Fragen, was ein Aggregatzustand ist, welche Eigenschaften und Eigenschaften Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase haben, werden in mehreren Schulungen behandelt. Es gibt drei klassische Materiezustände mit jeweils eigenen charakteristischen Strukturmerkmalen. Ihr Verständnis ist ein wichtiger Punkt beim Verständnis der Wissenschaften der Erde, lebender Organismen und industrieller Aktivitäten. Diese Fragen werden von Physik, Chemie, Geographie, Geologie, physikalischer Chemie und anderen wissenschaftlichen Disziplinen untersucht. Stoffe, die sich unter bestimmten Bedingungen in einem von drei Grundzustandstypen befinden, können sich bei steigender oder sinkender Temperatur und Druck ändern. Betrachten wir mögliche Übergänge von einem Aggregatzustand in einen anderen, wie sie in Natur, Technik und Alltag vorkommen.

Was ist ein Aggregatzustand?

Das ins Russische übersetzte Wort lateinischen Ursprungs „aggrego“ bedeutet „sich verbinden“. Der wissenschaftliche Begriff bezieht sich auf den Zustand desselben Körpers, derselben Substanz. Charakteristisch für alle Erdhüllen ist die Existenz von Feststoffen, Gasen und Flüssigkeiten bei bestimmten Temperaturen und unterschiedlichen Drücken. Neben den drei Grundaggregatzuständen gibt es noch einen vierten. Bei erhöhter Temperatur und konstantem Druck verwandelt sich das Gas in Plasma. Um besser zu verstehen, was ein Aggregatzustand ist, ist es notwendig, sich an die kleinsten Partikel zu erinnern, aus denen Substanzen und Körper bestehen.

Das obige Diagramm zeigt: a - Gas; b – flüssig; c ist ein fester Körper. In solchen Bildern kennzeichnen Kreise die Strukturelemente von Stoffen. Dies ist ein Symbol; tatsächlich sind Atome, Moleküle und Ionen keine festen Kugeln. Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern, um den sich negativ geladene Elektronen mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Kenntnisse über die mikroskopische Struktur der Materie helfen, die Unterschiede zwischen verschiedenen Aggregatformen besser zu verstehen.

Ideen zum Mikrokosmos: vom antiken Griechenland bis zum 17. Jahrhundert

Die ersten Informationen über die Teilchen, aus denen physische Körper bestehen, erschienen im antiken Griechenland. Die Denker Demokrit und Epikur führten ein Konzept wie das Atom ein. Sie glaubten, dass diese kleinsten unteilbaren Partikel verschiedener Substanzen eine Form und eine bestimmte Größe haben und sich bewegen und miteinander interagieren können. Der Atomismus wurde für seine Zeit zur fortschrittlichsten Lehre des antiken Griechenlands. Doch im Mittelalter verlangsamte sich seine Entwicklung. Seitdem wurden Wissenschaftler von der Inquisition der römisch-katholischen Kirche verfolgt. Daher gab es bis in die Neuzeit kein klares Konzept über den Zustand der Materie. Erst nach dem 17. Jahrhundert formulierten die Wissenschaftler R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton und A. Lavoisier die Bestimmungen der atomar-molekularen Theorie, die bis heute nicht an Bedeutung verloren haben.

Atome, Moleküle, Ionen – mikroskopisch kleine Teilchen der Struktur der Materie

Ein bedeutender Durchbruch beim Verständnis der Mikrowelt gelang im 20. Jahrhundert, als das Elektronenmikroskop erfunden wurde. Unter Berücksichtigung früherer Entdeckungen von Wissenschaftlern konnte ein zusammenhängendes Bild der Mikrowelt erstellt werden. Theorien, die den Zustand und das Verhalten der kleinsten Materieteilchen beschreiben, sind recht komplex; sie beziehen sich auf das Gebiet der Materie. Um die Eigenschaften verschiedener Aggregatzustände der Materie zu verstehen, reicht es aus, die Namen und Eigenschaften der wichtigsten Strukturteilchen zu kennen, die sich bilden verschiedene Substanzen.

