OGLEKLIS: ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, IEGŪŠANA, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Ogleklis ir non - metāla ķīmiskais elements, kura ķīmiskais simbols ir C. nosaukts pēc ogļu, augu vai minerālu, kur tās atomi definē dažādas struktūras. Daudzi autori to kvalificē kā elementu karali, jo tas veido plašu organisko un neorganisko savienojumu klāstu, kā arī sastopams ievērojamā skaitā alotropu.

Un, ja tas nav pietiekami, lai atsauktos uz to kā īpašu elementu, tas ir atrodams visās dzīvajās būtnēs; visas tās biomolekulas ir parādā CC saišu stabilitātei un stiprībai un lielai tieksmei saķēdēties. Ogleklis ir dzīvības elements, un ar tā atomiem viņu ķermenis ir veidots.

Koku koksni veido galvenokārt ogļhidrāti - viens no daudzajiem oglekļa bagātajiem savienojumiem. Avots: Pexels.

Organiskie savienojumi, ar kuriem tiek veidoti biomateriāli, praktiski sastāv no oglekļa skeletiem un heteroatomiem. Tos ar neapbruņotu aci var redzēt koku kokā; un arī tad, kad zibens viņus sit un cep. Atlikušajā inertajā melnajā cietajā vielā ir arī ogleklis; bet tā ir ogle.

Tādējādi pastāv šī elementa “mirušās” izpausmes: kokogles, sadegšanas produkts vidē, kurā trūkst skābekļa; un minerālogles, kas ir ģeoloģisko procesu produkts. Abas cietās vielas izskatās līdzīgi, tās ir melnas, un tās sadedzina, lai iegūtu siltumu un enerģiju; kaut arī ar atšķirīgu ražu.

Sākot no šī brīža ogleklis ir 15. bagātīgākais elements zemes garozā. Nav brīnums, kad gadā tiek saražoti miljoniem tonnu ogļu. Šie minerāli atšķiras pēc īpašībām atkarībā no piemaisījumu pakāpes, liekot antracītu kā augstākās kvalitātes minerālu ogles.

Zemes garozā ir ne tikai bagāta ar minerāloglēm, bet arī ar karbonātiem, īpaši kaļķakmeni un dolomītiem. Un attiecībā uz Visumu tas ir ceturtais visbagātākais elements; Es domāju, ka uz citām planētām ir vairāk oglekļa.

Oglekļa vēsture

Retrospekcija

Ogleklis var būt tikpat vecs kā pati zemes garoza. Kopš neatminamiem laikiem senās civilizācijas ir saskārušās ar šo elementu tā daudzajās dabiskajās prezentācijās: kvēpu, kokogles, kokogles, kokogles, dimanti, grafīts, akmeņogļu darva, antracīts utt.

Visas šīs cietās vielas, kaut arī tām bija kopīgi tumšie toņi (izņemot dimantu), pārējās fizikālās īpašības, kā arī sastāvs ievērojami atšķīrās. Toreiz nebija iespējams apgalvot, ka tie galvenokārt sastāv no oglekļa atomiem.

Tādējādi visā vēsturē ogles tika klasificētas pēc to kvalitātes degšanas un siltuma nodrošināšanas laikā. Un ar gāzēm, kas veidojas tās sadegšanas laikā, tika sasildītas ūdens masas, kas savukārt radīja tvaikus, kas pārvietoja turbīnas, kas ģenerēja elektriskās strāvas.

Ogleklis neparedzētā veidā bija oglē, kas iegūts, dedzinot kokus slēgtās vai hermētiskās telpās; grafītā, ar kuru tika izgatavoti zīmuļi; dimantos, ko izmanto kā dārgakmeņus; viņš bija atbildīgs par tērauda cietību.

Tās vēsture iet roku rokā ar koku, šaujampulveri, pilsētas apgaismojuma gāzēm, vilcieniem un kuģiem, alu, smērvielām un citiem cilvēkiem nepieciešamiem priekšmetiem.

Atzīšana

Kurā brīdī zinātnieki spēja saistīt oglekļa alotropus un minerālus ar to pašu elementu? Akmeņogles tika uzskatītas par minerālu, un tās neuzskatīja par ķīmisko elementu, kas būtu cienīgs periodiskajā tabulā. Pirmajam solim vajadzēja parādīt, ka visas šīs cietās vielas ir pārveidotas vienā gāzē: oglekļa dioksīdā, CO ₂ .

