UHLÍK: VLASTNOSTI, STRUKTURA, ZÍSKÁVÁNÍ, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Uhlík je non - kovový chemický prvek, jehož chemická značka je C pojmenované po uhlí, rostlinné nebo minerální, kde jeho atomy definovat různé struktury. Mnoho autorů kvalifikuje to jako King elementů, protože to tvoří širokou škálu organických a anorganických sloučenin, a také se vyskytuje ve značném počtu allotropes.

A pokud to nestačí na to, aby se na něj odkazovalo jako na zvláštní prvek, nachází se to ve všech živých bytostech; všechny jeho biomolekuly vděčí za svou existenci stabilitě a síle vazeb CC a jejich vysoké tendenci zřetězovat se. Uhlík je prvkem života a jeho atomy vytvářejí jejich těla.

Dřevo stromů se skládá hlavně z uhlohydrátů, jedné z mnoha sloučenin bohatých na uhlík. Zdroj: Pexels.

Organické sloučeniny, s nimiž jsou biomateriály budovány, prakticky sestávají z uhlíkových koster a heteroatomů. To lze vidět pouhým okem v lese stromů; a také, když na ně zasáhne blesk a peče je. Zbývající inertní černá pevná látka také obsahuje uhlík; ale je to uhlí.

Existují tedy „mrtvé“ projevy tohoto prvku: uhlí, produkt spalování v prostředích chudých na kyslík; a minerální uhlí, produkt geologických procesů. Obě pevné látky vypadají podobně, jsou černé a hoří, aby vytvářely teplo a energii; i když s různými výtěžky.

Od této chvíle je uhlík 15. nejhojnějším prvkem v zemské kůře. Není divu, kdy se ročně vyprodukují miliony tun uhlí. Tyto minerály se liší svými vlastnostmi v závislosti na stupni nečistot, což je antracit jako nejkvalitnější minerální uhlí.

Zemská kůra je nejen bohatá na minerální uhlí, ale také na uhličitany, zejména vápenec a dolomity. A pokud jde o vesmír, jedná se o čtvrtý nejhojnější prvek; Myslím, že na dalších planetách je více uhlíku.

Historie uhlíku

Retrospektiva

Uhlík může být stejně starý jako samotná zemská kůra. Od pradávna se starověké civilizace setkaly s tímto prvkem v mnoha přírodních prezentacích: saze, dřevěné uhlí, dřevěné uhlí, dřevěné uhlí, diamanty, grafit, uhelný dehet, antracit atd.

Všechny tyto pevné látky, ačkoli sdílely tmavé tóny (s výjimkou diamantu), zbytek jejich fyzických vlastností, stejně jako jejich složení, se výrazně lišil. Tehdy nebylo možné tvrdit, že v podstatě sestávaly z atomů uhlíku.

Bylo to tak, že v celé historii bylo uhlí klasifikováno podle jeho kvality v době spalování a poskytování tepla. A s plyny vytvářenými jeho spalováním byly ohřívány vodní hmoty, které zase vyráběly páry, které pohybovaly turbínami, které generovaly elektrické proudy.

Uhlí bylo neočekávaným způsobem přítomno v dřevěném uhlí produkovaném spalováním stromů v uzavřených nebo hermetických prostorech; v grafitu, kterým byly tužky vyrobeny; v diamantech používaných jako drahokamy; byl zodpovědný za tvrdost oceli.

Její historie jde ruku v ruce se dřevem, střelným prachem, plyny pro městské osvětlení, vlaky a lodě, pivo, maziva a další základní předměty pro rozvoj lidstva.

Uznání

V jakém okamžiku byli vědci schopni spojit allotropy a minerály uhlíku se stejným prvkem? Uhlí bylo považováno za minerál a nepovažovalo se to za chemický prvek hodný periodické tabulky. Prvním krokem by mělo být ukázat, že všechny tyto pevné látky byly transformovány do stejného plynu: oxid uhličitý, CO ₂.

