалсан альфа процесс гэж нэрлэдэг, учир нь гелитэй гелийн цаашдын цөмийн нэгдэх урвалын бүтээгдэхүүнүүд үүсдэг. устөрөгч эсвэл өөр гелийн цөм нь литий-5 ба бериллий-8-ыг тус тус үүсгэдэг бөгөөд хоёулаа тогтворгүй бөгөөд жижиг цөм болж бараг тэр дороо задардаг. Энэ нь 100 мегакалвин ба гелийн концентрациас дээш температурын нөхцөлд тохиолддог бөгөөд энэ нь орчлон ертөнцийн хурдацтай тэлэлт, хөргөлтийн үед хүлээн зөвшөөрөгдөхгүй тул Их тэсрэлтийн үед их хэмжээний нүүрстөрөгч үүссэнгүй. Физик сансар судлалын орчин үеийн онолын дагуу нүүрстөрөгч нь гурван гелийн бөөм мөргөлдөж, хувирах замаар хэвтээ салбар дахь оддын дотор үүсдэг. Эдгээр одод хэт шинэ болон үхэх үед нүүрстөрөгч нь тоос болон орон зайд тархдаг. Энэхүү тоос нь хуримтлагдсан гаригуудтай хоёр, гурав дахь үеийн одны системийг бий болгох барилгын материал болдог. Нарны аймаг бол бидний мэдэх амьдрал оршин тогтнох боломжийг олгодог асар их нүүрстөрөгчтэй оддын нэг систем юм. CNO цикл нь нүүрстөрөгч нь катализаторын үүрэг гүйцэтгэдэг оддыг хөдөлгөдөг нэмэлт хайлуулах механизм юм. Төрөл бүрийн изотоп хэлбэрийн нүүрстөрөгчийн дутуу ислийн (12CO, 13CO, 18CO гэх мэт) эргэлтийн шилжилтийг миллиметрээс бага долгионы мужид илрүүлж, молекулын үүлэнд шинээр үүссэн оддыг судлахад ашигладаг.

Нүүрстөрөгчийн эргэлт

Газрын нөхцөлд нэг элемент нөгөөд шилжих нь маш ховор үзэгдэл юм. Тиймээс дэлхий дээрх нүүрстөрөгчийн хэмжээ тогтмол байдаг. Тиймээс нүүрстөрөгчийг ашигладаг процесст үүнийг хаа нэг газраас авч, өөр газар ашиглах ёстой. Байгаль дахь нүүрстөрөгчийн замууд нь нүүрстөрөгчийн эргэлтийг бүрдүүлдэг. Жишээлбэл, фотосинтезийн ургамлууд нь агаар мандлаас (эсвэл далайн ус) нүүрстөрөгчийн давхар ислийг гаргаж аваад биомасс болгон хувиргаж, Калвины мөчлөгт нүүрстөрөгчийг бэхлэх үйл явцтай адил юм. Энэ биомассын зарим хэсгийг амьтад иддэг бол нүүрстөрөгчийн зарим хэсгийг амьтад нүүрсхүчлийн давхар исэл болгон гадагшлуулдаг. Нүүрстөрөгчийн эргэлт нь энэ богино мөчлөгөөс хамаагүй илүү төвөгтэй байдаг; жишээлбэл, зарим нүүрстөрөгчийн давхар исэл далайд уусдаг; Хэрэв бактери үүнийг хэрэглэхгүй бол үхсэн ургамал эсвэл амьтны эд нь тос эсвэл нүүрс болж, шатаах үед нүүрстөрөгч ялгаруулдаг.

Нүүрстөрөгчийн нэгдлүүд

Нүүрстөрөгч нь хоорондоо холбогдсон нүүрстөрөгч-нүүрстөрөгчийн бондын маш урт гинжийг үүсгэж чаддаг бөгөөд үүнийг гинж үүсэх гэж нэрлэдэг. Нүүрстөрөгч-нүүрстөрөгчийн холбоо тогтвортой байдаг. Катанацын (гинж үүсэх) ачаар нүүрстөрөгч нь тоо томшгүй олон нэгдлүүдийг үүсгэдэг. Өвөрмөц нэгдлүүдийн үнэлгээ нь тэдгээрийн ихэнх нь нүүрстөрөгч агуулдаг болохыг харуулж байна. Устөрөгчийн хувьд ижил төстэй мэдэгдлийг хийж болно, учир нь ихэнх органик нэгдлүүд нь устөрөгч агуулдаг. Органик молекулын хамгийн энгийн хэлбэр нь нүүрстөрөгчийн атомын гинжин хэлхээнд холбогдсон устөрөгчийн атомуудаас бүрддэг органик молекулуудын том гэр бүл болох нүүрсустөрөгч юм. Гинжний урт, хажуугийн гинж, функциональ бүлгүүд нь органик молекулуудын шинж чанарт нөлөөлдөг. Нүүрстөрөгч нь мэдэгдэж буй органик амьдралын бүх хэлбэрт байдаг бөгөөд органик химийн үндэс суурь болдог. Устөрөгчтэй нийлснээр нүүрстөрөгч нь хөргөгч, тосолгооны материал, уусгагч, хуванцар болон нефтийн бүтээгдэхүүний химийн түүхий эд, чулуужсан түлш зэрэг үйлдвэрлэлд чухал ач холбогдолтой төрөл бүрийн нүүрсустөрөгчийг үүсгэдэг. Хүчилтөрөгч, устөрөгчтэй нэгдэх үед нүүрстөрөгч нь элсэн чихэр, лигнан, хитин, спирт, өөх тос, үнэрт эфир, каротиноид, терпен зэрэг олон чухал биологийн нэгдлүүдийг үүсгэдэг. Азотын хамт нүүрстөрөгч нь алкалоид үүсгэдэг ба хүхэр нэмснээр антибиотик, амин хүчил, резинэн бүтээгдэхүүн үүсгэдэг. Эдгээр бусад элементүүдэд фосфор нэмснээр амьдралын химийн кодыг тээгч ДНХ, РНХ, бүх амьд эсийн энерги зөөвөрлөх хамгийн чухал молекул болох аденозин трифосфатыг (ATP) бүрдүүлдэг.

Органик бус нэгдлүүд

Ихэвчлэн ашигт малтмалтай холбоотой эсвэл устөрөгч, фтор агуулаагүй нүүрстөрөгч агуулсан нэгдлүүдийг сонгодог органик нэгдлүүдээс тусад нь боловсруулдаг; Энэ тодорхойлолт нь хатуу биш юм. Тэдгээрийн дотор энгийн нүүрстөрөгчийн ислүүд байдаг. Хамгийн сайн мэддэг исэл бол нүүрстөрөгчийн давхар исэл (CO2) юм. Энэ бодис нь нэгэн цагт палеоатмосферийн гол бүрэлдэхүүн хэсэг байсан бол өнөөдөр дэлхийн агаар мандлын бага бүрэлдэхүүн хэсэг болжээ. Усанд ууссан үед энэ бодис нь нүүрстөрөгчийн давхар исэл (H2CO3) үүсгэдэг боловч нэг нүүрстөрөгч дээр хэд хэдэн монооксиген агуулсан ихэнх нэгдлүүдийн нэгэн адил тогтворгүй байдаг. Гэсэн хэдий ч энэхүү завсрын бодисоор дамжуулан резонансын тогтворжсон карбонатын ионууд үүсдэг. Зарим чухал ашигт малтмал нь карбонатууд, ялангуяа кальцит юм. Нүүрстөрөгчийн дисульфид (CS2) нь ижил төстэй байдаг. Өөр нэг нийтлэг исэл бол нүүрстөрөгчийн дутуу исэл (CO) юм. Энэ нь бүрэн бус шаталтын үед үүсдэг бөгөөд өнгөгүй, үнэргүй хий юм. Молекул бүр нь гурвалсан холбоог агуулдаг бөгөөд туйлшралтай байдаг тул гемоглобины молекулуудтай байнга холбогдож, хүчилтөрөгчийг нүүлгэн шилжүүлдэг бөгөөд энэ нь холбогч чанар багатай байдаг. Цианид (CN-) нь ижил төстэй бүтэцтэй боловч галидын ион (псевдогалоген) шиг ажилладаг. Жишээлбэл, энэ нь диатом галидтай төстэй цианоген нитрид (CN)2 молекулыг үүсгэж болно. Бусад нийтлэг бус ислүүд нь нүүрстөрөгчийн давхар исэл (C3O2), тогтворгүй нүүрстөрөгчийн дутуу исэл (C2O), нүүрстөрөгчийн гурван исэл (CO3), циклопентан пептон (C5O5), циклогексан гексон (C6O6), меллит ангидрид (C12O9) юм. Гянт болд зэрэг реактив металлын хувьд нүүрстөрөгч нь карбид (C4-) эсвэл ацетилид (C2-2) үүсгэдэг бөгөөд хайлах өндөр цэгтэй хайлш үүсгэдэг. Эдгээр анионууд нь маш сул хүчил болох метан, ацетилентэй холбоотой байдаг. 2.5-ийн электрон сөрөг хүчин чадалтай нүүрстөрөгч нь ковалент холбоо үүсгэхийг илүүд үздэг. Хэд хэдэн карбидууд нь алмазтай төстэй карборунд (SiC) зэрэг ковалент тор юм. Гэсэн хэдий ч хамгийн туйлттай, давстай төстэй карбидууд ч бүрэн ионы нэгдлүүд биш юм.

Органик металлын нэгдлүүд

Органик металлын нэгдлүүд нь тодорхойлолтоор дор хаяж нэг нүүрстөрөгч-металлын холбоог агуулдаг. Ийм нэгдлүүдийн өргөн хүрээтэй байдаг; үндсэн ангиудад энгийн алкил-металл нэгдлүүд (жишээ нь, тетраэтил алид), η2-алкений нэгдлүүд (жишээ нь, Зейзе давс), η3-аллилийн нэгдлүүд (жишээлбэл, аллипалладий хлоридын димер); циклопентадиенил лиганд агуулсан металлоцен (жишээлбэл, ферроцен); шилжилтийн металлын карбены цогцолборууд. Олон металл карбонил (жишээлбэл, тетракарбонилникель) байдаг; Зарим ажилчид нүүрстөрөгчийн дутуу ислийн лиганд нь органик металл биш харин цэвэр органик бус нэгдэл гэж үздэг. Нүүрстөрөгч нь зөвхөн дөрвөн холбоо үүсгэдэг гэж үздэг ч октаэдр гексакоординат нүүрстөрөгчийн атом агуулсан сонирхолтой нэгдэл гэж мэдээлсэн. Энэ нэгдлийн катион нь 2+ байна. Энэ үзэгдлийг алтны лигандын аврофил шинж чанартайгаар тайлбарладаг. 2016 онд гексаметилбензол нь ердийн дөрөв биш зургаан холбоо бүхий нүүрстөрөгчийн атом агуулсан болохыг баталсан.

