KARBON, C (a. karbon; n. Kohlenstoff; f. carbone; i. carbono), adalah unsur kimia golongan IV sistem periodik Mendeleev, nomor atom 6, massa atom 12,041. Karbon alam terdiri dari campuran 2 isotop stabil: 12 C (98,892%) dan 13 C (1,108%). Terdapat juga 6 isotop karbon radioaktif, yang terpenting adalah isotop 14 C dengan waktu paruh 5.73.10 3 tahun (isotop ini terus-menerus terbentuk dalam jumlah kecil di lapisan atas atmosfer sebagai akibat dari iradiasi inti 14 N oleh neutron dari radiasi kosmik).
Karbon telah dikenal sejak zaman dahulu. Kayu digunakan untuk memulihkan logam dari bijih, dan berlian digunakan sebagai... Pengakuan karbon sebagai unsur kimia dikaitkan dengan nama ahli kimia Perancis A. Lavoisier (1789).
Modifikasi dan sifat karbon
Ada 4 modifikasi kristal karbon yang diketahui: grafit, intan, karbina, dan lonsdaleit, yang sifatnya sangat berbeda. Carbyne adalah jenis karbon yang diproduksi secara artifisial, yang merupakan bubuk hitam kristal halus, struktur kristalnya ditandai dengan adanya rantai panjang atom karbon yang terletak sejajar satu sama lain. Massa jenis 3230-3300 kg/m3, kapasitas panas 11,52 J/mol.K. Lonsdaleite ditemukan di meteorit dan diperoleh secara artifisial; struktur dan sifat fisiknya belum sepenuhnya terbentuk. Karbon juga dicirikan oleh keadaan dengan struktur yang tidak teratur - yang disebut. karbon amorf (jelaga, kokas, arang). Sifat fisik karbon “amorf” sangat bergantung pada dispersi partikel dan adanya pengotor.
Sifat kimia karbon
Dalam senyawa, karbon memiliki bilangan oksidasi +4 (paling umum), +2 dan +3. Dalam kondisi normal, karbon bersifat inert secara kimia; pada suhu tinggi karbon bergabung dengan banyak unsur, menunjukkan sifat pereduksi yang kuat. Aktivitas kimia karbon menurun pada seri karbon “amorf”, grafit, intan; interaksi dengan oksigen atmosfer pada jenis karbon tersebut terjadi masing-masing pada suhu 300-500°C, 600-700°C dan 850-1000°C dengan terbentuknya karbon dioksida (CO 2) dan karbon monoksida (CO). Dioksida larut dalam air membentuk asam karbonat. Semua bentuk karbon tahan terhadap alkali dan asam. Karbon praktis tidak berinteraksi dengan halogen (kecuali grafit, yang bereaksi dengan F2 di atas 900°C), sehingga halidanya diperoleh secara tidak langsung. Di antara senyawa yang mengandung nitrogen, hidrogen sianida HCN (asam hidrosianat) dan berbagai turunannya memiliki kepentingan praktis yang besar. Pada suhu di atas 1000°C, karbon bereaksi dengan banyak logam, membentuk karbida. Semua bentuk karbon tidak larut dalam pelarut anorganik dan organik yang umum.
Sifat paling penting dari karbon adalah kemampuan atom-atomnya untuk membentuk ikatan kimia yang kuat satu sama lain, serta antara atom-atom tersebut dan unsur-unsur lainnya. Kemampuan karbon untuk membentuk 4 ikatan valensi setara dengan atom karbon lain memungkinkan konstruksi kerangka karbon dari berbagai jenis (linier, bercabang, siklik); Sifat-sifat inilah yang menjelaskan peran luar biasa karbon dalam struktur semua senyawa organik dan, khususnya, semua organisme hidup.
Karbon di alam
Rata-rata kandungan karbon di kerak bumi adalah 2,3,10% (berdasarkan massa); Selain itu, sebagian besar karbon terkonsentrasi di batuan sedimen (1%), sedangkan di batuan lain terdapat konsentrasi unsur ini yang jauh lebih rendah dan kira-kira sama (1-3,10%). Karbon terakumulasi di bagian atas, yang keberadaannya terutama berasosiasi dengan makhluk hidup (18%), kayu (50%), batu bara (80%), minyak (85%), antrasit (96%), serta dolomit dan batu kapur. Lebih dari 100 mineral karbon diketahui, yang paling umum adalah kalsium, magnesium, dan besi karbonat (kalsit CaCO 3, dolomit (Ca, Mg)CO 3 dan siderit FeCO 3). Akumulasi karbon di kerak bumi sering dikaitkan dengan akumulasi unsur-unsur lain yang diserap oleh bahan organik dan diendapkan setelah terkubur di dasar reservoir dalam bentuk senyawa yang tidak larut. CO2 dioksida dalam jumlah besar dilepaskan ke atmosfer dari bumi selama aktivitas gunung berapi dan selama pembakaran bahan bakar organik. Dari atmosfer, CO 2 diserap oleh tumbuhan selama proses fotosintesis dan larut dalam air laut, sehingga membentuk mata rantai terpenting dalam keseluruhan siklus karbon di Bumi. Karbon juga memainkan peran penting dalam ruang angkasa; Di Matahari, karbon menempati urutan ke-4 dalam kelimpahan setelah hidrogen, helium, dan oksigen, yang berpartisipasi dalam proses nuklir.