Antoine Lavoisier v roce 1772 pomocí dřevěného rámu s velkými čočkami zaměřil sluneční paprsky na vzorky uhlí a diamantu. Zjistil, že ani jeden z nich tvořily vodní páry, ale CO ₂. Totéž udělal se sazemi a dostal stejné výsledky.

Carl Wilhelm Scheele v roce 1779 našel chemický vztah mezi dřevěným uhlím a grafitem; to znamená, že obě pevné látky byly složeny ze stejných atomů.

Smithson Tennant a William Hyde Wollaston v roce 1797 metodicky ověřovali (prostřednictvím reakcí), že diamant byl ve skutečnosti složen z uhlíku při výrobě CO ₂ při jeho spalování.

Díky těmto výsledkům bylo brzy hozeno světlo na grafit a diamant, pevné látky tvořené uhlíkem, a proto vysoce čisté; na rozdíl od nečistých pevných látek z uhlí a jiných uhlíkatých minerálů.

Vlastnosti

Fyzikální nebo chemické vlastnosti nalezené v pevných látkách, minerálech nebo uhlíkatých materiálech podléhají mnoha proměnným. Mezi ně patří: složení nebo stupeň nečistot, hybridizace atomů uhlíku, rozmanitost struktur a morfologie nebo velikost pórů.

Při popisu vlastností uhlíku je většina textů nebo bibliografických zdrojů založena na grafitu a diamantu.

Proč? Protože jsou nejznámějšími allotropy pro tento prvek a představují pevné látky nebo materiály o vysoké čistotě; to znamená, že jsou prakticky vyrobeny pouze z atomů uhlíku (ačkoli s různými strukturami, jak bude vysvětleno v následující části).

Vlastnosti uhlí a minerálního uhlí se liší svým původem nebo složením. Například lignit (s nízkým obsahem uhlíku) se jako palivo plazí ve srovnání s antracitem (s vysokým obsahem uhlíku). A co další allotropy: nanotrubice, fullereny, grafeny, graffiny atd.

Nicméně chemicky mají jedno společné: jsou oxidovat s přebytkem kyslíku v CO ₂:

C + O ₂ => CO ₂

Nyní jsou rychlost nebo teplota, které vyžadují oxidaci, specifické pro každou z těchto alotrópů.

Grafit vs diamant

Zde se také stručně vyjádří k velmi odlišným vlastnostem těchto dvou allotropů:

Tabulka, ve které jsou porovnány některé vlastnosti dvou krystalických allotropů uhlíku. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Struktura a elektronická konfigurace

Hybridizace

Vztah hybridních orbitálů a možných struktur uhlíku. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Konfigurace elektronu pro atom uhlíku, 1s ² 2s ² 2p ², psáno také jako 2s ² 2p ² (horní obrázek). Tato reprezentace odpovídá jeho základnímu stavu: atom uhlíku izolovaný a suspendovaný v takovém vakuu, že nemůže interagovat s ostatními.

Je vidět, že na jednom z jejích 2p orbitálů chybí elektrony, které přijímají elektron z orbitálu s nízkou energií 2s prostřednictvím elektronické propagace; a tím, atom získává schopnost tvořit až čtyři kovalentních vazeb prostřednictvím čtyř sp ³ hybridní orbitaly.

Všimněte si, že všechny čtyři orbity Sp ³ jsou energeticky degenerované (zarovnané na stejné úrovni). Čisté orbitaly jsou energetičtější, proto jsou umístěny nad ostatními hybridními orbitaly (napravo od obrázku).

Existují-li tři hybridní orbity, je to proto, že zůstává jeden nehybridizovaný orbitál; proto jsou to tři sp ² orbitaly. A pokud existují dva z těchto hybridních orbitálů, jsou k dispozici dva p orbitaly pro vytvoření dvojných nebo trojných vazeb, což je hybridizace sp uhlíku.