Antuāns Lavoisjērs 1772. gadā, izmantojot koka rāmi ar lielām lēcām, koncentrēja saules starus uz kokogļu un dimanta paraugiem. Viņš atklāja, ka neviens no tiem neveido ūdens tvaikus, bet gan CO ₂ . Viņš tāpat rīkojās ar kvēpu un ieguva tādus pašus rezultātus.

Karls Vilhelms Šēlers 1779. gadā atklāja kokogles un grafīta ķīmiskās attiecības; tas ir, abas cietās vielas sastāvēja no vieniem un tiem pašiem atomiem.

Smitsons Tennants un Viljams Hyde Wollaston 1797. gadā metodiski pārbaudīja (ar reakciju palīdzību), ka dimants patiesībā sastāv no oglekļa, kad degšanas procesā rodas CO ₂ .

Ar šiem rezultātiem gaisma drīz tika izmesta uz grafīta un dimanta, cietām vielām, ko veido ogleklis, un tāpēc tām ir augsta tīrība; atšķirībā no ogļu un citu oglekļa minerālu netīrām cietvielām.

Īpašības

Cietās daļās, minerālos vai oglekļa materiālos esošās fizikālās vai ķīmiskās īpašības ir pakļautas daudziem mainīgiem lielumiem. Starp tiem ir: piemaisījumu sastāvs vai pakāpe, oglekļa atomu hibridizācijas, struktūru daudzveidība un poru morfoloģija vai lielums.

Aprakstot oglekļa īpašības, vairums tekstu vai bibliogrāfisko avotu balstās uz grafītu un dimantu.

Kāpēc? Tā kā tie ir vislabāk zināmie šī elementa allotropi un pārstāv cietas vielas vai augstas tīrības pakāpes materiālus; tas ir, tie praktiski nav izgatavoti no nekas vairāk kā no oglekļa atomiem (kaut arī ar dažādām struktūrām, kā tiks paskaidrots nākamajā sadaļā).

Kokogļu un minerālu ogļu īpašības attiecīgi atšķiras pēc to izcelsmes vai sastāva. Piemēram, brūnogļi (ar zemu oglekļa saturu) indeksē, salīdzinot ar antracītu (ar augstu oglekļa saturu). Un kā ir ar pārējiem alotropiem: nanocaurulēm, fullerēniem, grafeniem, grafīniem utt.

Tomēr ķīmiski tiem ir viens kopīgs punkts: tie oksidējas ar pārmērīgu skābekļa daudzumu CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Tagad ātrums vai temperatūra, kas nepieciešama to oksidēšanai, ir raksturīgi katram no šiem alotropiem.

Grafīts vs dimants

Šeit tiks sniegts arī īss komentārs par ļoti atšķirīgajām šo divu allotropu īpašībām:

Tabula, kurā salīdzinātas divu oglekļa kristālisko allotropu dažas īpašības. Avots: Gabriel Bolívar.

Struktūra un elektroniskā konfigurācija

Hibridizācijas

Hibrīdu orbitāļu saistība ar oglekļa iespējamām struktūrām. Avots: Gabriel Bolívar.

Oglekļa atoma elektronu konfigurācija ir 1s ² 2s ² 2p ² , kas uzrakstīts arī kā 2s ² 2p ² (augšējais attēls). Šis attēlojums atbilst tā stāvoklim: oglekļa atoms ir izolēts un suspendēts tādā vakuumā, ka tas nevar mijiedarboties ar citiem.

Var redzēt, ka vienā no tās 2p orbitāliem trūkst elektronu, kas ar elektroniskas paaugstināšanas palīdzību pieņem elektronu no zemākās enerģijas 2s orbitāles; un tādējādi atoms iegūst spēju veidot līdz četrām kovalentām saitēm caur četriem sp ³ hibrīda orbitāļiem .

Ņemiet vērā, ka visas četras sp ³ orbitāles ir enerģijas deģenerētas (izlīdzinātas vienā līmenī). Tīras p orbitāles ir enerģētiskas, tāpēc tās atrodas virs citiem hibrīda orbitāļiem (attēla labajā pusē).

Ja ir trīs hibrīdas orbitāles, tas notiek tāpēc, ka paliek viena nehidrizēta p orbitāle; tāpēc tie ir trīs sp ² orbitāles . Un, ja ir divi no šiem hibrīdajiem orbitāļiem, ir pieejami divi p orbitāli, lai veidotu divkāršās vai trīskāršās saites, ja hibridizācija ir sp ogleklis.

Šādi elektroniski aspekti ir svarīgi, lai saprastu, kāpēc oglekli var atrast visu tipu galotnēs.