1. Atome sind chemisch unteilbare Teilchen. Sie bleiben bei chemischen Reaktionen erhalten, werden jedoch bei Kernreaktionen zerstört. Metalle und viele andere Stoffe atomarer Struktur haben unter normalen Bedingungen einen festen Aggregatzustand.
2. Moleküle sind Teilchen, die bei chemischen Reaktionen zersetzt und neu gebildet werden. Sauerstoff, Wasser, Kohlendioxid, Schwefel. Der Aggregatzustand von Sauerstoff, Stickstoff, Schwefeldioxid, Kohlenstoff und Sauerstoff ist unter normalen Bedingungen gasförmig.
3. Ionen sind die geladenen Teilchen, zu denen Atome und Moleküle werden, wenn sie Elektronen aufnehmen oder verlieren – mikroskopisch kleine negativ geladene Teilchen. Viele Salze haben eine ionische Struktur, zum Beispiel Speisesalz, Eisensulfat und Kupfersulfat.

Es gibt Stoffe, deren Teilchen sich auf eine bestimmte Weise im Raum befinden. Die geordnete gegenseitige Anordnung von Atomen, Ionen und Molekülen wird als Kristallgitter bezeichnet. Typischerweise sind ionische und atomare Kristallgitter charakteristisch für Feststoffe, molekulare – für Flüssigkeiten und Gase. Diamant zeichnet sich durch seine hohe Härte aus. Sein atomares Kristallgitter wird aus Kohlenstoffatomen gebildet. Aber auch weicher Graphit besteht aus Atomen dieses chemischen Elements. Nur sind sie unterschiedlich im Raum lokalisiert. Der übliche Aggregatzustand von Schwefel ist fest, bei hohen Temperaturen verwandelt sich der Stoff jedoch in eine flüssige und amorphe Masse.

Stoffe in festem Aggregatzustand

Unter normalen Bedingungen behalten Feststoffe ihr Volumen und ihre Form. Zum Beispiel ein Sandkorn, ein Zuckerkorn, Salz, ein Stück Stein oder Metall. Wenn Sie Zucker erhitzen, beginnt die Substanz zu schmelzen und verwandelt sich in eine zähflüssige braune Flüssigkeit. Hören wir auf zu heizen und wir bekommen wieder einen Feststoff. Dies bedeutet, dass eine der Hauptbedingungen für den Übergang eines Feststoffs in eine Flüssigkeit seine Erwärmung oder eine Erhöhung der inneren Energie der Partikel des Stoffes ist. Auch der feste Aggregatzustand von Salz, das in Lebensmitteln verwendet wird, kann verändert werden. Doch um Speisesalz zu schmelzen, ist eine höhere Temperatur nötig als beim Erhitzen von Zucker. Tatsache ist, dass Zucker aus Molekülen besteht und Speisesalz aus geladenen Ionen, die stärker voneinander angezogen werden. Flüssige Feststoffe behalten ihre Form nicht, da die Kristallgitter zerstört werden.

Der flüssige Aggregatzustand des Salzes beim Schmelzen wird durch das Aufbrechen von Bindungen zwischen den Ionen in den Kristallen erklärt. Geladene Teilchen, die elektrische Ladungen tragen können, werden freigesetzt. Geschmolzene Salze leiten Strom und sind Leiter. In der chemischen, metallurgischen und technischen Industrie werden Feststoffe in Flüssigkeiten umgewandelt, um neue Verbindungen herzustellen oder ihnen andere Formen zu geben. Metalllegierungen haben eine weite Verbreitung gefunden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, sie zu erhalten, die mit Änderungen im Aggregatzustand fester Rohstoffe verbunden sind.