Aplikasi dan Penggunaan
Pentingnya karbon bagi perekonomian nasional ditentukan oleh fakta bahwa sekitar 90% dari seluruh sumber energi utama yang dikonsumsi manusia berasal dari bahan bakar fosil. Ada kecenderungan penggunaan minyak bumi bukan sebagai bahan bakar, melainkan sebagai bahan baku berbagai industri kimia. Peran yang lebih kecil, namun sangat signifikan dalam perekonomian nasional dimainkan oleh karbon, yang ditambang dalam bentuk karbonat (metalurgi, konstruksi, produksi kimia), berlian (perhiasan, teknologi) dan grafit (teknologi nuklir, cawan lebur tahan panas, pensil , beberapa jenis pelumas dan sebagainya.). Berdasarkan aktivitas spesifik isotop 14 C pada sisa-sisa asal biogenik, umurnya ditentukan (metode penanggalan radiokarbon). 14 C banyak digunakan sebagai pelacak radioaktif. Isotop 12 C yang paling umum adalah penting - seperdua belas massa atom isotop ini diambil sebagai satuan massa atom unsur kimia.
Institusi pendidikan kota "Sekolah menengah Nikiforovsky No. 1"
Karbon dan senyawa anorganik utamanya
Karangan
Diselesaikan oleh: siswa kelas 9B
Sidorov Alexander
Guru: Sakharova L.N.
Dmitrievka 2009
Perkenalan
Bab I. Semua tentang karbon
1.1. Karbon di alam
1.2. Modifikasi karbon alotropik
1.3. Sifat kimia karbon
1.4. Penerapan karbon
Bab II. Senyawa karbon anorganik
Kesimpulan
literatur
Perkenalan
Karbon (lat. Carboneum) C adalah unsur kimia golongan IV sistem periodik Mendeleev: nomor atom 6, massa atom 12.011(1). Mari kita perhatikan struktur atom karbon. Tingkat energi terluar atom karbon mengandung empat elektron. Mari kita gambarkan secara grafis:
Karbon telah dikenal sejak zaman dahulu, dan belum diketahui nama penemu unsur ini.
Pada akhir abad ke-17. Ilmuwan Florentine Averani dan Tardgioni mencoba menggabungkan beberapa berlian kecil menjadi satu berlian besar dan memanaskannya dengan kaca yang terbakar menggunakan sinar matahari. Berliannya menghilang, terbakar di udara. Pada tahun 1772, ahli kimia Perancis A. Lavoisier menunjukkan bahwa ketika berlian dibakar, CO 2 terbentuk. Baru pada tahun 1797 ilmuwan Inggris S. Tennant membuktikan identitas sifat grafit dan batubara. Setelah pembakaran batu bara dan intan dalam jumlah yang sama, volume karbon monoksida (IV) ternyata sama.
Keanekaragaman senyawa karbon, yang dijelaskan oleh kemampuan atom-atomnya untuk bergabung satu sama lain dan atom-atom unsur lain dengan berbagai cara, menentukan kedudukan khusus karbon di antara unsur-unsur lainnya.
Bab SAYA . Semua tentang karbon
1.1. Karbon di alam
Karbon terdapat di alam, baik dalam keadaan bebas maupun dalam bentuk senyawa.
Karbon bebas terjadi dalam bentuk intan, grafit, dan karbina.
Berlian sangat langka. Berlian terbesar yang diketahui, Cullinan, ditemukan pada tahun 1905 di Afrika Selatan, memiliki berat 621,2 g dan berukuran 10x6,5x5 cm. Diamond Fund di Moskow menampung salah satu berlian terbesar dan terindah di dunia – “Orlov” (37,92 g) .
Berlian mendapatkan namanya dari bahasa Yunani. "adamas" - tak terkalahkan, tidak bisa dihancurkan. Deposit berlian paling signifikan terletak di Afrika Selatan, Brasil, dan Yakutia.
Deposit besar grafit berlokasi di Jerman, Sri Lanka, Siberia, dan Altai.
Mineral utama yang mengandung karbon adalah: magnesit MgCO 3, kalsit (kapur, batu kapur, marmer, kapur) CaCO 3, dolomit CaMg(CO 3) 2, dll.
Semua bahan bakar fosil - minyak, gas, gambut, batu bara dan batu bara coklat, serpih - dibuat berdasarkan karbon. Beberapa batubara fosil, yang mengandung hingga 99% C, memiliki komposisi yang mirip dengan karbon.
Karbon menyumbang 0,1% dari kerak bumi.
Dalam bentuk karbon monoksida (IV) CO 2, karbon masuk ke atmosfer. Sejumlah besar CO 2 terlarut dalam hidrosfer.
1.2. Modifikasi karbon alotropik
Karbon dasar membentuk tiga modifikasi alotropik: intan, grafit, karabin.
1. Intan adalah zat kristal transparan tidak berwarna yang membiaskan sinar cahaya dengan sangat kuat. Atom karbon dalam intan berada dalam keadaan hibridisasi sp3. Dalam keadaan tereksitasi, elektron valensi pada atom karbon berpasangan dan terbentuk empat elektron tidak berpasangan. Ketika ikatan kimia terbentuk, awan elektron memperoleh bentuk memanjang yang sama dan terletak di ruang angkasa sehingga sumbunya diarahkan ke simpul tetrahedron. Ketika puncak awan ini tumpang tindih dengan awan atom karbon lainnya, ikatan kovalen terjadi pada sudut 109°28", dan terbentuk kisi kristal atom yang merupakan karakteristik berlian.