Түүх ба этимологи

Нүүрстөрөгчийн англи нэр нь "нүүрс" ба "нүүрс" гэсэн утгатай латин carbo гэсэн үгнээс гаралтай тул "нүүрс" гэсэн утгатай франц үг charbon юм. Герман, Голланд, Дани хэлээр нүүрстөрөгчийн нэрс нь тус бүр нь Kohlenstoff, koolstof, kulstof бөгөөд бүгд шууд утгаараа нүүрсний бодис гэсэн утгатай. Нүүрстөрөгчийг балар эртний үед нээсэн бөгөөд хамгийн эртний хүн төрөлхтний соёл иргэншилд хөө тортог, нүүрс хэлбэрээр мэдэгдэж байсан. Алмазыг МЭӨ 2500 онд мэддэг байсан байх. Хятадад, нүүрс хэлбэрийн нүүрстөрөгчийг Ромын үед одоогийнхтой адил химийн аргаар агаар оруулахгүйн тулд модыг шавараар бүрхсэн пирамид халаах замаар хийсэн. 1722 онд Рене Антуан Фержо де Реамур одоо нүүрстөрөгч гэж нэрлэгддэг бодисыг шингээх замаар төмрийг ган болгон хувиргадаг болохыг харуулсан. 1772 онд Антуан Лавуазье алмаз нь нүүрстөрөгчийн нэг хэлбэр гэдгийг харуулсан; Тэр нүүрс, алмаазын дээжийг шатааж, аль аль нь ус үүсгэдэггүйг олж мэдсэн бөгөөд хоёулаа нэг грамм нүүрстөрөгчийн давхар ислийг ялгаруулдаг. 1779 онд Карл Вильгельм Шееле хар тугалганы нэг хэлбэр гэж үздэг бал чулуу нь нүүрстэй адилхан боловч бага хэмжээний төмрийн хольцтой байсныг харуулж, исэлдүүлэх үед "агаарын хүчил" (энэ нь нүүрстөрөгчийн давхар исэл) үүсгэдэг болохыг харуулсан. азотын хүчил. 1786 онд Францын эрдэмтэд Клод Луи Бертолле, Гаспард Монж, К.А.Вандермонд нар Лавуазье алмазтай ижил аргаар графитийг хүчилтөрөгчөөр исэлдүүлэн үндсэндээ нүүрстөрөгч болохыг баталжээ. Францын эрдэмтэд бал чулууны бүтцэд шаардлагатай гэж үзсэн зарим төмөр дахин үлдсэн. Тэд өөрсдийн нийтлэлдээ бал чулууг шатаах үед хий болон ялгардаг бал чулуу дахь элементийг нүүрстөрөгч (Латин carbonum) гэж нэрлэхийг санал болгосон. Дараа нь Антуан Лавуазье 1789 оны сурах бичигтээ нүүрстөрөгчийг элемент болгон жагсаасан байна. 1985 онд нээсэн шинэ нүүрстөрөгчийн аллотроп фуллерен нь баки бөмбөлөг, нано хоолой зэрэг нано бүтэцтэй хэлбэрүүдийг агуулдаг. Тэдний нээсэн Роберт Кёрл, Харолд Крото, Ричард Смолли нар 1996 онд химийн салбарт Нобелийн шагнал хүртжээ. Үүний үр дүнд шинэ хэлбэрийг сонирхож байгаа нь нэмэлт чамин аллотропууд, тэр дундаа шилэн нүүрстөрөгчийг нээж, "аморф нүүрстөрөгч" нь хатуу аморф биш гэдгийг ойлгоход хүргэдэг.

Үйлдвэрлэл

Графит

Арилжааны ашиг тустай байгалийн бал чулууны ордууд дэлхийн олон оронд байдаг ч эдийн засгийн хувьд хамгийн чухал эх үүсвэр нь Хятад, Энэтхэг, Бразил, Хойд Солонгост байдаг. Бал чулуун ордууд нь шилжилтийн гаралтай, кварц, гялтгануур, хээрийн жонш, гнейс болон хувирсан элсэн чулуу, шохойн чулуу зэрэгт линз буюу судалтай, заримдаа хэдэн метр ба түүнээс дээш зузаантай байдаг. Английн Камберландын Борроудейл дэх бал чулууны нийлүүлэлт нь анхандаа хангалттай хэмжээтэй, цэвэрхэн байсан тул 19-р зууныг хүртэл байгалийн бал чулууны блокуудыг хөрөөдөж, модонд наах замаар л харандаа хийдэг байжээ. Өнөөдөр үндсэн чулуулгийг буталж, хөнгөн бал чулууг усан дээр хөвүүлэх замаар бага оврын графит ордууд үүсдэг. Байгалийн бал чулуу нь аморф, ширхэгтэй эсвэл талст хэлбэртэй гурван төрөл байдаг. Аморф бал чулуу нь хамгийн бага чанартай бөгөөд хамгийн түгээмэл байдаг. Шинжлэх ухаанаас ялгаатай нь үйлдвэрлэлд "аморф" гэдэг нь талст бүтэц бүрэн дутагдалтай биш харин маш жижиг болор хэмжээг хэлдэг. "Аморф" гэдэг үг нь бага хэмжээний бал чулуутай бүтээгдэхүүнийг тодорхойлоход хэрэглэгддэг бөгөөд хамгийн хямд графит юм. Аморф бал чулууны томоохон ордууд Хятад, Европ, Мексик, АНУ-д байдаг. Хавтгай бал чулуу нь аморфаас бага түгээмэл бөгөөд өндөр чанартай; энэ нь хувирсан чулуулагт талсжих тусдаа ялтсууд шиг харагддаг. Мөхлөгт бал чулууны үнэ аморф бал чулууны үнээс дөрөв дахин өндөр байж болно. Сайн чанарын ширхэгтэй бал чулууг галд тэсвэртэй бодис гэх мэт олон төрлийн хэрэглээнд зориулж өргөтгөх боломжтой бал чулуу болгон боловсруулж болно. Бал чулууны анхдагч ордууд Австри, Бразил, Канад, Хятад, Герман, Мадагаскарт байдаг. Шингэн буюу бөөн графит нь байгалийн бал чулууны хамгийн ховор, үнэ цэнэтэй, хамгийн чанартай төрөл юм. Энэ нь интрузив контактуудын дагуу судсанд хатуу хэсгүүдэд олддог бөгөөд зөвхөн Шри Ланкад арилжааны зориулалтаар олборлодог. USGS-ийн мэдээлснээр 2010 онд дэлхийн хэмжээнд байгалийн бал чулуу 1.1 сая тонн, Хятад 800 мянган тонн, Энэтхэг 130 мянган тонн, Бразил 76 мянган тонн, Хойд Солонгос 30 мянган тонн, Канад 25 мянган тонн байгалийн графит АНУ-д олборлосон байна , гэхдээ 2009 онд 118 мянган тонн нийлэг бал чулуу олборлож, 998 сая ам.доллараар үнэлжээ.

Алмаз

Алмазны нийлүүлэлтийг хязгаарлагдмал тооны бизнес эрхэлдэг бөгөөд дэлхий даяар цөөн тооны байршилд өндөр төвлөрдөг. Алмазан хүдрийн маш бага хувь нь жинхэнэ алмазаас бүрддэг. Хүдрийг бутлах бөгөөд энэ явцад том алмазыг устгахаас урьдчилан сэргийлэх арга хэмжээ авах шаардлагатай бөгөөд дараа нь хэсгүүдийг нягтралаар нь ангилдаг. Өнөөдөр алмазыг рентген флюресцент ашиглан алмаазаар баялаг хэсэг болгон олборлож, дараа нь ангилах эцсийн шатыг гараар хийдэг. Рентген туяаг өргөнөөр ашиглахаас өмнө тосолгооны туузыг ашиглан тусгаарлах ажлыг хийсэн; Алмазыг зөвхөн Энэтхэгийн өмнөд хэсэгт орших шороон ордуудаас олж илрүүлсэн нь мэдэгдэж байна. Алмаз нь хүдэр дэх бусад эрдсийг бодвол массад наалддаг нь мэдэгдэж байна. Энэтхэг нь МЭӨ 9-р зуунаас МЭ 18-р зууны дунд үе хүртэл алмаз үйлдвэрлэх чиглэлээр тэргүүлэгч байсан боловч 18-р зууны эцэс гэхэд эдгээр эх үүсвэрийн арилжааны боломж шавхагдаж, тэр үед Энэтхэгт алмазны сүүдэрт дарагджээ. 1725 онд анхны алмаз олдсон Бразил. Анхдагч ордуудын (кимберлит ба лампроит) алмазны үйлдвэрлэл нь Өмнөд Африкт алмазны ордуудыг илрүүлсний дараа л 1870-аад онд эхэлсэн. Алмазны үйлдвэрлэл цаг хугацааны явцад нэмэгдэж, энэ өдрөөс хойш нийт 4.5 тэрбум карат хуримтлуулсан байна. Үүний 20 орчим хувийг зөвхөн сүүлийн 5 жилд олборлосон бөгөөд сүүлийн 10 жилийн хугацаанд 9 орд шинээр ашиглалтад орж, удахгүй нээгдэх 4 ордыг хүлээж байна. Эдгээр ордуудын ихэнх нь Канад, Зимбабве, Ангол, нэг нь Орост байдаг. АНУ-д алмазыг Арканзас, Колорадо, Монтана мужуудад илрүүлжээ. 2004 онд АНУ-д бичил харуурын алмаз олдсон нь Монтана мужийн алслагдсан хэсэгт 2008 оны 1-р сард асар их хэмжээний кимберлит хоолойн дээжийг гаргахад хүргэсэн. Өнөөдөр арилжааны ашиг тустай алмазын ордуудын дийлэнх нь Орос, Ботсвана, Австрали, Бүгд Найрамдах Ардчилсан Конго улсад байдаг. 2005 онд Орос улс дэлхийн алмаазын бараг тавны нэгийг үйлдвэрлэсэн гэж Британийн Геологийн албаны мэдээлэв. Австралийн хамгийн баян алмазан хоолой нь 1990-ээд онд жилд 42 метрик тонн (41 тонн; 46 богино тонн) үйлдвэрлэлийн оргил түвшинд хүрсэн. Канад, Сибирийн баруун хойд нутаг дэвсгэрт (ихэвчлэн Якутад, жишээлбэл, Мир хоолой, Удачная хоолойд), Бразилд, түүнчлэн хойд болон баруун хэсэгт идэвхтэй үйлдвэрлэл явуулдаг арилжааны ордууд байдаг. Австрали.