Flüssigkeit ist einer der grundlegenden Aggregatzustände

Wenn Sie 50 ml Wasser in einen Rundkolben gießen, werden Sie feststellen, dass die Substanz sofort die Form eines Chemikaliengefäßes annimmt. Aber sobald wir das Wasser aus der Flasche gießen, verteilt sich die Flüssigkeit sofort auf der Tischoberfläche. Die Wassermenge bleibt gleich – 50 ml, aber ihre Form ändert sich. Die aufgeführten Merkmale sind charakteristisch für die flüssige Existenzform der Materie. Viele organische Stoffe sind Flüssigkeiten: Alkohole, Pflanzenöle, Säuren.

Milch ist eine Emulsion, also eine Flüssigkeit, die Fetttröpfchen enthält. Eine nützliche flüssige Ressource ist Öl. Es wird mit Bohrinseln an Land und im Meer aus Brunnen gefördert. Meerwasser ist auch ein Rohstoff für die Industrie. Der Unterschied zum Süßwasser in Flüssen und Seen liegt im Gehalt an gelösten Stoffen, hauptsächlich Salzen. Beim Verdampfen von der Oberfläche von Reservoirs gehen nur H 2 O-Moleküle in den Dampfzustand über, gelöste Stoffe bleiben zurück. Auf dieser Eigenschaft basieren Methoden zur Gewinnung nützlicher Substanzen aus Meerwasser und Methoden zu seiner Reinigung.

Wenn die Salze vollständig entfernt sind, erhält man destilliertes Wasser. Es siedet bei 100 °C und gefriert bei 0 °C. Bei anderen Temperaturen kochen die Salzlaken und werden zu Eis. Beispielsweise gefriert Wasser im Arktischen Ozean bei einer Oberflächentemperatur von 2 °C.

Der physikalische Zustand von Quecksilber ist unter normalen Bedingungen flüssig. Dieses silbergraue Metall wird häufig zum Befüllen von medizinischen Thermometern verwendet. Beim Erhitzen steigt die Quecksilbersäule auf der Waage und die Substanz dehnt sich aus. Warum wird mit roter Farbe getönter Alkohol und nicht Quecksilber verwendet? Dies wird durch die Eigenschaften von flüssigem Metall erklärt. Bei 30-Grad-Frösten ändert sich der Aggregatzustand des Quecksilbers, der Stoff wird fest.

Wenn das medizinische Thermometer kaputt geht und das Quecksilber ausläuft, ist es gefährlich, die Silberkugeln mit den Händen aufzusammeln. Das Einatmen von Quecksilberdampf ist gesundheitsschädlich; dieser Stoff ist sehr giftig. In solchen Fällen müssen Kinder ihre Eltern und Erwachsenen um Hilfe bitten.

Gaszustand

Gase können weder ihr Volumen noch ihre Form beibehalten. Füllen wir den Kolben bis zum Rand mit Sauerstoff (seine chemische Formel ist O2). Sobald wir den Kolben öffnen, beginnen sich die Moleküle der Substanz mit der Raumluft zu vermischen. Dies geschieht aufgrund der Brownschen Bewegung. Schon der antike griechische Wissenschaftler Demokrit glaubte, dass Materieteilchen in ständiger Bewegung seien. In Festkörpern haben Atome, Moleküle und Ionen unter normalen Bedingungen keine Möglichkeit, das Kristallgitter zu verlassen oder sich aus Bindungen mit anderen Teilchen zu lösen. Dies ist nur möglich, wenn viel Energie von außen zugeführt wird.

In Flüssigkeiten ist der Abstand zwischen den Teilchen etwas größer als in Festkörpern; sie benötigen weniger Energie, um intermolekulare Bindungen aufzubrechen. Beispielsweise wird der flüssige Zustand von Sauerstoff erst dann beobachtet, wenn die Gastemperatur auf –183 °C absinkt. Bei −223 °C bilden O 2 -Moleküle einen Feststoff. Steigt die Temperatur über diese Werte, wird Sauerstoff gasförmig. In dieser Form kommt es unter normalen Bedingungen vor. Industrieunternehmen betreiben spezielle Anlagen zur Zerlegung der atmosphärischen Luft und zur Gewinnung von Stickstoff und Sauerstoff daraus. Zunächst wird die Luft abgekühlt und verflüssigt, anschließend wird die Temperatur schrittweise erhöht. Stickstoff und Sauerstoff werden unter unterschiedlichen Bedingungen zu Gasen.