Setiap atom karbon dalam berlian dikelilingi oleh empat atom karbon lainnya, yang terletak dari pusat tetrahedron ke simpul. Jarak antar atom pada tetrahedra adalah 0,154 nm. Kekuatan semua koneksi adalah sama. Dengan demikian, atom-atom dalam berlian “dikemas” dengan sangat rapat. Pada suhu 20°C, massa jenis intan adalah 3,515 g/cm 3 . Hal ini menjelaskan kekerasannya yang luar biasa. Berlian adalah konduktor listrik yang buruk.
Pada tahun 1961, Uni Soviet memulai produksi industri berlian sintetis dari grafit.
Dalam sintesis industri berlian, tekanan ribuan MPa dan suhu dari 1500 hingga 3000°C digunakan. Proses tersebut dilakukan dengan adanya katalis, yang dapat berupa beberapa logam, misalnya Ni. Sebagian besar berlian yang terbentuk adalah kristal kecil dan debu berlian.
Ketika dipanaskan tanpa akses udara di atas 1000°C, berlian berubah menjadi grafit. Pada suhu 1750°C, transformasi intan menjadi grafit terjadi dengan cepat.
Struktur berlian
2. Grafit adalah zat kristal berwarna abu-abu kehitaman dengan kilau metalik, berminyak saat disentuh, dan kekerasannya lebih rendah bahkan dibandingkan kertas.
Atom karbon dalam kristal grafit berada dalam keadaan hibridisasi sp 2: masing-masing membentuk tiga ikatan kovalen dengan atom tetangga. Sudut antara arah ikatan adalah 120°. Hasilnya adalah kotak yang terdiri dari segi enam beraturan. Jarak antara inti atom karbon yang berdekatan di dalam lapisan adalah 0,142 nm. Elektron keempat di lapisan terluar setiap atom karbon dalam grafit menempati orbital p yang tidak ikut serta dalam hibridisasi.
Awan elektron non-hibrid dari atom karbon berorientasi tegak lurus terhadap bidang lapisan dan, saling tumpang tindih, membentuk ikatan terdelokalisasi. Lapisan-lapisan yang berdekatan dalam kristal grafit terletak pada jarak 0,335 nm satu sama lain dan terhubung secara lemah satu sama lain, terutama oleh gaya van der Waals. Oleh karena itu, grafit memiliki kekuatan mekanik yang rendah dan mudah terpecah menjadi serpihan, yang sangat kuat. Ikatan antar lapisan atom karbon pada grafit sebagian bersifat logam. Hal ini menjelaskan fakta bahwa grafit menghantarkan listrik dengan baik, tetapi tidak sebaik logam.
Struktur grafit
Sifat fisik grafit sangat bervariasi arahnya - tegak lurus dan sejajar dengan lapisan atom karbon.
Ketika dipanaskan tanpa akses udara, grafit tidak mengalami perubahan apa pun hingga 3700°C. Pada suhu tertentu, ia menyublim tanpa meleleh.
Grafit buatan dihasilkan dari batubara kualitas terbaik pada suhu 3000°C dalam tungku listrik tanpa akses udara.
Grafit stabil secara termodinamika pada rentang suhu dan tekanan yang luas, sehingga diterima sebagai keadaan standar karbon. Massa jenis grafit adalah 2,265 g/cm3.
3. Carbin adalah bubuk hitam kristal halus. Dalam struktur kristalnya, atom karbon dihubungkan melalui ikatan tunggal dan rangkap tiga secara bergantian dalam rantai linier:
−С≡С−С≡С−С≡С−
Zat ini pertama kali diperoleh oleh V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev di awal tahun 60an abad XX.
Selanjutnya ditunjukkan bahwa karbina dapat ada dalam berbagai bentuk dan mengandung rantai poliasetilen dan polikumulena yang atom karbonnya dihubungkan melalui ikatan rangkap:
C=C=C=C=C=C=
Belakangan, carbyne ditemukan di alam - dalam materi meteorit.
Carbyne memiliki sifat semikonduktor; ketika terkena cahaya, konduktivitasnya meningkat pesat. Karena adanya berbagai jenis ikatan dan cara yang berbeda dalam meletakkan rantai atom karbon dalam kisi kristal, sifat fisik karbina dapat sangat bervariasi. Ketika dipanaskan tanpa akses ke udara di atas 2000°C, karabin stabil; pada suhu sekitar 2300°C, transisinya menjadi grafit diamati.
Karbon alami terdiri dari dua isotop
(98,892%) dan (1,108%). Selain itu, campuran kecil dari isotop radioaktif, yang diproduksi secara artifisial, ditemukan di atmosfer.Sebelumnya, diyakini bahwa arang, jelaga, dan kokas memiliki komposisi yang mirip dengan karbon murni dan berbeda sifat dari intan dan grafit, yang mewakili modifikasi karbon alotropik independen (“karbon amorf”). Namun, ditemukan bahwa zat ini terdiri dari partikel kristal kecil yang atom karbonnya terikat dengan cara yang sama seperti pada grafit.
4. Batubara – grafit yang digiling halus. Ini terbentuk selama dekomposisi termal senyawa yang mengandung karbon tanpa akses udara. Sifat-sifat batubara sangat bervariasi tergantung pada bahan pembuatnya dan metode produksinya. Mereka selalu mengandung kotoran yang mempengaruhi sifat-sifatnya. Jenis batubara yang paling penting adalah kokas, arang, dan jelaga.