Хэрэглээ

Нүүрстөрөгч нь бүх мэдэгдэж буй амьд системд зайлшгүй шаардлагатай. Үүнгүйгээр бидний мэдэж байгаагаар амьдрал оршин тогтнох боломжгүй юм. Хүнс, модноос бусад нүүрстөрөгчийн эдийн засгийн гол хэрэглээ нь нүүрсустөрөгчид, ялангуяа чулуужсан түлш, метан хий, түүхий тос юм. Түүхий тосыг газрын тос боловсруулах үйлдвэрүүд боловсруулж, бензин, керосин болон бусад бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэдэг. Целлюлоз нь мод, хөвөн, маалинга, олсны ургамал хэлбэрээр үйлдвэрлэдэг байгалийн гаралтай нүүрстөрөгч агуулсан полимер юм. Целлюлозыг үндсэндээ ургамлын бүтцийг хадгалахад ашигладаг. Арилжааны үнэ цэнэтэй амьтны гаралтай нүүрстөрөгчийн полимерүүдэд ноос, ноолуур, торго орно. Хуванцарыг үндсэн полимер гинжин хэлхээнд тогтмол давтамжтайгаар хүчилтөрөгч, азотын атомууд агуулсан синтетик нүүрстөрөгчийн полимерээр хийдэг. Эдгээр синтетикийн ихэнх түүхий эдийг түүхий тосноос авдаг. Нүүрстөрөгч ба түүний нэгдлүүдийн хэрэглээ маш олон янз байдаг. Нүүрстөрөгч нь төмрөөр хайлш үүсгэж чаддаг бөгөөд хамгийн түгээмэл нь нүүрстөрөгчийн ган юм. Графит нь шавартай нийлж, бичих, зурахад ашигладаг харандаанд "хар тугалга" үүсгэдэг. Мөн тосолгооны материал, пигмент, шил үйлдвэрлэхэд хэвний материал, хуурай зайны батерейны электрод болон цахилгаанаар бүрэх, цахилгаан хэлбэрт оруулах, цахилгаан моторын сойз, цөмийн реакторт нейтрон зохицуулагч болгон ашигладаг. Нүүрсийг урлаг хийх материал, шарсан мах шарах, төмөр хайлуулах зэрэг олон төрлийн зориулалтаар ашигладаг. Мод, нүүрс, тосыг эрчим хүч үйлдвэрлэх, халаах түлш болгон ашигладаг. Өндөр чанартай алмазыг үнэт эдлэлийн үйлдвэрлэлд, үйлдвэрийн алмазыг металл, чулуун ажлын багаж хэрэгслийг өрөмдөх, зүсэх, өнгөлөхөд ашигладаг. Хуванцарыг чулуужсан нүүрсустөрөгчөөр хийдэг бөгөөд синтетик полиэстр материалтай фибрийг пиролиз болгон гаргаж авсан нүүрстөрөгчийн эслэгийг хуванцарыг бэхжүүлж дэвшилтэт, хөнгөн нийлмэл материал бүрдүүлэхэд ашигладаг. Нүүрстөрөгчийн эслэгийг полиакрилонитрил (PAN) болон бусад органик бодисуудын шахмал болон сунгасан судалтай пиролизийн аргаар хийдэг. Шилэн материалын болор бүтэц, механик шинж чанар нь эхлэл материалын төрөл, дараагийн боловсруулалтаас хамаарна. PAN-аас хийсэн нүүрстөрөгчийн утаснууд нь нарийн ширхэгтэй бал чулуутай төстэй бүтэцтэй боловч дулааны боловсруулалт нь бүтцийг тасралтгүй хуудас болгон өөрчлөх боломжтой. Үүний үр дүнд утаснууд нь гангаас илүү тодорхой суналтын бат бэхтэй байдаг. Нүүрстөрөгчийн хар нь хэвлэх бэх, тосон будаг, зураачдын усан будаг, нүүрстөрөгчийн цаас, автомашины чимэглэл, бэх, лазер принтерт хар пигмент болгон ашигладаг. Нүүрстөрөгчийн хар нь дугуй, хуванцар нэгдлүүд зэрэг резинэн бүтээгдэхүүнд дүүргэгч болгон ашигладаг. Идэвхжүүлсэн нүүрс нь хийн маск, ус цэвэршүүлэх, гал тогооны бүрээс гэх мэт төрөл бүрийн хэрэглээнд шүүлтүүрийн орчинд шингээгч, шингээгч болгон, түүнчлэн хоол боловсруулах системээс хорт бодис, хор, хий шингээх зорилгоор анагаах ухаанд ашигладаг. Нүүрстөрөгчийг өндөр температурт химийн аргаар ангижруулахад ашигладаг. Кокс нь төмрийн хүдрийг төмрийн (хайлуулах) болгон багасгахад ашиглагддаг. Ганыг хатууруулах нь эцсийн гангийн эд ангиудыг нүүрстөрөгчийн нунтаг болгон халаах замаар хийгддэг. Цахиур, вольфрам, бор, титан карбидууд нь хамгийн хатуу материалуудын нэг бөгөөд зүсэх, нунтаглахад зүлгүүр болгон ашигладаг. Нүүрстөрөгчийн нэгдлүүд нь байгалийн болон нийлэг нэхмэл эдлэл, арьс шир зэрэг хувцас, шил, чулуу, металлаас бусад орчны бараг бүх дотоод гадаргууд хэрэглэгддэг материалын ихэнх хэсгийг бүрдүүлдэг.

Алмаз

Алмазын үйлдвэрлэлийг хоёр төрөлд хуваадаг бөгөөд нэг нь өндөр чанартай алмаз (эрдэнийн чулуу), нөгөө нь үйлдвэрлэлийн зэрэглэлийн алмаз юм. Хэдийгээр хоёр төрлийн алмазын худалдаа их байдаг ч хоёр зах зээл тэс өөр байдлаар ажилладаг. Алт, цагаан алт зэрэг үнэт металлаас ялгаатай нь эрдэнийн алмазыг түүхий эд болгон арилжаалдаггүй: очир алмаазыг өндөр үнээр зардаг бөгөөд алмазыг дахин худалдах зах зээл тийм ч идэвхтэй байдаггүй. Аж үйлдвэрийн алмазыг үндсэндээ хатуулаг, дулаан дамжилтын чанараараа үнэлдэг бөгөөд тунгалаг байдал, өнгөний эрдэнийн шинж чанар нь ихээхэн ач холбогдолгүй байдаг. Олборлосон алмазын 80 орчим хувь нь (жилд ойролцоогоор 100 сая карат буюу 20 тоннтой тэнцэнэ) ашиглах боломжгүй бөгөөд үйлдвэрлэлд (алмазын хаягдал) ашигладаг. 1950-иад онд зохион бүтээсэн синтетик алмаз нь үйлдвэрлэлийн хэрэглээг бараг тэр даруй олсон; Жилд 3 тэрбум каратын (600 тонн) синтетик алмаз үйлдвэрлэдэг. Алмазны үйлдвэрлэлийн гол хэрэглээ нь огтлох, өрөмдөх, нунтаглах, өнгөлөх явдал юм. Эдгээр хэрэглээний ихэнх нь том алмаз шаарддаггүй; Үнэн хэрэгтээ жижиг хэмжээтэй алмазыг эс тооцвол ихэнх эрдэнийн чанартай алмазыг үйлдвэрлэлийн зориулалтаар ашиглаж болно. Очир алмаазыг өрөмдлөгийн хошуу эсвэл хөрөөний ирэнд хийж, нунтаглах, өнгөлөх ажилд ашигладаг. Мэргэшсэн хэрэглээнд лабораторийн хэрэглээ нь өндөр даралтын туршилт, өндөр гүйцэтгэлтэй холхивч, тусгай цонхонд хязгаарлагдмал хэрэглээ юм. Синтетик алмаз үйлдвэрлэх дэвшлийн ачаар шинэ хэрэглээ хэрэгжих боломжтой болж байна. Алмазыг микрочипүүдэд тохиромжтой хагас дамжуулагч, онцгой дулаан дамжуулалттай учраас электроникийн дулаан шингээгч болгон ашиглах боломжид ихээхэн анхаарал хандуулсан.

Хоёр атомын хооронд хос электрон хуваах замаар химийн холбоо үүсдэг гэсэн санааг Льюис (1916) дэвшүүлж, Хайтлер, Лондон (1927) нар боловсруулсан. Дараа нь Линус Паулинг чиглэсэн валент ба тойрог замын эрлийзжилтийн маш чухал ойлголтуудыг танилцуулав.

Үзэл баримтлалын дагуу чиглэлийн валент, атомуудын холболт нь тойрог замын хамгийн их давхцлыг хангах чиглэлд явагддаг. Илүү сайн давхцах тусам холбоо нь илүү бат бөх байх ёстой бөгөөд зөвхөн хамгийн их давхцаж байвал системийн хамгийн бага энергид хүрнэ.

Үндсэн төлөвт байгаа нүүрстөрөгчийн атом нь 1s22s22p2 электрон бүтэцтэй. Нүүрстөрөгчийн атом дахь орбиталуудын электронуудын тархалтыг анхааралтай авч үзье.

Хоёр хосгүй электрон нь бусад атомуудтай зөвхөн хоёр химийн холбоо үүсгэж чаддаг, өөрөөр хэлбэл энэ схемийн дагуу нүүрстөрөгчийн атом нь хоёр валенттай байх ёстой. Харин органик химийн хувьд нүүрстөрөгчийн атом үргэлж дөрвөн валенттай байдаг.

Дөрвөн ковалент холбоо үүсгэхийн тулд нүүрстөрөгчийн атом дөрвөн хосгүй электронтой байх ёстой.

Нүүрстөрөгчийн дөрвөн валентыг хэрхэн тайлбарлах вэ?

Хосолсон электронууд хосолж, бусад атомын тойрог замд шилжих үед атом нь валентын төлөвөө өөрчилж чадна. Манай тохиолдолд s орбиталаас нэг электрон чөлөөт p орбитал руу шилждэг.

Нүүрстөрөгчийн хамгийн энгийн устөрөгчийн нэгдэл болох метан (CH4) молекул дахь холбоо үүсэхийг авч үзье. Устөрөгчийн атом бүр эхний электрон давхаргын (1s1) s тойрог замд нэг хосгүй электронтой байна. Өдөөгдсөн төлөвт байгаа нүүрстөрөгчийн атом нь хосгүй дөрвөн электронтой: нэг нь s, гурав нь хоёр дахь давхаргын p орбиталд байдаг. s ба p орбиталуудын янз бүрийн хэлбэрийн улмаас нүүрстөрөгчийн атом ба устөрөгчийн атомуудын хоорондын холбоо тэгш бус байх болно гэж хэн нэгэн хүлээх болно. Судалгаанаас харахад метан молекул дахь бонд нь тэнцүү байна.

Энэ тохиолдолд энэ нь гарч ирнэ эрлийз атомын орбиталууд , электронууд

үүн дээр тэд дундаж энергитэй байдаг.

Тиймээс эрлийзжихэд 1-с электрон ба 3-р-электрон оролцдог тул энэ төрлийн эрлийзжилтийг гэнэ. sp 3 - эрлийзжүүлэх . Нүүрстөрөгчийн атомын орбиталуудын ийм төлөвийг нэрлэдэг эхний валентийн төлөв. Эрлийзжихэд дөрвөн электрон оролцдог тул дөрвөн ижил эрлийз орбиталь үүсдэг. Эрлийз тойрог замууд үүсэх үед бие биенээсээ аль болох хол хөдөлдөг. Тэдгээрийн хоорондох өнцөг нь 109028/-тэй тэнцүү байна, өөрөөр хэлбэл, sp3 эрлийзжих төлөвт байгаа нүүрстөрөгчийн атомын бүх эрлийз орбиталууд тетраэдр - ердийн гурвалжин пирамидуудын орой руу чиглэсэн байдаг.

Химийн холбоо гэдэг нь атомын орбиталуудын давхцал юм . Нүүрстөрөгч нь дөрвөн валент тул химийн дөрвөн холбоо үүснэ. Устөрөгчийн атом нь s тойрог замд нэг хосгүй электронтой бөгөөд бөмбөрцөг хэлбэртэй. Иймээс CH4 метан молекул нь дараах орон зайн бүтэцтэй байна.

Этан молекул CH3 - CH3 нь дараахь орон зайн бүтэцтэй байна.

https://pandia.ru/text/80/289/images/image016_17.jpg" align="left" width="147 height=110" height="110">Атомын бүх p-орбиталууд оролцох боломжгүй. Гибридизацийн хувьд нэг s - ба хоёр p-орбиталаас гурван sp2-эрлийз орбитал үүсдэг бөгөөд тэдгээрийн хоорондох өнцөг нь 1200 (хавтгай тэгш өнцөгт гурвалжин) үлдсэн нэг p-орбитал нь байрлах хавтгайд перпендикуляр байрладаг эрлийз бус орбиталууд р-электронууд нь π-бонд үүсэхэд оролцдог бөгөөд энэ нь р-үүлүүд нь хажуу тийшээ давхцаж, холболтын цөмийн хавтгайн дээр ба доор байрладаг.

Давхар холбоо бүхий нэгдлүүдэд бид sp2 эрлийзжилттэй тулгардаг.

Нүүрстөрөгчийн атомууд sp2 эрлийзжих төлөвт байгаа CH2 = CH2 этилийн молекулын орон зайн бүтцийг авч үзье. Зураг дээрх долгионы шугам нь эрлийз бус p орбиталуудын (π бонд) давхцлыг харуулж байна.

Нүүрстөрөгчийн атомын гурав дахь валентын төлөв, sp - эрлийзжүүлэх .

Нүүрстөрөгчийн атомын нэг s ба нэг p орбитал холилдоход sp эрлийзжилт явагдана. Атомын орбиталуудыг sp эрлийзжүүлэхэд хоёр p орбитал эрлийзжээгүй хэвээр байна. sp-Hybrid орбиталууд нь бие биенээсээ 1800 өнцгөөр (шугаман тохиргоо) чиглүүлдэг.