Die Erdatmosphäre enthält 21 Vol.-% Sauerstoff und 78 Vol.-% Stickstoff. Diese Stoffe kommen in der gasförmigen Hülle des Planeten nicht in flüssiger Form vor. Flüssiger Sauerstoff hat eine hellblaue Farbe und wird zum Füllen von Flaschen unter hohem Druck für den Einsatz in medizinischen Einrichtungen verwendet. In der Industrie und im Baugewerbe werden verflüssigte Gase zur Durchführung vieler Prozesse benötigt. Sauerstoff wird zum Gasschweißen und Schneiden von Metallen sowie in der Chemie für Oxidationsreaktionen anorganischer und organischer Stoffe benötigt. Öffnet man das Ventil einer Sauerstoffflasche, sinkt der Druck und die Flüssigkeit wird gasförmig.

Verflüssigtes Propan, Methan und Butan werden häufig in den Bereichen Energie, Transport, Industrie und Haushalt verwendet. Diese Stoffe werden aus Erdgas oder beim Cracken (Spalten) von Erdölrohstoffen gewonnen. Flüssige und gasförmige Kohlenstoffgemische spielen in den Volkswirtschaften vieler Länder eine wichtige Rolle. Doch die Öl- und Erdgasreserven sind stark erschöpft. Laut Wissenschaftlern wird dieser Rohstoff 100-120 Jahre haltbar sein. Eine alternative Energiequelle ist der Luftstrom (Wind). Für den Betrieb von Kraftwerken werden schnell fließende Flüsse und Gezeiten an den Ufern von Meeren und Ozeanen genutzt.

Sauerstoff kann wie andere Gase im vierten Aggregatzustand vorliegen und ein Plasma darstellen. Der ungewöhnliche Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand ist ein charakteristisches Merkmal von kristallinem Jod. Die dunkelviolette Substanz wird sublimiert – sie verwandelt sich unter Umgehung des flüssigen Zustands in ein Gas.

Wie erfolgen Übergänge von einer Aggregatform der Materie zu einer anderen?

Veränderungen im Aggregatzustand von Stoffen sind nicht mit chemischen Umwandlungen verbunden, es handelt sich um physikalische Phänomene. Mit zunehmender Temperatur schmelzen viele Feststoffe und werden flüssig. Eine weitere Temperaturerhöhung kann zur Verdunstung, also zum gasförmigen Zustand des Stoffes, führen. In Natur und Wirtschaft sind solche Übergänge charakteristisch für einen der Hauptstoffe der Erde. Eis, Flüssigkeit, Dampf sind Wasserzustände unter unterschiedlichen äußeren Bedingungen. Die Verbindung ist dieselbe, ihre Formel lautet H 2 O. Bei einer Temperatur von 0 °C und unterhalb dieses Wertes kristallisiert Wasser, also zu Eis. Mit steigender Temperatur werden die entstandenen Kristalle zerstört – das Eis schmilzt und es entsteht wieder flüssiges Wasser. Beim Erhitzen kommt es auch bei niedrigen Temperaturen zur Verdunstung – der Umwandlung von Wasser in Gas. Beispielsweise verschwinden gefrorene Pfützen nach und nach, weil das Wasser verdunstet. Auch bei frostigem Wetter trocknet nasse Wäsche, allerdings dauert dieser Vorgang länger als an einem heißen Tag.