Kokas diproduksi dengan memanaskan batu bara tanpa akses ke udara.
Arang terbentuk ketika kayu dipanaskan tanpa akses udara.
Jelaga adalah bubuk kristal grafit yang sangat halus. Dibentuk oleh pembakaran hidrokarbon (gas alam, asetilena, terpentin, dll) dengan akses udara terbatas.
Karbon aktif adalah adsorben industri berpori yang sebagian besar terdiri dari karbon. Adsorpsi adalah penyerapan gas dan zat terlarut oleh permukaan padatan. Karbon aktif diperoleh dari bahan bakar padat (gambut, batubara coklat dan keras, antrasit), kayu dan hasil olahannya (arang, serbuk gergaji, limbah kertas), limbah industri kulit, dan bahan hewani seperti tulang. Batubara, yang memiliki kekuatan mekanik yang tinggi, dihasilkan dari tempurung kelapa dan kacang-kacangan lainnya, serta dari biji buah-buahan. Struktur batubara diwakili oleh pori-pori dengan berbagai ukuran, namun kapasitas adsorpsi dan laju adsorpsi ditentukan oleh kandungan mikropori per satuan massa atau volume butiran. Saat memproduksi karbon aktif, bahan awal pertama-tama mengalami perlakuan panas tanpa akses ke udara, akibatnya uap air dan sebagian resin dihilangkan darinya. Dalam hal ini, struktur batubara berpori besar terbentuk. Untuk mendapatkan struktur mikropori, aktivasi dilakukan melalui oksidasi dengan gas atau uap, atau dengan perlakuan dengan reagen kimia.
Karbon mungkin merupakan salah satu unsur kimia paling mengesankan di planet kita, yang memiliki kemampuan unik untuk membentuk berbagai macam ikatan organik dan anorganik.
Singkatnya, senyawa karbon yang memiliki karakteristik unik menjadi dasar kehidupan di planet kita.
Apa itu karbon
Dalam tabel kimia D.I. Karbon Mendeleev adalah nomor enam, termasuk golongan 14 dan diberi nama “C”.
Properti fisik
Merupakan senyawa hidrogen yang termasuk dalam kelompok molekul biologis, massa molar dan berat molekul 12,011, dan titik leleh 3550 derajat.
Bilangan oksidasi suatu unsur dapat berupa: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4, dan massa jenisnya adalah 2,25 g/cm3.
Dalam keadaan agregasi, karbon berbentuk padat, dan kisi kristal berbentuk atom.
Karbon memiliki modifikasi alotropik berikut:
- grafit;
- fullerene;
- karabin
Struktur atom
Atom suatu zat mempunyai konfigurasi elektron berbentuk - 1S 2 2S 2 2P 2. Pada tingkat terluar, sebuah atom memiliki 4 elektron yang terletak pada dua orbital berbeda.
Jika kita mengambil keadaan tereksitasi suatu unsur, maka konfigurasinya menjadi 1S 2 2S 1 2P 3.
Selain itu, atom suatu zat dapat bersifat primer, sekunder, tersier, dan kuaterner.
Sifat kimia
Berada dalam kondisi normal, unsur tersebut bersifat inert dan berinteraksi dengan logam dan nonlogam pada suhu tinggi:
- berinteraksi dengan logam, menghasilkan pembentukan karbida;
- bereaksi dengan fluor (halogen);
- pada suhu tinggi berinteraksi dengan hidrogen dan belerang;
- ketika suhu naik, ini memastikan reduksi logam dan non-logam dari oksida;
- pada suhu 1000 derajat ia berinteraksi dengan air;
- menyala ketika suhu naik.
Produksi karbon
Karbon dapat ditemukan di alam dalam bentuk grafit hitam atau, sangat jarang, dalam bentuk intan. Grafit tidak alami dihasilkan dengan mereaksikan kokas dengan silika.
Berlian yang tidak alami diproduksi dengan menerapkan panas dan tekanan bersama dengan katalis. Ini melelehkan logam, dan berlian yang dihasilkan keluar sebagai endapan.
Penambahan nitrogen menghasilkan berlian berwarna kekuningan, sedangkan penambahan boron menghasilkan berlian berwarna kebiruan.
Sejarah penemuan
Karbon telah digunakan oleh manusia sejak zaman kuno. Orang Yunani mengenal grafit dan batu bara, dan berlian pertama kali ditemukan di India. Omong-omong, orang sering kali menganggap senyawa yang tampak serupa sebagai grafit. Namun meskipun demikian, grafit banyak digunakan untuk menulis, karena bahkan kata “grapho” diterjemahkan dari bahasa Yunani sebagai “Saya menulis.”
Saat ini grafit juga digunakan dalam tulisan, khususnya pada pensil. Pada awal abad ke-18, perdagangan berlian dimulai di Brasil, banyak simpanan ditemukan, dan pada paruh kedua abad ke-20, orang belajar mendapatkan batu permata yang tidak alami.
Saat ini, berlian non-alami digunakan dalam industri, dan berlian asli digunakan dalam perhiasan.
Peran karbon dalam tubuh manusia
Karbon masuk ke dalam tubuh manusia bersama dengan makanan, pada siang hari - 300 g Dan jumlah total zat dalam tubuh manusia adalah 21% dari berat badan.