Гибридизацид оролцдоггүй хоёр p-орбитал нь харилцан перпендикуляр байрладаг бөгөөд хоёр π холбоо үүсэхэд оролцдог. Гурвалсан холбоо бүхий нэгдлүүдэд бид sp-гибридизацитай тулгардаг бөгөөд гурвалсан холбоо үүсгэгч нүүрстөрөгчийн атомууд sp-эрлийзжих болно.

Тэгэхээр , энгийн, нэг σ-бонд үүсэхэд оролцдог нүүрстөрөгчийн атомууд sp3-эрлийзжих төлөвт, давхар холбоо үүсэхэд оролцдог нүүрстөрөгчийн атомууд sp2-эрлийзжих төлөвт, нүүрстөрөгчийн атомууд гурвалсан холбоо үүсэхэд оролцдог. sp-эрлийзжих төлөвт байна. Аливаа олон тооны бонд үргэлж нэг σ бондтой байх ба бусад нь π бонд байх болно. Жишээлбэл, CH2 = CH2 молекулд нүүрстөрөгчийн атомуудын хооронд нэг холбоо нь σ-, нөгөө нь π-бонд юм. Нүүрстөрөгчийн атомуудын хоорондох CH≡CH молекулд нэг σ-бонд, хоёр π-бонд байдаг.

Тестийн даалгаврыг гүйцэтгэснээр сэдвийг хэрхэн ойлгож байгаагаа шалгахын тулд өөрийгөө сори.

1. Бутен -1 молекул хэдэн π-бонд агуулдаг вэ (CH3 – CH2 – CH = CH2):

а) 2, б) 4, в) 1, в) 12.

2. Пентин-2 молекул дахь хэдэн нүүрстөрөгчийн атом (CH3 – C ≡ C – CH2 – CH3) sp3 эрлийзжих төлөвт байна вэ?

a) бүх 5 нүүрстөрөгчийн атом, б) 2, в) 1, г) 3.

3. CH2 = CH2 молекулын хүлээгдэж буй тэнцвэрийн тохиргоо юу вэ?

a) шугаман, б) өнцөгт, в) тэгш талт гурвалжин, г) тетраэдр.

4. Туйлшсан ковалент холбоогоор тодорхойлогддог нэгдлүүдийг сонгоно уу.

a) Cl2; б) C - H;

5. Дараах өгөгдлүүдийг ашиглан атомын орбиталуудын эрлийзжүүлэлтийн төрлийг тодорхойлно уу.

Туршилтын зөв хариултууд:

1. (в); 2. (г); 3. (в); 4. (в); 5. sp2.

Физик, хими, тэр ч байтугай одон орон судлалын салбарын хамгийн сүүлийн үеийн нээлтүүдийг практикт ашиглах чухал чиглэл бол ер бусын, заримдаа өвөрмөц шинж чанартай шинэ материалыг бүтээх, судлах явдал юм. Энэ ажил ямар чиглэлээр хийгдэж байгаа, эрдэмтэд аль хэдийн юунд хүрч чадсан талаар бид Уралын Холбооны Их Сургуультай хамтран бүтээсэн цуврал нийтлэлд ярих болно. Бидний анхны текст нь хамгийн түгээмэл бодис болох нүүрстөрөгчөөс гаргаж авах боломжтой ер бусын материалд зориулагдсан болно.

Хэрэв та химичээс аль элемент нь хамгийн чухал вэ гэж асуувал маш олон янзын хариултыг авах боломжтой. Зарим нь устөрөгчийн тухай - Орчлон ертөнцийн хамгийн түгээмэл элемент, бусад нь дэлхийн царцдас дахь хамгийн түгээмэл элемент болох хүчилтөрөгчийн тухай ярих болно. Гэхдээ ихэнхдээ та "нүүрстөрөгч" гэсэн хариултыг сонсох болно - энэ нь ДНХ, уураг, спирт, нүүрсустөрөгч хүртэлх бүх органик бодисын үндэс юм.

Манай нийтлэл нь энэ элементийн олон янзын хэлбэрт зориулагдсан болно: зөвхөн атомуудаас нь - бал чулуунаас алмаз хүртэл, карбинаас фуллерен, нано хоолой хүртэл олон арван янз бүрийн материалыг барьж болно. Хэдийгээр тэдгээр нь бүгд яг ижил нүүрстөрөгчийн атомуудаас бүрддэг боловч тэдгээрийн шинж чанар нь эрс өөр бөгөөд үүнд гол үүрэг нь материал дахь атомуудын зохион байгуулалтад тоглодог.

Графит

Ихэнхдээ байгальд цэвэр нүүрстөрөгчийг бал чулуу хэлбэрээр олж болно - зөөлөн хар материал нь амархан гууждаг бөгөөд хүрэхэд гулгамтгай мэт санагддаг. Харандааны утас нь бал чулуугаар хийгдсэн гэдгийг олон хүн санаж байгаа байх, гэхдээ энэ нь үргэлж үнэн байдаггүй. Ихэнхдээ хар тугалга нь бал чулууны чипс, цавуугаар хийгдсэн байдаг ч бүрэн графит харандаанууд бас байдаг. Сонирхолтой нь дэлхийн байгалийн бал чулууны үйлдвэрлэлийн хорьны нэгээс илүү нь харандаанд ордог.

Бал чулуу юугаараа онцлог вэ? Юуны өмнө, энэ нь цахилгааныг сайн дамжуулдаг - нүүрстөрөгч нь өөрөө бусад металлуудтай адилгүй. Хэрэв та бал чулууны хавтанг авбал түүний хавтгай дагуу дамжуулах чадвар нь хөндлөн чиглэлээс зуу дахин их байдаг. Энэ нь материал дахь нүүрстөрөгчийн атомууд хэрхэн зохион байгуулагдсантай шууд холбоотой.

Хэрэв бид бал чулууны бүтцийг харвал энэ нь нэг атомын зузаантай бие даасан давхаргаас бүрддэг болохыг олж харах болно. Давхарга бүр нь зөгийн сархинагийг санагдуулам зургаан өнцөгт сүлжээ юм. Давхаргын доторх нүүрстөрөгчийн атомууд нь ковалент химийн холбоогоор холбогддог. Түүгээр ч зогсохгүй химийн холбоог хангадаг электронуудын зарим нь бүхэл бүтэн хавтгайд "түрхсэн" байдаг. Тэдний хөдөлгөөний хялбар байдал нь нүүрстөрөгчийн ширхэгийн хавтгай дагуу графитын өндөр дамжуулах чанарыг тодорхойлдог.

Тусдаа давхаргууд нь ван дер Ваалсын хүчний ачаар бие биетэйгээ холбогддог - тэдгээр нь ердийн химийн холбооноос хамаагүй сул боловч бал чулууны талстыг аяндаа задрахгүй байхад хангалттай. Энэ зөрүү нь электронууд хавтгайд перпендикуляр шилжихэд илүү хэцүү болгодог - цахилгаан эсэргүүцэл 100 дахин нэмэгддэг.

Цахилгаан дамжуулах чанар, түүнчлэн бусад элементүүдийн атомуудыг давхаргын хооронд оруулах чадвартай тул бал чулууг лити-ион батерей болон бусад гүйдлийн эх үүсвэрүүдэд анод болгон ашигладаг. Графит электродууд нь хөнгөн цагаан металл үйлдвэрлэхэд шаардлагатай байдаг - тэр ч байтугай троллейбусууд нь гүйдэл цуглуулагчийн хувьд графит гулсах контактуудыг ашигладаг.

Нэмж дурдахад бал чулуу нь диамагнит материал бөгөөд нэгж массын хувьд хамгийн өндөр мэдрэмжтэй байдаг. Энэ нь хэрвээ та графит чулууг соронзон орон дээр байрлуулах юм бол энэ талбарыг өөрөөсөө гаргахыг бүх талаар оролдоно гэсэн үг - бал чулуу нь хангалттай хүчтэй соронзноос дээш хөөрөх хүртэл.

Бал чулууны сүүлчийн чухал шинж чанар бол түүний гайхалтай галд тэсвэртэй байдал юм. Өнөө үед хамгийн галд тэсвэртэй бодис бол 4000 орчим хэмийн хайлах температуртай гафни карбидын нэг юм. Гэсэн хэдий ч, хэрэв та бал чулууг хайлуулах гэж оролдвол 100 орчим атмосферийн даралттай үед энэ нь 4800 хэм хүртэл хатуулаг хадгалах болно (агаар мандлын даралтанд бал чулуу нь шингэний үе шатыг алгасаж, ууршдаг). Үүний улмаас бал чулуу дээр суурилсан материалыг, жишээлбэл, пуужингийн цоргоны орон сууцанд ашигладаг.

Алмаз

Даралтанд байгаа олон материалууд атомын бүтцийг өөрчилж эхэлдэг - фазын шилжилт үүсдэг. Энэ утгаараа графит нь бусад материалаас ялгаатай биш юм. Зуун мянган атмосферийн даралт, 1-2 мянган градусын температурт нүүрстөрөгчийн давхаргууд бие биедээ ойртож, тэдгээрийн хооронд химийн холбоо үүсч, гөлгөр онгоцууд атираат болно. Нүүрстөрөгчийн хамгийн үзэсгэлэнтэй хэлбэрүүдийн нэг болох алмаз үүсдэг.

Алмазын шинж чанар нь бал чулуунаас эрс ялгаатай - энэ нь хатуу, тунгалаг материал юм. Энэ нь зураас авахад маш хэцүү (Mohs хатуулгийн 10-р байр, энэ нь хамгийн дээд хатуулаг юм). Түүгээр ч зогсохгүй алмааз ба бал чулууны цахилгаан дамжуулах чанар нь квинтиллон дахин ялгаатай байдаг (энэ нь 18 тэгтэй тоо).

Чулуун дахь алмаз

Wikimedia Commons

Энэ нь алмазны хэрэглээг тодорхойлдог: олборлосон болон зохиомлоор үйлдвэрлэсэн алмаазын ихэнх хэсгийг металл боловсруулах болон бусад үйлдвэрүүдэд ашигладаг. Жишээлбэл, алмааз нунтаг эсвэл бүрээс бүхий хурцлах диск, зүсэх хэрэгслийг өргөн ашигладаг. Алмазан бүрээсийг мэс засалд ч ашигладаг - хусууранд. Эдгээр чулууг үнэт эдлэлийн үйлдвэрлэлд ашиглах нь хүн бүрт сайн мэддэг.

Гайхамшигтай хатуулаг нь шинжлэх ухааны судалгаанд бас ашиглагддаг - энэ нь өндөр чанартай алмаазын тусламжтайгаар лабораториуд материалыг сая сая атмосферийн даралтын дор судалдаг. Та энэ талаар манай материалаас "" уншиж болно.

Графен

Бал чулууг шахаж халаахын оронд бид Андрей Гейм, Константин Новоселов нарыг дагаж бал чулууны талст дээр тууз нааж өгнө. Дараа нь үүнийг хальслаарай - графит нимгэн давхарга нь туузан дээр үлдэх болно. Энэ үйлдлийг дахин давтъя - туузыг нимгэн давхаргад түрхээд дахин хальслаарай. Давхарга нь бүр нимгэн болно. Уг процедурыг хэд хэдэн удаа давтан хийснээр бид дээр дурдсан Британийн физикчид 2010 онд Нобелийн шагнал хүртсэн материал болох графеныг олж авдаг.

Графен нь графитын атомын давхаргатай бүрэн ижил төстэй нүүрстөрөгчийн атомын хавтгай нэг давхарга юм. Түүний алдар нэр нь электронуудын ер бусын үйлдэлтэй холбоотой юм. Тэд ямар ч массгүй юм шиг хөдөлдөг. Бодит байдал дээр мэдээжийн хэрэг электронуудын масс ямар ч бодистой адил хэвээр байна. Графен хүрээний нүүрстөрөгчийн атомууд бүх зүйлд буруутай бөгөөд цэнэгтэй тоосонцорыг татаж, тусгай үечилсэн талбар үүсгэдэг.