Alle aufgeführten Übergänge des Wassers von einem Zustand in einen anderen sind für die Beschaffenheit der Erde von großer Bedeutung. Atmosphärische Phänomene, Klima und Wetter sind mit der Verdunstung von Wasser von der Oberfläche des Weltozeans, der Übertragung von Feuchtigkeit in Form von Wolken und Nebel an Land sowie Niederschlägen (Regen, Schnee, Hagel) verbunden. Diese Phänomene bilden die Grundlage des Weltwasserkreislaufs in der Natur.

Wie verändern sich die Aggregatzustände von Schwefel?

Unter normalen Bedingungen besteht Schwefel aus leuchtend glänzenden Kristallen oder hellgelbem Pulver, d. h. es handelt sich um eine feste Substanz. Der Aggregatzustand von Schwefel ändert sich beim Erhitzen. Steigt die Temperatur zunächst auf 190 °C, schmilzt die gelbe Substanz und verwandelt sich in eine bewegliche Flüssigkeit.

Wenn man flüssigen Schwefel schnell in kaltes Wasser gießt, erhält man eine braune, amorphe Masse. Bei weiterer Erwärmung der Schwefelschmelze wird diese immer zähflüssiger und dunkelt nach. Bei Temperaturen über 300 °C ändert sich der Aggregatzustand des Schwefels erneut, der Stoff nimmt die Eigenschaften einer Flüssigkeit an und wird beweglich. Diese Übergänge entstehen durch die Fähigkeit der Atome eines Elements, Ketten unterschiedlicher Länge zu bilden.

Warum können Stoffe in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorliegen?

Der Aggregatzustand von Schwefel, einer einfachen Substanz, ist unter normalen Bedingungen fest. Schwefeldioxid ist ein Gas, Schwefelsäure ist eine ölige Flüssigkeit, die schwerer als Wasser ist. Im Gegensatz zu Salz- und Salpetersäure ist es nicht flüchtig; Moleküle verdampfen nicht von seiner Oberfläche. Welchen Aggregatzustand hat plastischer Schwefel, der durch Erhitzen von Kristallen entsteht?

In seiner amorphen Form hat die Substanz die Struktur einer Flüssigkeit mit unbedeutender Fließfähigkeit. Aber gleichzeitig behält plastischer Schwefel seine Form (als Feststoff). Es gibt Flüssigkristalle, die eine Reihe charakteristischer Eigenschaften von Festkörpern aufweisen. Somit hängt der Zustand eines Stoffes unter verschiedenen Bedingungen von seiner Beschaffenheit, Temperatur, Druck und anderen äußeren Bedingungen ab.

Welche Merkmale gibt es in der Struktur von Festkörpern?

Die bestehenden Unterschiede zwischen den Grundaggregatzuständen der Materie werden durch die Wechselwirkung zwischen Atomen, Ionen und Molekülen erklärt. Warum führt beispielsweise der feste Zustand der Materie dazu, dass Körper Volumen und Form beibehalten können? Im Kristallgitter eines Metalls oder Salzes werden Strukturpartikel voneinander angezogen. In Metallen interagieren positiv geladene Ionen mit einem sogenannten „Elektronengas“, einer Ansammlung freier Elektronen in einem Metallstück. Salzkristalle entstehen durch die Anziehung entgegengesetzt geladener Teilchen – Ionen. Der Abstand zwischen den oben genannten Struktureinheiten von Feststoffen ist viel kleiner als die Größe der Partikel selbst. In diesem Fall wirkt die elektrostatische Anziehung, sie verleiht Kraft, aber die Abstoßung ist nicht stark genug.

Um den festen Aggregatzustand eines Stoffes zu zerstören, müssen Anstrengungen unternommen werden. Metalle, Salze und Atomkristalle schmelzen bei sehr hohen Temperaturen. Beispielsweise wird Eisen bei Temperaturen über 1538 °C flüssig. Wolfram ist feuerfest und wird zur Herstellung von Glühfäden für Glühbirnen verwendet. Es gibt Legierungen, die bei Temperaturen über 3000 °C flüssig werden. Viele auf der Erde befinden sich in einem festen Zustand. Die Gewinnung dieser Rohstoffe erfolgt technologisch in Bergwerken und Steinbrüchen.