Takové elektronické aspekty jsou nezbytné k pochopení toho, proč se uhlík nachází v nekonečných alotrónách.

Oxidační čísla

Před pokračováním ve strukturách je třeba zmínit, že vzhledem ke konfiguraci valenčního elektronu 2s ² 2p ² může mít uhlík následující oxidační čísla: +4, +2, 0, -2 a -4.

Proč? Tato čísla odpovídají předpokladu, že iontová vazba existuje tak, že vytvoříte ionty s příslušnými náboji; to znamená, že C ⁴⁺, C ²⁺, C ⁰ (nula), C ^2- a C ⁴.

Aby uhlík měl kladné oxidační číslo, musí ztratit elektrony; A k tomu musí být nutně vázán k velmi elektronegativním atomům (jako je kyslík).

Mezitím, aby uhlík měl záporné oxidační číslo, musí získat elektrony vazbou na atomy kovů nebo méně elektronegativnější než to (například vodík).

První oxidační číslo +4 znamená, že uhlík ztratil všechny své valenční elektrony; orbitaly 2s a 2p zůstávají prázdné. Pokud 2p orbitál ztratí své dva elektrony, uhlík bude mít oxidační číslo +2; pokud získáte dva elektrony, budete mít -2; a pokud získáte další dva elektrony vyplněním valenčního oktetu, -4.

Příklady

Například pro CO ₂ je oxidační číslo uhlíku +4 (protože kyslík je více elektronegativní); zatímco pro CH ₄ je to -4 (protože vodík je méně elektronegativní).

Pro CH ₃ OH, číslo oxidace uhlíku je -2 (1 H pro a -2 pro O); zatímco pro HCOOH je to +2 (zkontrolujte, zda součet dává 0).

Jiné oxidační stavy, jako jsou -3 a +3, jsou také pravděpodobné, zejména pokud jde o organické molekuly; například v methylových skupin, -CH ₃.

Molekulární geometrie

Horní obrázek ukázal nejen hybridizaci orbitálů pro atom uhlíku, ale také výsledné molekulární geometrie, když několik atomů (černé koule) bylo spojeno s centrálním. Tento centrální atom, který má specifické geometrické prostředí v prostoru, musí mít příslušnou chemickou hybridizaci, která mu to umožňuje.

Například pro čtyřstěnu centrální uhlík má SP ³ hybridizace; protože takový je nejstabilnější uspořádání pro čtyři sp ³ hybridní orbitaly. V případě sp ² uhlíků mohou tvořit dvojné vazby a mít prostředí trigonální roviny; a tak tyto trojúhelníky definují dokonalý šestiúhelník. A pro sp hybridizaci mají uhlíky lineární geometrii.

Geometrie pozorované ve strukturách všech allotropů se tedy jednoduše řídí tetrahedrou (sp ³), hexagony nebo pentagony (sp ²) a liniemi (sp).

Tetrahedra definuje 3D strukturu, zatímco hexagony, pentagony a čáry, 3D nebo 2D struktury; Jedná se o roviny nebo listy podobné stěnám voštin:

Zeď s šestiúhelníkovými vzory voštiny analogicky k letadlům složeným z uhlíků sp2. Zdroj: Pixabay.

A pokud složíme tuto hexagonální stěnu (pětiboká nebo smíšená), získáme trubici (nanotrubice) nebo kouli (fullereny) nebo jinou postavu. Interakce mezi těmito čísly způsobují různé morfologie.

Amorfní nebo krystalické pevné látky

Při ponechání stranou geometrií, hybridizací nebo morfologií možných struktur uhlíku lze její pevné látky globálně rozdělit na dva typy: amorfní nebo krystalický. A mezi tyto dvě klasifikace jsou distribuovány jejich allotropy.

Amorfní uhlík je jednoduše uhlík, který představuje libovolnou směs čtyřstěn, šestiúhelníků nebo linií, které nejsou schopny vytvořit strukturální vzorec; například v případě uhlí, uhlí nebo aktivního uhlí, koksu, sazí atd.