Графен дээр суурилсан төхөөрөмж. Зургийн арын хэсэгт алтны контактууд, дээр нь графен, дээр нь полиметилметакрилатын нимгэн давхарга байдаг.

Кембрижийн инженерчлэл / flickr.com

Энэ зан үйлийн үр дагавар нь электронуудын илүү их хөдөлгөөн юм - тэд графен дотор цахиураас хамаагүй хурдан хөдөлдөг. Энэ шалтгааны улмаас олон эрдэмтэд графен нь ирээдүйн электроникийн үндэс болно гэж найдаж байна.

Сонирхолтой нь графен нь нүүрстөрөгчийн ах дүүстэй байдаг. Тэдний эхнийх нь бага зэрэг гажсан таван өнцөгт хэсгүүдээс бүрдэх ба графенээс ялгаатай нь цахилгааныг сайн дамжуулдаггүй. Фаграфен нь таван өнцөгт, зургаан өнцөгт, долоон өнцөгт хэсгүүдээс бүрдэнэ. Хэрэв графений шинж чанарууд бүх чиглэлд ижил байвал фаграфен нь тодорхой анизотроп шинж чанартай байх болно. Эдгээр хоёр материалыг онолын хувьд урьдчилан таамагласан боловч бодит байдал дээр хараахан байхгүй байна.

Нүүрстөрөгчийн нано хоолойн босоо массив дээрх цахиурын нэг талст (урд талд) хэсэг

Нүүрстөрөгчийн нано хоолой

Та графен хуудасны жижиг хэсгийг хоолойд өнхрүүлж, ирмэгийг нь наасан гэж төсөөлөөд үз дээ. Үүний үр дүнд графен ба бал чулуутай ижил зургаан өнцөгт нүүрстөрөгчийн атомуудаас бүрдсэн хөндий бүтэц - нүүрстөрөгчийн нано хоолой. Энэ материал нь графентэй олон талаараа холбоотой байдаг - энэ нь өндөр механик хүч чадалтай (нүүрстөрөгчийн нано хоолойноос сансарт цахилгаан шат барихыг санал болгож байсан), электроны өндөр хөдөлгөөнтэй.

Гэсэн хэдий ч нэг ер бусын шинж чанар байдаг. Графен хуудсыг төсөөлж буй ирмэгтэй (зургаан өнцөгтийн аль нэгний тал) зэрэгцээ эсвэл өнцгөөр өнхрүүлж болно. Нүүрстөрөгчийн нано гуурсыг хэрхэн мушгих нь түүний электрон шинж чанарт, тухайлбал энэ нь зурвасын завсарлагатай хагас дамжуулагчтай адил байх уу, эсвэл метал шиг байх уу гэдэгт ихээхэн нөлөөлнө.

Олон ханатай нүүрстөрөгчийн нано хоолой

Wikimedia нийтлэг

Нүүрстөрөгчийн нано гуурс анх хэзээ ажиглагдсан нь тодорхойгүй байна. 1950-1980-аад онд нүүрсустөрөгчтэй холбоотой урвалын катализ (жишээлбэл, метан пиролиз)-д оролцсон судлаачдын янз бүрийн бүлгүүд катализаторыг бүрхсэн хөө тортог дахь сунасан бүтцэд анхаарлаа хандуулсан. Одоо зөвхөн тодорхой төрлийн нүүрстөрөгчийн нано хоолойг нэгтгэхийн тулд химич нар тусгай үрийг ашиглахыг санал болгож байна. Эдгээр нь цагираг хэлбэртэй жижиг молекулууд бөгөөд тэдгээр нь эргээд зургаан өнцөгт бензолын цагиргуудаас бүрддэг. Жишээлбэл, та тэдгээрийн синтезийн ажлын талаар уншиж болно.

Графены нэгэн адил нүүрстөрөгчийн нано хоолой нь микроэлектроникт олон хэрэглээтэй. Нано хоолойд суурилсан анхны транзисторууд нь уламжлалт цахиурын төхөөрөмжтэй төстэй байдаг. Нэмж дурдахад нано хоолой нь транзисторын үндэс суурь болсон.

Карбин

Нүүрстөрөгчийн атомын уртасгасан бүтцийн тухай ярихдаа карбинуудыг дурдах нь гарцаагүй. Эдгээр нь шугаман гинж бөгөөд онолчдын үзэж байгаагаар хамгийн бат бөх материал болж хувирдаг (бид тодорхой хүч чадлын тухай ярьж байна). Жишээлбэл, карбины хувьд Янгийн модулийг килограмм тутамд 10 гиганевтон гэж тооцдог. Гангийн хувьд энэ үзүүлэлт 400 дахин бага, графений хувьд хоёр дахин бага байна.

Доорх төмрийн тоосонцор руу сунадаг нимгэн утас - карбин

Wikimedia Commons

Карбинууд нь нүүрстөрөгчийн атомуудын хоорондын холбооноос хамаарч хоёр төрөлтэй. Хэрэв гинжин хэлхээний бүх холбоо ижил байвал бид кумуленуудын тухай ярьж байгаа бол хэрэв бондууд ээлжлэн (нэг-гурвалсан-ганц-гурвалсан гэх мэт) байвал бид полиинуудын тухай ярьж байна. Физикчид карбины утсыг деформацийн замаар эдгээр хоёр төрлийн хооронд "шилжүүлж" болохыг харуулсан - сунах үед кумулен нь полиин болж хувирдаг. Сонирхолтой нь энэ нь карбины цахилгаан шинж чанарыг эрс өөрчилдөг. Хэрэв полиин цахилгаан гүйдэл дамжуулдаг бол кумулен нь тусгаарлагч юм.

Карбиныг судлахад тулгардаг гол бэрхшээл нь тэдгээрийг нэгтгэхэд маш хэцүү байдаг. Эдгээр нь химийн идэвхтэй бодисууд бөгөөд амархан исэлддэг. Өнөөдөр гинж нь ердөө зургаан мянган атомын урттай. Үүнд хүрэхийн тулд химич нар нүүрстөрөгчийн нано гуурсан дотор карбиныг ургуулах ёстой байв. Нэмж дурдахад карбины синтез нь транзистор дахь хаалганы хэмжээгээр рекордыг эвдэх болно - үүнийг нэг атом болгон бууруулж болно.

Фуллерен

Хэдийгээр зургаан өнцөгт нь нүүрстөрөгчийн атомууд үүсгэж болох хамгийн тогтвортой хэлбэрүүдийн нэг боловч энгийн нүүрстөрөгчийн таван өнцөгт үүсдэг бүхэл бүтэн ангиллын авсаархан биетүүд байдаг. Эдгээр объектуудыг фуллерен гэж нэрлэдэг.

1985 онд Харолд Крото, Роберт Кёрл, Ричард Смолли нар нүүрстөрөгчийн уур болон нүүрстөрөгчийн атомууд хөргөх үед хэрхэн бөөгнөрөх талаар судалжээ. Хийн үе шатанд хоёр ангиллын объект байдаг нь тогтоогдсон. Эхнийх нь 2-25 атомаас бүрдэх кластерууд юм: гинж, цагираг болон бусад энгийн бүтэц. Хоёр дахь нь өмнө нь ажиглагдаж байгаагүй 40-150 атомаас бүрдэх кластерууд юм. Дараагийн таван жилийн хугацаанд химич нар энэ хоёр дахь анги нь нүүрстөрөгчийн атомын хөндий хүрээнээс бүрдэх бөгөөд хамгийн тогтвортой нь 60 атомаас бүрдэх бөгөөд хөл бөмбөгийн бөмбөг шиг хэлбэртэй болохыг баталж чадсан юм. C 60 буюу бакминстерфуллерен нь бөмбөрцөг хэлбэрээр бэхлэгдсэн хорин зургаан өнцөгт хэсэг, 12 таван өнцөгт хэсгээс бүрддэг.

Фуллеренийг нээсэн нь химичүүдийн сонирхлыг ихэд татав. Дараа нь эндофуллеренүүдийн ер бусын ангиллыг нэгтгэсэн - фуллеренүүдийн хөндийд гадны атом эсвэл жижиг молекулууд байдаг. Жишээлбэл, ердөө нэг жилийн өмнө флуорын хүчлийн молекулыг анх фуллерен болгон нэгтгэсэн нь түүний электрон шинж чанарыг маш нарийн тодорхойлох боломжтой болсон.

Фуллерит - фуллерений талстууд

Wikimedia Commons

1991 онд фуллеридууд - хөрш зэргэлдээ олон талтуудын хоорондох хөндийн зарим хэсгийг металл эзэлдэг фуллерений талстууд нь энэ ангиллын хувьд хамгийн өндөр шилжилтийн температуртай, тухайлбал 18 келвин (K 3 C 60) молекулын хэт дамжуулагч болох нь тогтоогджээ. Хожим нь фуллеридууд илүү өндөр шилжилтийн температуртай олдсон - 33 келвин, Cs 2 RbC 60. Ийм шинж чанар нь бодисын электрон бүтэцтэй шууд холбоотой байв.

Q-нүүрстөрөгч

Саяхан нээгдсэн нүүрстөрөгчийн хэлбэрүүдийн дунд Q-нүүрстөрөгч гэж нэрлэгддэг. Үүнийг анх 2015 онд Хойд Каролинагийн их сургуулийн Америкийн материал судлаачид нэвтрүүлсэн. Эрдэмтэд хүчирхэг лазер ашиглан аморф нүүрстөрөгчийг цацрагаар цацаж, материалыг орон нутгийн хэмжээнд 4000 хэм хүртэл халаав. Үүний үр дүнд бодис дахь бүх нүүрстөрөгчийн атомын ойролцоогоор дөрөвний нэг нь sp 2 эрлийзжүүлэлт, өөрөөр хэлбэл бал чулуутай ижил электрон төлөвийг баталсан. Үлдсэн Q-нүүрстөрөгчийн атомууд нь алмазын эрлийзжих шинж чанарыг хадгалж үлдсэн.

Q-нүүрстөрөгч

Алмаз, бал чулуу болон бусад төрлийн нүүрстөрөгчөөс ялгаатай нь Q-нүүрстөрөгч нь магнетит эсвэл төмөр зэрэг ферромагнит шинж чанартай байдаг. Үүний зэрэгцээ түүний Кюри температур нь ойролцоогоор 220 хэм байсан - зөвхөн ийм халаалтаар материал нь соронзон шинж чанараа алдсан. Q-нүүрстөрөгчийг бортой хольсноор физикчид 58 келвин шилжилтийн температуртай өөр нэг нүүрстөрөгчийн хэт дамжуулагчийг олж авсан.

***

Дараах нь нүүрстөрөгчийн бүх мэдэгдэж буй хэлбэр биш юм. Түүгээр ч барахгүй яг одоо онолчид, туршилтчид нүүрстөрөгчийн шинэ материалыг бүтээж, судалж байна. Ялангуяа Уралын холбооны их сургуульд ийм ажил хийгдэж байна. Бид нийлэгжээгүй байгаа материалын шинж чанарыг хэрхэн урьдчилан таамаглаж, нүүрстөрөгчийн шинэ хэлбэрийг бий болгох талаар мэдэхийн тулд UrFU-ийн физик, технологийн хүрээлэнгийн дэд профессор, ахлах судлаач Анатолий Федорович Зацепинд хандлаа.

Анатолий Зацепин UrFU-д "Нүүрстөрөгчийн бага хэмжээст өөрчлөлт дээр суурилсан шинэ функциональ материалын үндсэн зарчмуудыг боловсруулах" шинжлэх ухааны 6 шинэ төслийн нэг дээр ажиллаж байна. Энэ ажлыг Орос болон дэлхийн эрдэм шинжилгээний болон үйлдвэрлэлийн түншүүдтэй хамтран гүйцэтгэдэг.