Um auch nur ein einziges Ion aus einem Kristall zu trennen, muss viel Energie aufgewendet werden. Es genügt jedoch, Salz in Wasser aufzulösen, damit sich das Kristallgitter auflöst! Dieses Phänomen wird durch die erstaunlichen Eigenschaften von Wasser als polares Lösungsmittel erklärt. H 2 O-Moleküle interagieren mit Salzionen und zerstören die chemische Bindung zwischen ihnen. Bei der Auflösung handelt es sich also nicht um eine einfache Vermischung verschiedener Stoffe, sondern um eine physikalisch-chemische Wechselwirkung zwischen ihnen.

Wie interagieren flüssige Moleküle?

Wasser kann flüssig, fest und gasförmig (Dampf) sein. Dies sind seine grundlegenden Aggregatzustände unter normalen Bedingungen. Wassermoleküle bestehen aus einem Sauerstoffatom, an das zwei Wasserstoffatome gebunden sind. Es kommt zu einer Polarisation der chemischen Bindung im Molekül und es entsteht eine teilweise negative Ladung an den Sauerstoffatomen. Wasserstoff wird zum positiven Pol im Molekül und wird vom Sauerstoffatom eines anderen Moleküls angezogen. Dies wird als „Wasserstoffbrückenbindung“ bezeichnet.

Der flüssige Aggregatzustand ist durch Abstände zwischen Strukturpartikeln gekennzeichnet, die ihrer Größe entsprechen. Anziehung existiert, aber sie ist schwach, sodass das Wasser seine Form nicht behält. Die Verdampfung erfolgt aufgrund der Zerstörung von Bindungen, die bereits bei Raumtemperatur auf der Oberfläche der Flüssigkeit auftritt.

Gibt es in Gasen intermolekulare Wechselwirkungen?

Der gasförmige Zustand eines Stoffes unterscheidet sich in einer Reihe von Parametern vom flüssigen und festen Zustand. Zwischen den Strukturpartikeln von Gasen gibt es große Lücken, die viel größer sind als die Größe von Molekülen. In diesem Fall wirken die Anziehungskräfte überhaupt nicht. Der gasförmige Aggregatzustand ist charakteristisch für die in der Luft vorhandenen Stoffe: Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid. Im Bild unten ist der erste Würfel mit Gas gefüllt, der zweite mit Flüssigkeit und der dritte mit Feststoff.

Viele Flüssigkeiten sind flüchtig; Moleküle des Stoffes lösen sich von ihrer Oberfläche und gelangen in die Luft. Wenn man beispielsweise ein in Ammoniak getränktes Wattestäbchen an die Öffnung einer offenen Flasche Salzsäure hält, entsteht weißer Rauch. Direkt in der Luft findet eine chemische Reaktion zwischen Salzsäure und Ammoniak statt, bei der Ammoniumchlorid entsteht. In welchem ​​Aggregatzustand befindet sich dieser Stoff? Seine Partikel, die weißen Rauch bilden, sind winzige feste Salzkristalle. Dieses Experiment muss unter einer Haube durchgeführt werden, da die Substanzen giftig sind.

Abschluss

Der Aggregatzustand von Gas wurde von vielen herausragenden Physikern und Chemikern untersucht: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendeleev, Le Chatelier. Wissenschaftler haben Gesetze formuliert, die das Verhalten gasförmiger Stoffe bei chemischen Reaktionen erklären, wenn sich äußere Bedingungen ändern. Offene Muster fanden nicht nur Eingang in Schul- und Universitätslehrbücher zu Physik und Chemie. Viele chemische Industrien basieren auf Erkenntnissen über das Verhalten und die Eigenschaften von Stoffen in verschiedenen Aggregatzuständen.

Chemie

ANORGANISCHE CHEMIE. ELEMENTE UND IHRE VERBINDUNGEN

7. Kohlenstoff

Eigenschaften 6 C.