Oksidācijas skaitļi

Pirms turpināt darbu ar konstrukcijām, ir vērts pieminēt, ka, ņemot vērā valences elektronu konfigurāciju 2s ² 2p ² , ogleklim var būt šādi oksidācijas skaitļi: +4, +2, 0, -2 un -4.

Kāpēc? Šie skaitļi atbilst pieņēmumam, ka pastāv tāda jonu saite, ka jūs veidojat jonus ar attiecīgajiem lādiņiem; tas ir, C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (neitrāls), C ^2- un C ^4- .

Lai ogleklim būtu pozitīvs oksidācijas skaitlis, tam jāzaudē elektroni; Un lai to izdarītu, tas obligāti jāpiesaista ļoti elektronegatīviem atomiem (piemēram, skābeklim).

Tikmēr, lai oglekļa oksidācijas skaitlis būtu negatīvs, tam jāiegūst elektroni, saistoties ar metālu atomiem vai mazāk elektronegatīviem nekā tas (piemēram, ūdeņradis).

Pirmais oksidācijas skaitlis +4 nozīmē, ka ogleklis ir zaudējis visus valences elektronus; 2s un 2p orbitāles paliek tukšas. Ja 2p orbitāle zaudē divus elektronus, oglekļa oksidācijas skaitlis būs +2; ja iegūsit divus elektronus, jums būs -2; un, ja jūs iegūstat vēl divus elektronus, aizpildot savu valences oktetu, -4.

Piemēri

Piemēram, CO ₂ oglekļa oksidācijas skaits ir +4 (jo skābeklis ir vairāk elektronegatīvs); kamēr uz CH ₄ , tas ir -4 (jo ūdeņradis ir mazāks electronegative).

For CH ₃ OH, oksidācijas skaits ogleklis -2 (+1 ir H un -2 O); savukārt HCOOH gadījumā tas ir +2 (pārbaudiet, vai summa dod 0).

Iespējami arī citi oksidācijas stāvokļi, piemēram, -3 un +3, it īpaši, ja runa ir par organiskām molekulām; piemēram, metilgrupām, -CH ₃ .

Molekulārās ģeometrijas

Augšējais attēls parādīja ne tikai oglekļa atoma orbitāļu hibridizāciju, bet arī iegūto molekulāro ģeometriju, kad vairāki atomi (melnās sfēras) bija saistīti ar centrālo. Šim centrālajam atomam, lai kosmosā būtu īpaša ģeometriskā vide, ir jābūt attiecīgajai ķīmiskajai hibridizācijai, kas to ļauj.

Piemēram, attiecībā uz tetraedru centrālajam ogleklim ir sp ³ hibridizācija ; jo šāds ir visstabilākais izvietojums četriem sp ³ hibrīda orbitāļiem . Sp ² oglekļa gadījumā tie var veidot divkāršās saites un radīt trigonālo plakņu vidi; un šie trijstūri nosaka perfektu sešstūri. Sp hibridizācijai oglekļi izmanto lineāru ģeometriju.

Tādējādi visu alotropu struktūrās novēroto ģeometriju vienkārši regulē tetraedri (sp ³ ), sešstūri vai piecstūri (sp ² ) un līnijas (sp).

Tetrahedra definē 3D struktūru, savukārt sešstūri, piecstūri un līnijas, 3D vai 2D struktūras; Pēdējās ir plaknes vai loksnes, kas ir līdzīgas šūnveida sienām:

Siena ar šūnveida sešstūrainu zīmējumu pēc analoģijas plaknēm, kas sastāv no sp2 oglekļa. Avots: Pixabay.

Un, ja mēs salocīsim šo sešstūra sienu (piecstūrveida vai jauktu), mēs iegūsim cauruli (nanocaurules) vai bumbiņu (fullerēnus), vai citu figūru. Šo figūru mijiedarbība rada dažādas morfoloģijas.

Amorfas vai kristāliskas cietās vielas

Atstājot malā oglekļa iespējamo struktūru ģeometriju, hibridizāciju vai morfoloģiju, tā cietās vielas globāli var iedalīt divos veidos: amorfā vai kristāliskā. Un starp šīm divām klasifikācijām ir sadalīti viņu allotropi.

Amorfs ogleklis ir vienkārši tāds, kas rada patvaļīgu tetraedru, sešstūru vai līniju maisījumu, nespējot izveidot struktūras modeli; piemēram, ogles, kokogles vai aktivētās kokogles, kokss, kvēpi utt.

Kamēr kristāliskais ogleklis sastāv no struktūras modeļiem, kas sastāv no jebkuras piedāvātās ģeometrijas; piemēram, dimants (trīsdimensiju tetraedru tīkls) un grafīts (sakrautas sešstūra loksnes).