Zatímco krystalický uhlík sestává ze strukturních vzorů tvořených některou z navrhovaných geometrií; například diamant (trojrozměrná síť čtyřstěn) a grafit (skládaný hexagonální list).

Získání

Uhlík může být čistý jako grafit nebo diamant. Nachází se v jejich příslušných mineralogických ložiscích, rozptýlených po celém světě a v různých zemích. Proto jsou některé národy více vývozci jednoho z těchto minerálů než jiné. Stručně řečeno, „musíte kopat zemi“, abyste dostali uhlík.

Totéž platí pro minerální uhlí a jeho druhy. To však neplatí u aktivního uhlí, protože tělo bohaté na uhlík musí nejprve „zahynout“, buď pod palbou, nebo elektrickým bleskem; Samozřejmě, v nepřítomnosti kyslíku, jinak CO ₂ se uvolní.

Celý les je zdrojem uhlíku, jako je uhlí; nejen pro své stromy, ale také pro svou faunu.

Vzorky obsahující uhlík se obecně musí podrobit pyrolýze (spalování v nepřítomnosti kyslíku), aby se uvolnily některé nečistoty jako plyny; a tak pevná látka bohatá na uhlík (amorfní nebo krystalická) zůstává jako zbytek.

Aplikace

Stejně jako vlastnosti a struktura, použití nebo aplikace jsou opět v souladu s allotropy nebo mineralogickými formami uhlíku. Existují však určité obecnosti, které lze zmínit kromě některých známých bodů. Jsou to:

-Uhlík byl dlouho používán jako minerální redukční činidlo při získávání čistých kovů; například železo, křemík a fosfor.

-Je to základní kámen života a organická chemie a biochemie jsou studie této reflexe.

-Je to také fosilní palivo, které umožnilo prvním strojům nastartovat rychlostní stupeň. Stejně tak byl získán uhlíkový plyn pro staré osvětlovací systémy. Uhlí bylo synonymem světla, tepla a energie.

-Mísený jako přísada se železem v různých poměrech umožnil vynález a zlepšení ocelí.

- V umění se odehrávala černá barva, zejména grafit a všechny spisy vytvořené s jejími liniemi.

Rizika a bezpečnostní opatření

Uhlík a jeho pevné látky nepředstavují žádné zdravotní riziko. Kdo se staral o pytel s uhlím? Oni jsou prodáváni v houfech v uličkách některých trhů, a dokud není oheň poblíž, jejich černé bloky nebudou hořet.

Koks, na druhé straně, může představovat riziko, pokud je jeho obsah síry vysoký. Když hoří, uvolní sirné plyny, které kromě toho, že jsou toxické, přispívají k kyselému dešti. A i když nás CO ₂ v malém množství nemůže udusit, má obrovský dopad na životní prostředí jako skleníkový plyn.

Z tohoto hlediska je uhlík „dlouhodobým“ nebezpečím, protože jeho spalování mění klima naší planety.

A ve fyzičtějším smyslu jsou pevné nebo uhlíkaté materiály, pokud jsou rozmělněny, snadno transportovány vzduchovými proudy; a následně jsou zavedeny přímo do plic, což je může nenapravitelně poškodit.

Pokud jde o zbytek jídla, je velmi běžné konzumovat „uhlí“.

Reference

1. Morrison, RT a Boyd, R., N. (1987). Organická chemie. 5. vydání. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organická chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chemie. Amines. (10. vydání.). Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Uhlík, jeho allotropy a struktury. Obnoveno z: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Uhlí. Vysvětlení chemie. Obnoveno z: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11. července 2018). 10 Uhlíková fakta (atomové číslo 6 nebo C). Obnoveno z: thinkco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Co je uhlík? - Fakta a historická lekce pro děti. Studie. Obnoveno z: study.com
8. Föll. (sf). Historie uhlíku. Obnoveno z: tf.uni-kiel.de