Unsur ini terdiri dari 2/3 otot dan 1/3 tulang. Dan gas tersebut dikeluarkan dari tubuh bersama dengan udara yang dihembuskan atau dengan urea.
Perlu diperhatikan: Tanpa zat ini, kehidupan di Bumi tidak mungkin terjadi, karena karbon membentuk ikatan yang membantu tubuh melawan pengaruh destruktif dunia sekitarnya.
Dengan demikian, unsur tersebut mampu membentuk rantai panjang atau cincin atom, yang menjadi dasar bagi banyak ikatan penting lainnya.
Keberadaan karbon di alam
Unsur dan senyawanya dapat ditemukan dimana-mana. Pertama-tama, kami mencatat bahwa zat tersebut membentuk 0,032% dari total kerak bumi.
Satu unsur dapat ditemukan dalam batubara. Dan unsur kristal ditemukan dalam modifikasi alotropik. Selain itu, jumlah karbon dioksida di udara terus meningkat.
Unsur dengan konsentrasi besar di lingkungan dapat ditemukan sebagai senyawa dengan berbagai unsur. Misalnya karbon dioksida yang terkandung di udara sebanyak 0,03%. Mineral seperti batu kapur atau marmer mengandung karbonat.
Semua organisme hidup mengandung senyawa karbon dengan unsur lain. Selain itu, sisa-sisa makhluk hidup menjadi endapan seperti minyak dan aspal.
Penerapan karbon
Senyawa unsur ini banyak digunakan di semua bidang kehidupan kita dan daftarnya tidak ada habisnya, jadi kami akan menunjukkan beberapa di antaranya:
- grafit digunakan pada ujung pensil dan elektroda;
- berlian banyak digunakan dalam perhiasan dan pengeboran;
- karbon digunakan sebagai zat pereduksi untuk menghilangkan unsur-unsur seperti bijih besi dan silikon;
- karbon aktif, yang sebagian besar terdiri dari unsur ini, banyak digunakan dalam bidang medis, industri dan kehidupan sehari-hari.
Kehidupan organik di Bumi diwakili oleh senyawa karbon. Unsur tersebut merupakan bagian dari komponen utama struktur seluler: protein, karbohidrat dan lemak, dan juga membentuk dasar zat keturunan - asam deoksiribonukleat. Di alam anorganik, karbon adalah salah satu unsur paling umum yang membentuk kerak bumi dan atmosfer planet. Kimia organik sebagai salah satu cabang ilmu kimia sepenuhnya dikhususkan pada sifat-sifat unsur kimia karbon dan senyawa-senyawanya. Artikel kami akan membahas karakteristik fisik dan kimia karbon serta ciri-ciri sifat-sifatnya.
Tempat unsur dalam tabel periodik Mendeleev
Subkelompok karbon merupakan subkelompok utama dari golongan IV, yang selain karbon juga mencakup silikon, germanium, timah, dan timbal. Semua unsur ini memiliki struktur tingkat energi terluar yang sama, yaitu empat elektron. Hal ini menentukan kesamaan sifat kimianya. Dalam keadaan normal, unsur-unsur subkelompok adalah divalen, dan ketika atom-atomnya masuk ke keadaan tereksitasi, mereka menunjukkan valensi 4. Sifat fisik dan kimia karbon bergantung pada keadaan kulit elektron atomnya. Jadi, dalam reaksi dengan oksigen, suatu unsur yang partikelnya berada dalam keadaan tidak tereksitasi membentuk oksida CO yang acuh tak acuh. Atom karbon dalam keadaan tereksitasi dioksidasi menjadi karbon dioksida, yang menunjukkan sifat asam.
Bentuk karbon di alam
Intan, grafit, dan karbina adalah tiga modifikasi alotropik karbon sebagai zat sederhana. Kristal transparan dengan tingkat pembiasan sinar cahaya yang tinggi, yang merupakan senyawa terkeras di alam, adalah berlian. Mereka menghantarkan panas dengan buruk dan bersifat dielektrik. Kisi kristal bersifat atomik, sangat kuat. Di dalamnya, setiap atom suatu unsur dikelilingi oleh empat partikel lainnya, membentuk tetrahedron beraturan.
Sifat fisik dan kimia karbon pembentuk grafit sangat berbeda. Ini adalah zat kristal abu-abu gelap yang berminyak saat disentuh. Ia memiliki struktur lapis demi lapis, jarak antar lapisan atom cukup besar, sedangkan gaya tarik menariknya lemah. Oleh karena itu, ketika ditekan pada batang grafit, zat tersebut terkelupas menjadi serpihan tipis. Mereka meninggalkan bekas gelap di kertas. Grafit bersifat konduktif termal dan sedikit lebih rendah daripada logam dalam hal konduktivitas listrik.
Kemampuan menghantarkan arus listrik dijelaskan oleh struktur kristal zat. Di dalamnya, partikel karbon terikat satu sama lain menggunakan ikatan kimia kovalen yang kuat. Elektron valensi keempat dari setiap atom tetap bebas dan mampu bergerak ke seluruh zat. Pergerakan partikel bermuatan negatif yang terarah menyebabkan munculnya arus listrik. Area penerapan grafit bervariasi. Oleh karena itu, digunakan untuk pembuatan elektroda dalam teknik elektro dan untuk melakukan proses elektrolisis, misalnya logam alkali diperoleh dalam bentuk murni. Grafit telah diterapkan dalam reaktor nuklir untuk mengontrol kecepatan reaksi berantai yang terjadi di dalamnya sebagai moderator neutron. Diketahui penggunaan zat tersebut sebagai batang batu tulis atau pelumas pada bagian mekanisme yang menggosok.