Төслийг тус сургуулийн стратегийн эрдмийн нэгж болох УрФУ-ын Физик Технологийн Хүрээлэн хэрэгжүүлж байна. Их сургуулийн Орос, олон улсын зэрэглэлд, ялангуяа сэдвийн зэрэглэлд эзлэх байр суурь нь судлаачдын амжилтаас хамаардаг.

N+1: Нүүрстөрөгчийн наноматериалуудын шинж чанар нь бүтцээс ихээхэн хамааралтай бөгөөд маш олон янз байдаг. Ямар нэгэн байдлаар материалын шинж чанарыг түүний бүтэц дээр үндэслэн урьдчилан таамаглах боломжтой юу?

Анатолий Зацепин:Урьдчилан таамаглах боломжтой, бид үүнийг хийж байна. Эхний зарчмуудаас тооцоолол хийх боломжийг олгодог компьютерийн загварчлалын аргууд байдаг ( эхлэл) - бид тодорхой бүтэц, загвар гаргаж, энэ бүтцийг бүрдүүлдэг атомуудын бүх үндсэн шинж чанарыг авдаг. Үр дүн нь бидний загварчилж буй материал эсвэл шинэ бодис байж болох шинж чанарууд юм. Ялангуяа нүүрстөрөгчийн тухайд бид байгальд үл мэдэгдэх шинэ өөрчлөлтүүдийг дуурайж чадсан. Тэдгээрийг зохиомлоор үүсгэж болно.

Тодруулбал, UrFU-ийн Физик технологийн хүрээлэнгийн манай лаборатори одоогоор шинэ төрлийн нүүрстөрөгчийн шинж чанарыг боловсруулах, нэгтгэх, судлах чиглэлээр ажиллаж байна. Үүнийг ингэж нэрлэж болно: хоёр хэмжээст дараалсан шугаман гинжин нүүрстөрөгч. Ийм урт нэр нь энэ материал нь 2D бүтэц гэж нэрлэгддэгтэй холбоотой юм. Эдгээр нь бие даасан нүүрстөрөгчийн гинжээс бүрдсэн хальс бөгөөд гинж бүрийн дотор нүүрстөрөгчийн атомууд ижил "химийн хэлбэрээр" байдаг - sp 1 эрлийз. Энэ нь sp 1 нүүрстөрөгчийн гинжин хэлхээнд материалд ер бусын шинж чанарыг өгдөг, хүч чадал нь алмааз болон бусад нүүрстөрөгчийн өөрчлөлтөөс давж гардаг.

Эдгээр гинжнээс хальс үүсгэх үед нүүрстөрөгчийн гинжин хэлхээнд хамаарах шинж чанартай шинэ материал гарч ирдэг бөгөөд эдгээр дараалсан гинжүүдийн хослол нь тусгай субстрат дээр хоёр хэмжээст бүтэц эсвэл супер тор үүсгэдэг. Энэ материал нь зөвхөн механик шинж чанараараа төдийгүй маш их ирээдүйтэй байдаг. Хамгийн чухал нь тодорхой тохиргоотой нүүрстөрөгчийн гинжийг цагираг болгон хааж болох бөгөөд энэ нь хэт дамжуулагч гэх мэт маш сонирхолтой шинж чанарыг бий болгодог бөгөөд ийм материалын соронзон шинж чанар нь одоо байгаа ферромагнетээс илүү байж болно.

Тэднийг бодитоор бий болгох нь сорилт хэвээр байна. Бидний загварчлал нь хаашаа явах замыг харуулдаг.

Үргэлж алдаа гардаг, гэхдээ гол зүйл бол эхний зарчмаас эхлэн тооцоолол, загварчлал нь бие даасан атомуудын үндсэн шинж чанарууд болох квант шинж чанарыг ашигладаг. Эдгээр квант атомуудаас ийм микро болон нано хэмжээст бүтэц үүсэх үед алдаа нь онолын одоо байгаа хязгаарлалт, одоо байгаа загваруудтай холбоотой байдаг. Жишээлбэл, Шрөдингерийн тэгшитгэлийг зөвхөн устөрөгчийн атомын хувьд яг шийдэж болох бөгөөд хэрэв бид хатуу биетүүд эсвэл илүү төвөгтэй системийн тухай ярьж байгаа бол илүү хүнд атомуудын хувьд тодорхой ойролцоо тооцооллыг ашиглах ёстой гэдгийг мэддэг.

Нөгөөтэйгүүр, компьютерийн тооцооллоос болж алдаа гардаг. Энэ бүхэнд бүдүүлэг алдааг оруулаагүй бөгөөд нарийвчлал нь тухайн материалд хамаарах нэг буюу өөр шинж чанар, үр нөлөөг урьдчилан таамаглахад хангалттай юм.

Нүүрстөрөгчийн материалын тухай ярихад маш олон янзын хувилбарууд байдаг бөгөөд одоог хүртэл судалж, нээгээгүй зүйл их байгаа гэдэгт би итгэлтэй байна. UrFU-д нүүрстөрөгчийн шинэ материалыг судлах бүх зүйл байгаа бөгөөд цаашид хийх ажил их байна.

Бид мөн бусад объектууд, жишээлбэл, микроэлектроникийн цахиурын материалууд дээр ажилладаг. Цахиур ба нүүрстөрөгч нь үечилсэн хүснэгтэд ижил бүлэгт багтдаг.

Владимир Королев

Энэ номонд "нүүрстөрөгч" гэдэг үг ихэвчлэн ногоон навч, төмрийн тухай, хуванцар ба талстуудын тухай болон бусад олон зүйлд гардаг. Нүүрстөрөгч - "нүүрс төрүүлэх" нь хамгийн гайхалтай химийн элементүүдийн нэг юм. Түүний түүх бол дэлхий дээрх бүх амьд биетүүдийн нэг хэсэг учраас дэлхий дээрх амьдрал үүсч, хөгжсөн түүх юм.

Нүүрстөрөгч ямар харагддаг вэ?

Хэдэн туршилт хийцгээе. Элсэн чихэр аваад агааргүй халаацгаая. Энэ нь эхлээд хайлж, хүрэн болж, дараа нь хар болж, нүүрс болж, ус ялгаруулна. Хэрэв та одоо энэ нүүрсийг дэргэд нь халаавал үлдэгдэлгүй шатаж, . Тиймээс элсэн чихэр нь нүүрс, уснаас бүрддэг (дашрамд хэлэхэд, элсэн чихэр нь нүүрс ус гэж нэрлэгддэг), "элсэн чихэр" нүүрс нь цэвэр нүүрстөрөгч юм, учир нь нүүрстөрөгчийн давхар исэл нь хүчилтөрөгчтэй нүүрстөрөгчийн нэгдэл юм. Энэ нь нүүрстөрөгч нь хар, зөөлөн нунтаг гэсэн үг юм.

Харандааны ачаар та бүхэнд сайн мэддэг саарал өнгийн зөөлөн бал чулууг авцгаая. Хэрэв та хүчилтөрөгчөөр халаавал нүүрснээс арай удаан боловч үлдэгдэлгүй шатах бөгөөд нүүрстөрөгчийн давхар исэл нь шатсан төхөөрөмжид үлдэх болно. Энэ нь бал чулуу нь мөн цэвэр нүүрстөрөгч гэсэн үг үү? Мэдээжийн хэрэг, гэхдээ энэ нь бүгд биш юм.

Хэрэв ил тод гялалзсан эрдэнийн чулуу, бүх эрдсийн хамгийн хатуу чулуу болох алмазыг нэг төхөөрөмжид хүчилтөрөгчөөр халаавал тэр ч мөн адил шатаж, нүүрстөрөгчийн давхар исэл болж хувирна. Хэрэв та хүчилтөрөгчгүй алмазыг халаавал бал чулуу болж хувирах бөгөөд маш өндөр даралт, температурт та бал чулуунаас алмаз авах боломжтой.

Тиймээс нүүрс, бал чулуу, алмаз нь ижил элемент болох нүүрстөрөгчийн оршин тогтнох өөр өөр хэлбэрүүд юм.

Нүүрстөрөгч нь асар олон тооны өөр өөр нэгдлүүдэд "оролцож" чаддаг нь бүр ч гайхалтай юм (ийм учраас "нүүрстөрөгч" гэдэг үг энэ номонд байнга гардаг).

Үелэх системийн 104 элемент нь дөчин мянга гаруй судлагдсан нэгдлүүдийг үүсгэдэг. Сая гаруй нэгдлүүд аль хэдийн мэдэгдэж байгаа бөгөөд тэдгээрийн үндэс нь нүүрстөрөгч юм!

Ийм олон янз байдлын шалтгаан нь нүүрстөрөгчийн атомууд хоорондоо болон бусад атомуудтай хүчтэй холбоогоор холбогдож, гинж, цагираг болон бусад хэлбэрийн нарийн төвөгтэй атомуудыг үүсгэдэг. Хүснэгтийн нүүрстөрөгчөөс бусад ямар ч элемент үүнийг хийх чадваргүй.

Нүүрстөрөгчийн атомуудаас үүсгэж болох хязгааргүй тооны хэлбэрүүд байдаг тул хязгааргүй тооны боломжит нэгдлүүд байдаг. Эдгээр нь маш энгийн бодисууд байж болно, жишээлбэл, нэг молекул дахь дөрвөн атом нь нэг нүүрстөрөгчийн атомтай холбогддог гэрэлтүүлэгч хийн метан бөгөөд тэдгээрийн молекулуудын бүтэц хараахан тогтоогдоогүй маш нарийн төвөгтэй бодисууд байж болно. Ийм бодисууд орно

Элементүүдийн үелэх систем дэх нүүрстөрөгч нь IVA бүлгийн хоёрдугаар үед байрладаг. Нүүрстөрөгчийн атомын электрон тохиргоо ls 2 2s 2 2p 2.Энэ нь өдөөгдсөн үед дөрвөн гадна атомын тойрог замд дөрвөн хосгүй электрон байдаг электрон төлөвт амархан хүрдэг.

Энэ нь нэгдлүүдийн нүүрстөрөгч яагаад ихэвчлэн дөрвөн валент байдгийг тайлбарладаг. Нүүрстөрөгчийн атом дахь валентийн электронуудын тоог валентийн орбиталуудын тоотой тэнцүүлэх, мөн цөмийн цэнэг ба атомын радиусын өвөрмөц харьцаа нь электронуудыг адилхан хялбар холбож, өгөх чадварыг өгдөг. , түншийн шинж чанараас хамааран (9.3.1-р хэсэг). Үүний үр дүнд нүүрстөрөгч нь -4-ээс +4 хүртэлх янз бүрийн исэлдэлтийн төлөвөөр тодорхойлогддог бөгөөд түүний атомын орбиталуудыг төрлөөс нь хамааран эрлийзжүүлэхэд хялбар байдаг. sp 3, sp 2Тэгээд sp 1химийн холбоо үүсэх үед (2.1.3-р хэсэг):

Энэ бүхэн нүүрстөрөгч нь зөвхөн бие биетэйгээ төдийгүй бусад органоген элементүүдийн атомуудтай нэг, давхар, гурвалсан холбоо үүсгэх боломжийг олгодог. Энэ тохиолдолд үүссэн молекулууд нь шугаман, салаалсан эсвэл циклик бүтэцтэй байж болно.

Нүүрстөрөгчийн атомуудын оролцоотойгоор үүссэн нийтлэг электронуудын хөдөлгөөнт байдлын улмаас тэдгээр нь илүү цахилгаан сөрөг элементийн атом руу шилждэг (индуктив нөлөө), энэ нь зөвхөн энэ холбоо төдийгүй молекулын туйлшралд хүргэдэг. бүхэлд нь. Гэсэн хэдий ч нүүрстөрөгч нь цахилгаан сөрөг байдлын дундаж утгын улмаас (0E0 = 2.5) бусад органоген элементүүдийн атомуудтай сул туйлтай холбоо үүсгэдэг (Хүснэгт 12.1). Хэрэв молекулуудад нэгдмэл холбоосын системүүд байгаа бол (2.1.3-р хэсэг), хөдөлгөөнт электронууд (MO) ба дан электрон хосуудын делокализаци нь эдгээр систем дэх электронуудын нягт ба бондын уртыг тэнцүүлэх замаар явагддаг.