Atommasse		Clarke, at.% (Vorkommen in der Natur)
Elektronische Konfiguration*		Aggregatzustand	solide
			Diamant – farblos Graphit - Grau
Ionisationsenergie			5000 (Diamant)
Relative Elektro- Negativität		Dichte	Diamant – 3,51 Graphit – 2,2
Mögliche Oxidationsstufen		Standardelektrodenpotential

*Die Konfiguration der externen elektronischen Niveaus des Atoms eines Elements wird angezeigt. Die Konfiguration der verbleibenden elektronischen Niveaus stimmt mit der des Edelgases überein, das die vorherige Periode abschließt, und ist in Klammern angegeben.

Kohlenstoffisotope.

Kohlenstoff hat zwei stabile Isotope: 12 C (98,892 %) und 13 C (1,108 %). Das radioaktive Isotop von Kohlenstoff ist sehr wichtig 14 C, emittiert B-Strahlen mit einer Halbwertszeit T 1/2 = 5570 Jahre. Mithilfe der Radiokarbondatierung durch Bestimmung der Isotopenkonzentration 14 Wissenschaftler konnten das Alter kohlenstoffhaltiger Gesteine, archäologischer Funde und geologischer Ereignisse ziemlich genau datieren.

In der Natur sein. In der Natur kommt Kohlenstoff in Form von Diamant, Karabiner und Graphit sowie in Verbindungen vor – in Form von Kohle, Braunkohle und Öl. Bestandteil natürlicher Karbonate: Kalkstein, Marmor, Kreide

CaCO 3 , Dolomit CaCO 3 H MgCO 3. Es ist ein wichtiger Bestandteil organischer Substanzen.

Physikalische Eigenschaften. Ein Kohlenstoffatom hat 6 Elektronen, von denen 2 die innere Schicht bilden

(1s 2), a 4 - extern (2s 2 2p 2 ). Die Bindungen von Kohlenstoff an andere Elemente sind überwiegend kovalent. Die übliche Wertigkeit von Kohlenstoff ist IV. Eine bemerkenswerte Eigenschaft von Kohlenstoffatomen ist ihre Fähigkeit, sich untereinander zu starken langen Ketten zu verbinden, auch zu geschlossenen. Die Zahl solcher Verbindungen ist enorm, sie alle bilden das Thema organische Chemie .

Der Unterschied in den allotropen Modifikationen von Kohlenstoff ist ein eindrucksvolles Beispiel für den Einfluss der Kristallstruktur von Festkörpern auf ihre physikalischen Eigenschaften. IN Graphit Kohlenstoffatome befinden sich in einem Zustand

sp 2 - Hybridisierung und sind in parallelen Schichten angeordnet und bilden ein hexagonales Netzwerk. Innerhalb einer Schicht sind Atome viel stärker gebunden als zwischen Schichten, daher variieren die Eigenschaften von Graphit in verschiedene Richtungen stark. Daher ist die Delaminierungsfähigkeit von Graphit mit dem Aufbrechen schwächerer Zwischenschichtbindungen entlang der Gleitebenen verbunden.

Bei sehr hohen Drücken und Erhitzen ohne Luftzugang, künstlich Diamant. In einem Diamantkristall befinden sich Kohlenstoffatome in einem Zustand

S. 3 -Hybridisierung, und daher sind alle Bindungen gleichwertig und sehr stark. Die Atome bilden ein zusammenhängendes dreidimensionales Gerüst. Diamant ist die härteste Substanz, die in der Natur vorkommt.

Weniger bekannt sind zwei weitere Allotrope des Kohlenstoffs – Karabiner Und Fulleren

Chemische Eigenschaften. Typisch ist Kohlenstoff im freien Zustand Reduktionsmittel. Wenn es durch Sauerstoff im Luftüberschuss oxidiert wird, entsteht Kohlenmonoxid (IV):

bei Mangel - in Kohlenmonoxid (II):

Beide Reaktionen sind stark exotherm.