Apa itu carbyne?
Bubuk kristal hitam dengan kilau seperti kaca adalah karabin. Itu disintesis pada pertengahan abad ke-20 di Rusia. Zat ini lebih unggul dari grafit dalam hal kekerasan, pasif secara kimia, memiliki sifat semikonduktor dan merupakan modifikasi karbon paling stabil. Sambungannya lebih kuat dari grafit. Ada juga bentuk karbon yang sifat kimianya berbeda satu sama lain. Ini adalah jelaga, arang dan kokas.
Berbagai karakteristik modifikasi alotropik karbon dijelaskan oleh struktur kisi kristalnya. Ini adalah zat tahan api, tidak berwarna dan tidak berbau. Ini tidak larut dalam pelarut organik, tetapi mampu membentuk larutan padat - paduan, misalnya dengan besi.
Sifat kimia karbon
Bergantung pada zat yang bereaksi dengan karbon, karbon dapat menunjukkan sifat ganda: zat pereduksi dan zat pengoksidasi. Misalnya, dengan menggabungkan kokas dengan logam, diperoleh senyawanya - karbida. Reaksi dengan hidrogen menghasilkan hidrokarbon. Ini adalah senyawa organik, misalnya metana, etilen, asetilena, di mana, seperti halnya logam, karbon memiliki bilangan oksidasi -4. Reaksi kimia reduktif karbon, sifat-sifat yang kita pelajari, muncul ketika berinteraksi dengan oksigen, halogen, air, dan oksida basa.
Karbon oksida
Dengan membakar batu bara di udara dengan kandungan oksigen rendah, dihasilkan karbon monoksida - karbon oksida divalen. Ini tidak berwarna, tidak berbau dan sangat beracun. Menggabungkan dengan hemoglobin dalam darah selama respirasi, karbon monoksida menyebar ke seluruh tubuh manusia, menyebabkan keracunan dan kemudian kematian karena mati lemas. Dalam klasifikasinya, zat tersebut menggantikan oksida yang berbeda-beda, tidak bereaksi dengan air, dan tidak bersesuaian dengan basa atau asam. Sifat kimia karbon yang mempunyai valensi 4 berbeda dengan sifat-sifat yang telah dibahas sebelumnya.
Karbon dioksida
Zat gas tak berwarna pada suhu 15 dan tekanan satu atmosfer masuk ke fase padat. Ini disebut es kering. Molekul CO2 bersifat nonpolar, meskipun ikatan kovalen antara atom oksigen dan karbon bersifat polar. Senyawa tersebut termasuk dalam oksida asam. Berinteraksi dengan air, membentuk asam karbonat. Reaksi antara karbon dioksida dan zat sederhana telah diketahui: logam dan nonlogam, misalnya dengan magnesium, kalsium, atau kokas. Di dalamnya ia memainkan peran sebagai zat pengoksidasi.
Reaksi kualitatif terhadap karbon dioksida
Untuk memastikan bahwa gas yang diteliti memang karbon monoksida CO 2, dilakukan percobaan kimia anorganik sebagai berikut: zat dilewatkan melalui larutan bening air kapur. Pengamatan kekeruhan larutan akibat pengendapan endapan putih kalsium karbonat menegaskan adanya molekul karbon dioksida dalam campuran reagen. Ketika gas selanjutnya dilewatkan melalui larutan kalsium hidroksida, endapan CaCO 3 larut karena transformasinya menjadi kalsium bikarbonat, garam yang larut dalam air.
Peran karbon dalam proses tanur sembur
Sifat kimia karbon digunakan dalam produksi industri besi dari bijihnya: bijih besi magnetis, merah atau coklat. Yang paling utama di antaranya adalah sifat pereduksi karbon dan oksida - karbon dioksida dan karbon dioksida. Proses yang terjadi di tanur sembur dapat direpresentasikan sebagai rangkaian reaksi berikut:
- Pertama, kokas terbakar dalam aliran udara yang dipanaskan hingga 1.850 °C dengan pembentukan karbon dioksida: C + O 2 = CO 2.
- Melewati karbon panas, ia tereduksi menjadi karbon monoksida: CO 2 + C = 2CO.
- Karbon monoksida bereaksi dengan bijih besi menghasilkan oksida besi: 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2, Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2.
- Reaksi pembuatan besi berbentuk sebagai berikut: FeO + CO = Fe + CO 2
Besi cair melarutkan campuran karbon dan karbon monoksida, menghasilkan zat - sementit.
Besi cor yang dilebur dalam tanur sembur, selain besi, mengandung hingga 4,5% karbon dan pengotor lainnya: mangan, fosfor, belerang. Baja, yang berbeda dari besi tuang dalam beberapa hal, seperti kemampuannya untuk digulung dan ditempa, hanya mengandung 0,3 hingga 1,7% karbon. Produk baja banyak digunakan di hampir semua industri: teknik mesin, metalurgi, kedokteran.
Dalam artikel kami, kami mengetahui sifat kimia karbon dan senyawanya yang digunakan dalam berbagai bidang aktivitas manusia.
Karbon (C)– tipikal bukan logam; dalam tabel periodik berada pada periode ke-2 golongan IV, subkelompok utama. Nomor urut 6, Ar = 12.011 sma, muatan inti +6.Properti fisik: karbon membentuk banyak modifikasi alotropik: berlian- salah satu zat yang paling keras grafit, batu bara, jelaga.