Нэгдлүүдийн реактив байдлын үүднээс бондын туйлшрал нь чухал үүрэг гүйцэтгэдэг (2.1.3-р хэсэг). Бондын туйлшрал их байх тусам түүний реактив чанар өндөр байдаг. Нүүрстөрөгч агуулсан бондын туйлшралын шинж чанараас хамаарах хамаарлыг дараахь цувралд тусгасан болно.

Нүүрстөрөгч агуулсан бондын шинж чанаруудын талаархи бүх тоо баримтаас харахад нэгдлүүд дэх нүүрстөрөгч нь нэг талаас бие биетэйгээ болон бусад органогенүүдтэй нэлээд хүчтэй ковалент холбоо үүсгэдэг бол нөгөө талаас эдгээр бондын нийтлэг электрон хосууд байдаг. нэлээд тогтворгүй. Үүний үр дүнд эдгээр бондын урвалын өсөлт, тогтворжилт хоёулаа тохиолдож болно. Чухамхүү нүүрстөрөгч агуулсан нэгдлүүдийн эдгээр шинж чанарууд нь нүүрстөрөгчийг номер нэг органоген болгодог.

Нүүрстөрөгчийн нэгдлүүдийн хүчил-суурь шинж чанар.Нүүрстөрөгчийн дутуу исэл (4) нь хүчиллэг исэл бөгөөд түүнд тохирох гидроксид - нүүрстөрөгчийн хүчил H2CO3 нь сул хүчил юм. Нүүрстөрөгчийн дутуу ислийн (4) молекул нь туйлшралгүй тул усанд муу уусдаг (298 К-т 0.03 моль/л). Энэ тохиолдолд эхлээд уусмалд CO2 H2O гидрат үүсч, CO2 нь усны молекулуудын нэгдлийн хөндийд байрладаг бөгөөд дараа нь энэ гидрат нь аажмаар, урвуу байдлаар H2CO3 болж хувирдаг. Усанд ууссан нүүрстөрөгчийн дутуу ислийн (4) ихэнх хэсэг нь гидрат хэлбэртэй байдаг.

Бие махбодид цусны улаан эсэд карбоангидраза ферментийн нөлөөгөөр CO2 гидрат H2O ба H2CO3 хоорондын тэнцвэр маш хурдан тогтдог. Энэ нь нүүрстөрөгчийн ангидраз байхгүй цусны сийвэн дэх эритроцит дахь гидрат хэлбэрээр CO2 байгааг үл тоомсорлох боломжийг бидэнд олгодог. Үүссэн H2CO3 нь физиологийн нөхцөлд гидрокарбонат анион, илүү шүлтлэг орчинд карбонат анионд хуваагдана.

Нүүрстөрөгчийн хүчил нь зөвхөн уусмалд байдаг. Энэ нь гидрокарбонат (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) ба карбонат (Na2CO3, CaCO3) гэсэн хоёр цуврал давс үүсгэдэг. Гидрокарбонатууд нь карбонатуудаас илүү усанд уусдаг. Усан уусмалд нүүрстөрөгчийн хүчлийн давс, ялангуяа карбонатууд нь анионоор амархан гидролиз болж, шүлтлэг орчин үүсгэдэг.

NaHC03 хүнсний сод зэрэг бодисууд; Шохой CaCO3, цагаан магни 4MgC03 * Mg(OH)2 * H2O, шүлтлэг орчин үүсгэх гидролизийг ходоодны шүүсний хүчиллэгийг нэмэгдүүлэхийн тулд антацид (хүчил саармагжуулагч) болгон ашигладаг.

Нүүрстөрөгчийн хүчил ба бикарбонатын ион (H2CO3, HCO3 (-)) -ийн хослол нь бикарбонатын буферийн системийг (8.5-р хэсэг) - цусны сийвэнгийн сайхан буфер системийг бүрдүүлдэг бөгөөд энэ нь рН = 7.40 ± 0.05 тогтмол цусны рН-ийг хангадаг.

Mg(OH)2 үүсэх нь магнийн катионын бүрэн гидролизийн үр дүнд үүсдэг ба энэ нь MgC03-тай харьцуулахад Mg(0H)2-ийн уусах чадвар багатай учир эдгээр нөхцөлд үүсдэг.

Анагаах ухаан, биологийн практикт нүүрстөрөгчийн хүчлээс гадна бусад нүүрстөрөгч агуулсан хүчлүүдтэй харьцах шаардлагатай болдог. Энэ нь үндсэндээ олон төрлийн органик хүчил, түүнчлэн гидроциан хүчил HCN юм. Хүчиллэг шинж чанарын үүднээс эдгээр хүчлүүдийн хүч нь өөр өөр байдаг.

Эдгээр ялгаа нь молекул дахь атомуудын харилцан нөлөөлөл, диссоциацийн холболтын шинж чанар, анионы тогтвортой байдал, өөрөөр хэлбэл цэнэгийг задлах чадвараас шалтгаална.

Гидроцианийн хүчил, эсвэл устөрөгчийн цианид, HCN - өнгөгүй, маш дэгдэмхий шингэн (Т кип = 26 ° C) ямар ч харьцаатай устай холилдсон гашуун бүйлсний үнэртэй. Усан уусмалд энэ нь маш сул хүчил шиг ажилладаг бөгөөд түүний давсыг цианид гэж нэрлэдэг. Шүлт ба шүлтлэг шороон металлын цианидууд усанд уусдаг боловч тэдгээр нь анион дээр гидролиз болдог тул усан уусмалууд нь цианы хүчил (гашуун бүйлсний үнэр) үнэртэй, рН > 12 байдаг.

Энэ урвалын үр дүнд калийн цианид (калийн цианид) болон түүний уусмалууд нь удаан хугацааны хадгалалтанд хоруу чанараа алддаг. Цианидын анион нь хамгийн хүчтэй органик бус хоруудын нэг бөгөөд энэ нь идэвхтэй лиганд бөгөөд комплекс үүсгэгч ион болгон Fe 3+, Cu2 (+) агуулсан ферментүүдтэй тогтвортой цогц нэгдлүүдийг амархан үүсгэдэг. 10.4).

Redox шинж чанарууд.Нэгдлүүдийн нүүрстөрөгч нь -4-ээс +4 хүртэлх исэлдэлтийн төлөвийг харуулдаг тул урвалын явцад чөлөөт нүүрстөрөгч нь хоёр дахь урвалжийн шинж чанараас хамааран ангижруулагч эсвэл исэлдүүлэгчийн үүрэг гүйцэтгэдэг электронуудыг өгч, олж авах боломжтой.

Хүчилтөрөгч дутагдалтай эсвэл байхгүй агааргүй исэлдэлтийн нөхцөлд эдгээр нэгдлүүдийн хүчилтөрөгчийн атомын агууламж, гадаад нөхцөл байдлаас хамааран органик нэгдлийн нүүрстөрөгчийн атомууд нь C0 2, CO, C, тэр ч байтугай CH 4 болон бусад бодисууд болж хувирдаг. Органогенууд H2O, NH3, H2S болж хувирдаг.

Бие махбодид оксидаза ферментийн оролцоотойгоор органик нэгдлүүдийг хүчилтөрөгчөөр бүрэн исэлдүүлэх (аэробик исэлдэлт) нь дараахь тэгшитгэлээр тодорхойлогддог.

Исэлдэлтийн урвалын өгөгдсөн тэгшитгэлээс харахад органик нэгдлүүдэд зөвхөн нүүрстөрөгчийн атомууд исэлдэлтийн төлөвөө өөрчилдөг бол бусад органогенийн атомууд исэлдэлтийн төлөвөө хадгалдаг нь тодорхой байна.

Устөрөгчжүүлэх урвалын үед, өөрөөр хэлбэл, олон төрлийн холбоонд устөрөгч (бууруулах бодис) нэмэхэд түүнийг үүсгэсэн нүүрстөрөгчийн атомууд исэлдэлтийн төлөвөө бууруулдаг (исэлдүүлэгч бодисоор ажилладаг):

Нүүрстөрөгчийн атомууд исэлдүүлэгч, металлын атомууд нь ангижруулагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг, жишээлбэл, Вюрцын урвалын үед нүүрстөрөгчийн шинэ холбоо үүсэх органик орлуулалтын урвалууд нь мөн:

Үүнтэй төстэй зүйл нь органик металлын нэгдлүүд үүсэх урвалд ажиглагддаг.

Олон нүүрстөрөгчийн холбоогоор дамжуулан субстрат руу туйлын урвалж нэмэх урвалын үр дүнд нүүрстөрөгчийн атомуудын нэг нь исэлдүүлэгчийн шинж чанарыг харуулсан исэлдэлтийн төлөвийг бууруулж, нөгөө нь исэлдэлтийн түвшинг нэмэгдүүлж, исэлдүүлэгчийн үүрэг гүйцэтгэдэг. бууруулах бодис:

Эдгээр тохиолдолд субстратын нүүрстөрөгчийн атомын молекулын исэлдэлт-багадах урвал явагдана, өөрөөр хэлбэл процесс. дисмутаци,исэлдэлтийн шинж чанарыг харуулдаггүй урвалжийн нөлөөн дор.

Органик нэгдлүүдийн нүүрстөрөгчийн атомын улмаас молекул доторх дисмутацийн ердийн урвалууд нь амин хүчлүүд эсвэл кето хүчлүүдийн декарбоксилжих урвалууд, мөн органик нэгдлүүдийн дахин зохион байгуулалт, изомержих урвалууд юм. 9.3. Органик урвалын өгөгдсөн жишээнүүд, түүнчлэн сектийн урвалууд. 9.3. Органик нэгдлүүдийн нүүрстөрөгчийн атомууд нь исэлдүүлэгч болон бууруулагч бодис хоёулаа байж болохыг баттай харуулж байна.

Нэгдэл дэх нүүрстөрөгчийн атом- исэлдүүлэгч бодис, хэрэв урвалын үр дүнд бага цахилгаан сөрөг элементүүдийн атомуудтай (устөрөгч, металл) холболтын тоо нэмэгддэг, учир нь эдгээр бондын нийтлэг электронуудыг өөртөө татах замаар тухайн нүүрстөрөгчийн атом исэлдэлтээ бууруулдаг. муж.

Нэгдэл дэх нүүрстөрөгчийн атом- урвалын үр дүнд түүний илүү электрон сөрөг элементийн атомуудтай харилцах тоо нэмэгддэг бол бууруулагч бодис(C, O, N, S), Учир нь эдгээр бондын хуваалцсан электронуудыг холдуулах замаар нүүрстөрөгчийн атом нь исэлдэлтийн төлөвөө нэмэгдүүлдэг.

Тиймээс, нүүрстөрөгчийн атомуудын хоёрдмол исэлдэлтийн улмаас органик химийн олон урвал нь исэлдэлтийн урвал юм. Гэсэн хэдий ч органик бус химийн ижил төстэй урвалуудаас ялгаатай нь органик нэгдлүүд дэх исэлдүүлэгч бодис ба бууруулагч бодисын хоорондох электронуудын дахин хуваарилалт нь зөвхөн исэлдүүлэгчийн үүрэг гүйцэтгэдэг атом руу химийн бондын нийтлэг электрон хосыг нүүлгэн шилжүүлэх замаар л дагалдаж болно. Энэ тохиолдолд энэ холболтыг хадгалах боломжтой боловч хүчтэй туйлшралын үед эвдэрч болно.