Iegūšana

Ogleklis var būt tīrs kā grafīts vai dimants. Tie ir atrodami to attiecīgajos mineraloģiskajos atradnēs, kas ir izkaisīti visā pasaulē un dažādās valstīs. Tāpēc dažas valstis vairāk eksportē šo minerālu nekā citas. Īsāk sakot, "jums ir jārok zeme", lai iegūtu oglekli.

Tas pats attiecas uz minerāloglēm un to veidiem. Bet tas neattiecas uz kokoglēm, jo ​​ķermenim, kas bagāts ar oglekli, vispirms "jāiet bojā" vai nu zem uguns, vai arī ar elektrisku zibeni; protams, ja nebūtu skābekļa, pretējā gadījumā izdalītos CO ₂ .

Viss mežs ir oglekļa avots, piemēram, kokogles; ne tikai tās kokiem, bet arī faunai.

Parasti oglekļa paraugiem jāveic pirolīze (sadedzināšana, ja nav skābekļa), lai dažus piemaisījumus izdalītu kā gāzi; un tādējādi cietviela, kas bagāta ar oglekli (amorfs vai kristālisks), paliek kā atlikums.

Lietojumprogrammas

Atkal, tāpat kā īpašības un struktūra, lietojums vai pielietojums atbilst oglekļa alotropiem vai mineraloģiskajām formām. Tomēr papildus dažiem labi zināmiem punktiem var minēt arī dažus vispārinājumus. Tie ir:

- ogleklis jau ilgu laiku tiek izmantots kā minerālu samazināšanas līdzeklis tīru metālu iegūšanai; piemēram, dzelzs, silīcijs un fosfors.

-Tas ir dzīves stūrakmens, un organiskā ķīmija un bioķīmija ir šīs pārdomas pētījumi.

-Tā arī ir bijusi fosilā degviela, kas ļāva pirmajām mašīnām iedarbināt pārnesumus. Tādā pašā veidā no tā tika iegūta oglekļa gāze vecajām apgaismes sistēmām. Akmeņogles bija sinonīms gaismai, siltumam un enerģijai.

-Kā sajaukts kā piedeva ar dzelzi dažādās proporcijās, ļāva izgudrot un uzlabot tēraudu.

-Tā mākslā notika melnā krāsa, īpaši grafīts un visi raksti, kas tapuši ar tā līnijām.

Riski un piesardzības pasākumi

Ogleklis un tā cietās vielas nerada risku veselībai. Kurš ir rūpējies par kokogles maisu? Tos pārdod drodes dažu tirgu ejās, un kamēr vien tuvumā nav uguns, to melnie bloki nedeg.

Savukārt kokss var radīt risku, ja tā sēra saturs ir augsts. Kad tas izdeg, tas izdalīs sēra gāzes, kas papildus tam, ka tas ir toksisks, veicina arī skābu lietu. Un, lai arī nelielā daudzumā CO ₂ nevar mūs nosmakt, tam kā siltumnīcefekta gāzei ir milzīga ietekme uz vidi.

Raugoties no šī viedokļa, ogleklis ir “ilgtermiņa” briesmas, jo tā sadegšana maina mūsu planētas klimatu.

Un fiziskākā nozīmē cietus vai oglekļa materiālus, ja tie ir saberzti, viegli pārvadā gaisa straumes; un līdz ar to tie tiek ievadīti tieši plaušās, kas var neatgriezeniski tos sabojāt.

Pārējā gadījumā ļoti bieži patērē "kokogles", kad tiek gatavoti daži ēdieni.

Atsauces

1. Morisons, RT un Boids, R., N. (1987). Organiskā ķīmija. 5. izdevums. Redakcijas Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organiskā ķīmija. (Sestais izdevums). Mc Graw Hill.
3. Grehems Solomons TW, Kreigs B. Frīls. (2011). Organiskā ķīmija. Amīni. (10. izdevums.). Wiley Plus.
4. Endrjū. (2019. gads). Ogleklis, tā alotropi un struktūras. Atgūts no: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Akmeņogles. Ķīmija izskaidrota. Atgūts no: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. gada 11. jūlijs). 10 oglekļa fakti (atomu skaitlis 6 vai C). Atgūts no: domaco.com
7. Tawnya Eash. (2019. gads). Kas ir ogleklis? - Fakti un vēstures nodarbība bērniem. Pētījums. Atgūts no: study.com
8. Fēls. (sf). Oglekļa vēsture. Atgūts no: tf.uni-kiel.de