Sebuah atom karbon memiliki 6 elektron: 1s 2 2s 2 2p 2 . Dua elektron terakhir terletak di orbital p terpisah dan tidak berpasangan. Pada prinsipnya, pasangan ini dapat menempati orbital yang sama, tetapi dalam kasus ini tolakan antarelektron meningkat pesat. Oleh karena itu, salah satunya mengambil 2p x, dan yang lainnya, 2p y , atau orbital 2p z.
Perbedaan energi sublevel s dan p pada lapisan terluar kecil, sehingga atom dengan mudah masuk ke keadaan tereksitasi, di mana salah satu dari dua elektron dari orbital 2s berpindah ke orbital bebas. 2 gosok. Keadaan valensi muncul dengan konfigurasi 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Keadaan atom karbon inilah yang menjadi ciri kisi berlian—susunan spasial tetrahedral dari orbital hibrid, panjang dan energi ikatan yang identik.
Fenomena ini diketahui disebut sp 3 -hibridisasi, dan fungsi yang muncul adalah sp 3 -hibrida . Pembentukan empat ikatan sp 3 memberikan atom karbon keadaan lebih stabil daripada tiga r-r- dan satu koneksi s-s. Selain hibridisasi sp 3, hibridisasi sp 2 dan sp juga diamati pada atom karbon . Dalam kasus pertama, terjadi saling tumpang tindih S- dan dua orbital p. Terbentuklah tiga orbital hibrid sp 2 ekuivalen yang terletak pada bidang yang sama dengan sudut 120° satu sama lain. Orbital ketiga p tidak berubah dan arahnya tegak lurus terhadap bidang sp2.
Selama hibridisasi sp, orbital s dan p tumpang tindih. Sudut 180° timbul antara dua orbital hibrid ekuivalen yang terbentuk, sedangkan dua orbital p masing-masing atom tetap tidak berubah.
Alotropi karbon. Berlian dan grafit
Dalam kristal grafit, atom karbon terletak pada bidang paralel, menempati simpul segi enam beraturan. Setiap atom karbon terikat pada tiga ikatan hibrid sp 2 yang bertetangga. Hubungan antar bidang sejajar dilakukan karena gaya van der Waals. Orbital p bebas setiap atom diarahkan tegak lurus terhadap bidang ikatan kovalen. Tumpang tindihnya menjelaskan adanya ikatan π tambahan antara atom karbon. Jadi, dari keadaan valensi di mana atom karbon dalam suatu zat berada menentukan sifat-sifat zat tersebut.
Sifat kimia karbon
Bilangan oksidasi yang paling khas adalah: +4, +2.
Pada suhu rendah karbon bersifat inert, namun bila dipanaskan aktivitasnya meningkat.
Karbon sebagai zat pereduksi:
- dengan oksigen
C 0 + O 2 – t° = CO 2 karbon dioksida
dengan kekurangan oksigen - pembakaran tidak sempurna:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O karbon monoksida
- dengan fluor
C + 2F 2 = CF 4
- dengan uap air
C 0 + H 2 O – 1200° = C +2 O + H 2 gas air
- dengan oksida logam. Beginilah cara logam dilebur dari bijih.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2
- dengan asam - zat pengoksidasi:
C 0 + 2H 2 SO 4 (konsentrasi) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (konsentrasi) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O
- membentuk karbon disulfida dengan belerang:
C + 2S 2 = CS 2.
Karbon sebagai oksidator:
- membentuk karbida dengan beberapa logam
4Al + 3C 0 = Al 4 C 3
Ca + 2C 0 = CaC 2 -4
- dengan hidrogen - metana (serta sejumlah besar senyawa organik)
C0 + 2H2 = CH4
— dengan silikon, membentuk karborundum (pada 2000 °C dalam tungku listrik):
Menemukan karbon di alam
Karbon bebas terjadi dalam bentuk intan dan grafit. Dalam bentuk senyawa, karbon terdapat pada mineral: kapur, marmer, batu kapur - CaCO 3, dolomit - MgCO 3 *CaCO 3; hidrokarbonat - Mg(HCO 3) 2 dan Ca(HCO 3) 2, CO 2 adalah bagian dari udara; Karbon merupakan komponen utama senyawa organik alami - gas, minyak, batu bara, gambut, dan merupakan bagian dari zat organik, protein, lemak, karbohidrat, asam amino penyusun organisme hidup.
Senyawa karbon anorganik
Baik ion C 4+ maupun C 4- tidak terbentuk selama proses kimia konvensional: senyawa karbon mengandung ikatan kovalen dengan polaritas berbeda.
Karbon monoksida BERSAMA
Karbon monoksida; tidak berwarna, tidak berbau, sedikit larut dalam air, larut dalam pelarut organik, beracun, titik didih = -192°C; t hal. = -205°C.
Kuitansi
1) Dalam industri (dalam generator gas):
C + O 2 = CO 2
2) Di laboratorium - dekomposisi termal asam format atau oksalat dengan adanya H 2 SO 4 (conc.):
HCOOH = H2O + CO
H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O
Sifat kimia
Dalam kondisi normal, CO bersifat inert; saat dipanaskan - zat pereduksi; oksida yang tidak membentuk garam.