Нүүрстөрөгчийн нэгдлүүдийн цогцолбор шинж чанар.Нэгдлүүдийн нүүрстөрөгчийн атом нь дан электрон хосгүй тул зөвхөн түүний оролцоотойгоор олон тооны холбоо агуулсан нүүрстөрөгчийн нэгдлүүд лиганд болж чаддаг. Ялангуяа нүүрстөрөгчийн дутуу ислийн (2) туйлын гурвалсан бондын электронууд ба гидроциан хүчлийн анионы нарийн төвөгтэй үүсэх процесст идэвхтэй оролцдог.

Нүүрстөрөгчийн дутуу ислийн молекулд (2) нүүрстөрөгч ба хүчилтөрөгчийн атомууд солилцооны механизмын дагуу 2p-атомын хоёр орбитал нь харилцан давхцсанаас болж нэг ба нэг -бонд үүсгэдэг. Гурав дахь холбоо, өөрөөр хэлбэл, өөр нэг холбоо нь донор-хүлээн авагч механизмын дагуу үүсдэг. Акцептор нь нүүрстөрөгчийн атомын чөлөөт 2p-атом орбитал, донор нь хүчилтөрөгчийн атом бөгөөд 2p-орбиталаас дан электрон хосыг хангадаг.

Бондын харьцаа нэмэгдсэн нь энэ молекулыг хэвийн нөхцөлд хүчил-суурь (CO нь давс үүсгэдэггүй исэл) болон исэлдүүлэгч шинж чанарын хувьд (CO нь бууруулагч бодис юм) өндөр тогтвортой байдал, идэвхгүй байдлыг хангадаг. Т > 1000 К). Үүний зэрэгцээ энэ нь d-металлын атом ба катионуудтай, ялангуяа төмрөөр нийлэгжих урвалд идэвхтэй лиганд болж, дэгдэмхий хортой шингэн болох төмрийн пентакарбонилыг үүсгэдэг.

Эдгээр тэнцвэрт байдал нь карбоксигемоглобины ННbСО үүсэх рүү шилждэг бөгөөд тогтвортой байдал нь оксигемоглобины ННbО2-ээс 210 дахин их байдаг. Энэ нь цусан дахь карбоксигемоглобины хуримтлал, улмаар хүчилтөрөгч зөөвөрлөх чадвар буурахад хүргэдэг.

Гидроциан хүчлийн анион CN- нь мөн амархан туйлшрах электронуудыг агуулдаг тул d-металууд, түүний дотор ферментийн нэг хэсэг болох амьд металлуудтай үр дүнтэй цогцолбор үүсгэдэг. Тиймээс цианид нь маш хортой нэгдлүүд юм (10.4-р хэсэг).

Байгаль дахь нүүрстөрөгчийн эргэлт.Байгаль дахь нүүрстөрөгчийн эргэлт нь нүүрстөрөгчийг исэлдүүлэх, багасгах урвалд тулгуурладаг (Зураг 12.3).

Ургамал (1) нүүрстөрөгчийн дутуу ислийг (4) агаар мандал ба гидросферээс шингээдэг. Ургамлын массын нэг хэсгийг (2) хүн, амьтан хэрэглэдэг. Амьтдын амьсгалах, тэдгээрийн үлдэгдэл ялзрах (3), ургамлын амьсгал, үхсэн ургамлын ялзрах, мод шатаах (4) нь CO2-ыг агаар мандал, гидросферт буцааж өгдөг. Ургамал (5) ба амьтдын (6) үлдэгдлийг хүлэр, чулуужсан нүүрс, газрын тос, хий үүсэх замаар эрдэсжүүлэх үйл явц нь нүүрстөрөгчийг байгалийн нөөц болгон шилжүүлэхэд хүргэдэг. Хүчил-суурь урвалууд (7) ижил чиглэлд явагддаг бөгөөд CO2 ба янз бүрийн чулуулгийн хооронд карбонат (дунд, хүчиллэг, үндсэн) үүсдэг.

Циклийн энэхүү органик бус хэсэг нь агаар мандал, гидросфер дэх CO2-ыг алдахад хүргэдэг. Нүүрс, газрын тос, хий (8), түлээ (4) шатаах, боловсруулах хүний ​​​​үйл ажиллагаа нь эсрэгээр хүрээлэн буй орчныг нүүрстөрөгчийн дутуу ислээр (4) ихээр баяжуулдаг. Удаан хугацааны туршид фотосинтезийн ачаар агаар мандалд CO2-ийн концентраци тогтмол хэвээр байна гэдэгт итгэлтэй байсан. Гэсэн хэдий ч одоогийн байдлаар хүний ​​​​үйл ажиллагааны улмаас агаар мандалд CO2-ын агууламж нэмэгдэж байгаа нь түүний байгалийн бууралтаар нөхөгдөхгүй байна. Агаар мандалд нийт ялгарах СО2 жил бүр 4-5%-иар хурдацтай нэмэгдэж байна. Тооцооллын дагуу 2000 онд агаар мандалд CO2-ын агууламж 0.03% биш (1990) ойролцоогоор 0.04% болно.

Нүүрстөрөгч агуулсан нэгдлүүдийн шинж чанар, шинж чанарыг авч үзсэний дараа нүүрстөрөгчийн тэргүүлэх үүргийг дахин онцлон тэмдэглэх нь зүйтэй.

Цагаан будаа. 12.3.Нүүрстөрөгчийн эргэлт байгаль

Органоген №1: нэгдүгээрт, нүүрстөрөгчийн атомууд нь органик нэгдлүүдийн молекулуудын араг ясыг бүрдүүлдэг; хоёрдугаарт, нүүрстөрөгчийн атомууд нь исэлдэлтийн процесст гол үүрэг гүйцэтгэдэг, учир нь бүх органогенийн атомуудын дотроос нүүрстөрөгч нь исэлдэлтийн хоёрдмол шинж чанартай байдаг. Органик нэгдлүүдийн шинж чанаруудын талаарх дэлгэрэнгүй мэдээллийг "Биорганик химийн үндэс" IV модулийг үзнэ үү.

IVA бүлгийн p-элементүүдийн ерөнхий шинж чанар, биологийн үүрэг.Нүүрстөрөгчийн электрон аналогууд нь IVA бүлгийн элементүүд юм: цахиур Si, германий Ge, цагаан тугалга Sn, хар тугалга Pb (Хүснэгт 1.2-ыг үз). Эдгээр элементийн атомын радиус нь атомын тоо нэмэгдэхийн хэрээр байгалийн жамаар нэмэгдэж, тэдгээрийн иончлолын энерги, цахилгаан сөрөг чанар нь аяндаа буурдаг (1.3-р хэсэг). Тиймээс бүлгийн эхний хоёр элемент: нүүрстөрөгч ба цахиур нь ердийн бус металлууд бөгөөд германий, цагаан тугалга, хар тугалга нь электрон алдагдлаар хамгийн их тодорхойлогддог металууд юм. Ge - Sn - Pb цувралд металлын шинж чанар нэмэгддэг.

Редокс шинж чанарын үүднээс авч үзвэл хэвийн нөхцөлд C, Si, Ge, Sn, Pb элементүүд нь агаар, усны хувьд нэлээд тогтвортой байдаг (Sn ба Pb металлууд нь гадаргуу дээр исэлдүүлэгч хальс үүсгэдэг. ). Үүний зэрэгцээ хар тугалганы нэгдлүүд (4) нь хүчтэй исэлдүүлэгч бодис юм.

Хар тугалганы Pb 2+ катионууд нь IVA бүлгийн бусад р-элементүүдийн катионуудтай харьцуулахад хүчтэй комплекс үүсгэгч бодис байдаг тул комплекс үүсгэгч шинж чанар нь хар тугалганы хамгийн онцлог шинж юм. Хар тугалганы катионууд нь биолигандуудтай хүчтэй цогцолбор үүсгэдэг.

IVA бүлгийн элементүүд нь бие махбод дахь агуулга, биологийн үүргийн хувьд эрс ялгаатай байдаг. Нүүрстөрөгч нь бие махбодийн амьдралд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд түүний агууламж 20 орчим хувийг эзэлдэг. Бие дэх бусад бүлгийн IVA элементүүдийн агууламж 10 -6 -10 -3% дотор байдаг. Үүний зэрэгцээ, цахиур, германи нь хүний ​​​​амьдралд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бол цагаан тугалга, ялангуяа хар тугалга нь хортой байдаг. Тиймээс IVA бүлгийн элементүүдийн атомын масс нэмэгдэхийн хэрээр тэдгээрийн нэгдлүүдийн хоруу чанар нэмэгддэг.

Нүүрс эсвэл цахиурын давхар ислийн SiO2 тоосонцороос бүрдэх тоос нь уушгинд тогтмол өртөхөд пневмокониоз үүсгэдэг. Нүүрсний тоосны хувьд энэ нь уурхайчдын мэргэжлээс шалтгаалсан өвчин болох антракоз юм. Si02 агуулсан тоосоор амьсгалах үед силикоз үүсдэг. Пневмокониозын хөгжлийн механизм хараахан тогтоогдоогүй байна. Силикат элсний үр тариа нь биологийн шингэнтэй удаан хугацаанд харьцах үед полисилик хүчил Si02 yH2O нь гель хэлбэртэй төлөвт үүсдэг бөгөөд эсэд хуримтлагдах нь тэдний үхэлд хүргэдэг гэж үздэг.

Хар тугалганы хортой нөлөө нь хүн төрөлхтөнд маш удаан хугацаанд мэдэгдэж байсан. Аяга таваг, усны хоолой хийхэд хар тугалга ашигласан нь хүмүүсийг их хэмжээгээр хордуулахад хүргэсэн. Одоогийн байдлаар хар тугалга нь байгаль орчныг бохирдуулагчдын нэг хэвээр байгаа бөгөөд хар тугалгын нэгдлүүд агаар мандалд жил бүр 400,000 гаруй тонн ялгардаг. Хар тугалга нь голчлон араг ясанд муу уусдаг фосфат Pb3(PO4)2 хэлбэрээр хуримтлагддаг ба ясыг эрдэсгүйжүүлэх үед бие махбодид тогтмол хордуулах нөлөө үзүүлдэг. Тиймээс хар тугалга нь хуримтлагдсан хордлогддог. Хар тугалганы нэгдлүүдийн хоруу чанар нь түүний цогцолбор шинж чанар, биолигандууд, ялангуяа сульфгидрилийн бүлгүүд (-SH) агуулсан өндөр хамааралтай байдаг.

Уураг, фосфолипид, нуклеотид бүхий хар тугалганы ионуудын цогц нэгдлүүд үүсэх нь тэдгээрийн денатурацид хүргэдэг. Ихэнхдээ хар тугалганы ионууд нь EM 2+ металлоферментүүдийг дарангуйлж, тэдгээрээс амьд металлын катионуудыг орлуулдаг.

Хар тугалга ба түүний нэгдлүүд нь мэдрэлийн систем, цусны судас, цусанд голчлон нөлөөлдөг хор юм. Үүний зэрэгцээ хар тугалганы нэгдлүүд нь уургийн нийлэгжилт, эсийн энергийн тэнцвэрт байдал, тэдгээрийн генетик аппаратад нөлөөлдөг.

Анагаах ухаанд дараахь гадны антисептикийг astringent болгон ашигладаг: хар тугалганы ацетат Pb(CH3COO)2 ZH2O (хар тугалганы нойтон жин) ба хар тугалга (2) исэл PbO (хар тугалга гипс). Эдгээр нэгдлүүдийн хар тугалганы ионууд нь бичил биетний эс, эд эсийн цитоплазм дахь уураг (альбумин) -тай урвалд орж, гель хэлбэртэй альбуминат үүсгэдэг. Гель үүсэх нь микробыг устгадаг бөгөөд үүнээс гадна эд эсийн эсэд нэвтрэхэд хүндрэл учруулдаг бөгөөд энэ нь орон нутгийн үрэвслийн хариу урвалыг бууруулдаг.