1) dengan oksigen
2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2
2) dengan oksida logam
C +2 O + CuO = Cu + C +4 O 2
3) dengan klorin (dalam cahaya)
CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (fosgen)
4) bereaksi dengan lelehan alkali (di bawah tekanan)
CO + NaOH = HCOONa (natrium format)
5) membentuk karbonil dengan logam transisi
Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4
Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5
Karbon monoksida (IV) CO2
Karbon dioksida, tidak berwarna, tidak berbau, larut dalam air - 0,9V CO 2 larut dalam 1V H 2 O (dalam kondisi normal); lebih berat dari udara; t°pl.= -78,5°C (CO 2 padat disebut “es kering”); tidak mendukung pembakaran.
Kuitansi
- Dekomposisi termal garam asam karbonat (karbonat). Pembakaran batu kapur:
CaCO 3 – t° = CaO + CO 2
- Aksi asam kuat pada karbonat dan bikarbonat:
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2
NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2
Bahan kimiapropertiBERSAMA2
Oksida asam: Bereaksi dengan oksida basa dan basa membentuk garam asam karbonat
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3
2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O
NaOH + CO2 = NaHCO3
Pada suhu tinggi mungkin menunjukkan sifat pengoksidasi
C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0
Reaksi kualitatif
Kekeruhan air kapur:
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (endapan putih) + H 2 O
Hilang jika CO 2 dilewatkan melalui air kapur dalam waktu yang lama, karena kalsium karbonat yang tidak larut berubah menjadi bikarbonat yang larut:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2
Asam karbonat dan senyawanyagaram
jam 2BERSAMA 3 - Asam lemah, hanya ada dalam larutan air:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3
Didasar:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Garam asam - bikarbonat, bikarbonat
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Garam sedang - karbonat
Semua sifat asam bersifat khas.
Karbonat dan bikarbonat dapat berubah menjadi satu sama lain:
2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3
Karbonat logam (kecuali logam alkali) mengalami dekarboksilat bila dipanaskan membentuk oksida:
CuCO 3 – t° = CuO + CO 2
Reaksi kualitatif- “mendidih” di bawah pengaruh asam kuat:
Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2
CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2
Karbida
Kalsium karbida:
CaO + 3 C = CaC 2 + CO
CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2.
Asetilena dilepaskan ketika seng, kadmium, lantanum, dan cerium karbida bereaksi dengan air:
2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.
Be 2 C dan Al 4 C 3 terurai dengan air membentuk metana:
Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4.
Dalam teknologi, titanium karbida TiC, tungsten W 2 C (paduan keras), silikon SiC (karborundum - sebagai bahan abrasif dan bahan pemanas) digunakan.
Sianida
diperoleh dengan memanaskan soda dalam atmosfer amonia dan karbon monoksida:
Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2
Asam hidrosianat HCN merupakan produk penting dalam industri kimia dan banyak digunakan dalam sintesis organik. Produksi globalnya mencapai 200 ribu ton per tahun. Struktur elektronik anion sianida mirip dengan karbon monoksida (II); partikel tersebut disebut isoelektronik:
C = HAI: [:C = N:] -
Sianida (larutan air 0,1-0,2%) digunakan dalam penambangan emas:
2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.
Ketika larutan sianida direbus dengan belerang atau padatan yang meleleh, mereka terbentuk tiosianat:
KCN + S = KSCN.
Ketika sianida dari logam dengan aktivitas rendah dipanaskan, diperoleh sianida: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. Larutan sianida dioksidasi menjadi sianat:
2 KCN + O 2 = 2 KOCN.
Asam sianat ada dalam dua bentuk:
HN=C=O; H-O-C = N:
Pada tahun 1828, Friedrich Wöhler (1800-1882) memperoleh urea dari amonium sianat: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 dengan menguapkan larutan berair.
Peristiwa ini biasanya dianggap sebagai kemenangan kimia sintetik atas “teori vitalistik”.
Ada isomer asam sianat - asam eksplosif
HON=C.
Garamnya (merkuri fulminat Hg(ONC) 2) digunakan dalam penyala tumbukan.
Perpaduan urea(urea):
CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. Pada 130 0 C dan 100 atm.
Urea adalah Amida asam karbonat; ada juga “analog nitrogennya” – guanidin.
Karbonat
Senyawa karbon anorganik yang paling penting adalah garam asam karbonat (karbonat). H 2 CO 3 merupakan asam lemah (K 1 = 1,3 10 -4; K 2 = 5 10 -11). Dukungan penyangga karbonat keseimbangan karbon dioksida di atmosfer. Lautan di dunia mempunyai kapasitas penyangga yang sangat besar karena merupakan sistem terbuka. Reaksi penyangga utama adalah kesetimbangan selama disosiasi asam karbonat:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - .
Ketika keasaman menurun, karbon dioksida tambahan diserap dari atmosfer dengan pembentukan asam:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .
Ketika keasaman meningkat, batuan karbonat (kerang, kapur dan sedimen batu kapur di lautan) larut; ini mengkompensasi hilangnya ion hidrokarbonat:
H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —
CaCO 3 (padat) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-
Karbonat padat berubah menjadi bikarbonat larut. Proses pelarutan kimiawi dari kelebihan karbon dioksida inilah yang melawan “efek rumah kaca” - pemanasan global akibat penyerapan radiasi panas dari bumi oleh karbon dioksida. Sekitar sepertiga produksi soda dunia (natrium karbonat Na 2 CO 3) digunakan dalam produksi kaca.