Wenn Kohlenstoff in einer Atmosphäre erhitzt wird, entsteht Kohlenmonoxid (IV). Kohlenmonoxid:

Kohlenstoff reduziert viele Metalle aus ihren Oxiden:

So kommt es zu Reaktionen mit Oxiden von Cadmium, Kupfer und Blei. Wenn Kohlenstoff mit Oxiden von Erdalkalimetallen, Aluminium und einigen anderen Metallen interagiert, Karbide:

Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass aktive Metalle stärkere Reduktionsmittel als Kohlenstoff sind und sich daher beim Erhitzen Metalle bilden oxidierenüberschüssiger Kohlenstoff, gebend Karbide:

Kohlenmonoxid (II).

Bei unvollständiger Oxidation von Kohlenstoff entsteht Kohlenmonoxid (II) CO - Kohlenmonoxid. Es ist in Wasser schlecht löslich. Der formale Oxidationszustand von Kohlenstoff 2+ spiegelt nicht die Struktur des CO-Moleküls wider. Im CO-Molekül gibt es zusätzlich zu der Doppelbindung, die durch die gemeinsame Nutzung von Kohlenstoff- und Sauerstoffelektronen entsteht, eine zusätzliche dritte Bindung (dargestellt durch einen Pfeil), die nach dem Donor-Akzeptor-Mechanismus aufgrund des einsamen Sauerstoffelektronenpaars gebildet wird :

In dieser Hinsicht ist das CO-Molekül äußerst stark. Kohlenmonoxid (II) ist nicht salzbildend und reagiert unter normalen Bedingungen nicht mit Wasser, Säuren und Laugen. Bei erhöhten Temperaturen neigt es zu Additions- und Oxidations-Reduktions-Reaktionen. In der Luft verbrennt CO mit blauer Flamme:

Es reduziert Metalle aus ihren Oxiden:

Bei Bestrahlung mit direktem Sonnenlicht oder in Gegenwart von Katalysatoren verbindet sich CO mit

Cl2 , bildend Phosgen - extrem giftiges Gas:

Kohlenmonoxid (II) kommt in der Natur praktisch nie vor.

Es kann bei der Dehydratisierung von Ameisensäure (Laborherstellungsmethode) entstehen:

Basierend auf der letzten Transformation rein formal kann als CO betrachtet werden Anhydrid, Ameisensäure. Dies wird durch die folgende Reaktion bestätigt, die abläuft, wenn CO unter hohem Druck in eine geschmolzene Lauge eingeleitet wird:

Übergangsmetallcarbonyle.

Bei vielen Metallen bildet sich CO flüchtig Carbonyle:

Kovalente Bindung

Ni- C im Nickelcarbonylmolekül wird durch einen Donor-Akzeptor-Mechanismus gebildet, wobei sich die Elektronendichte vom Kohlenstoffatom zum Nickelatom verschiebt. Der Anstieg der negativen Ladung am Metallatom wird durch die Beteiligung seiner d-Elektronen an der Bindung kompensiert, sodass die Oxidationsstufe des Metalls 0 ist. Beim Erhitzen zerfallen Metallcarbonyle in Metall und Kohlenoxid (II). Wird zur Gewinnung hochreiner Metalle verwendet.

Kohlenmonoxid (IV). Kohlenmonoxid (IV) ist Kohlensäureanhydrid H

2 CO 3 und hat alle Eigenschaften von Säureoxiden.

Beim Auflösen

CO2 In Wasser entsteht teilweise Kohlensäure, in der Lösung herrscht folgendes Gleichgewicht:

Das Vorhandensein eines Gleichgewichts wird dadurch erklärt, dass Kohlensäure eine sehr schwache Säure ist (K

1 = 4H 10 -7, K 2 = 5H 10 -11bei 25 °C). Kohlensäure ist in ihrer freien Form unbekannt, da sie instabil ist und sich leicht zersetzt.Kohlensäure. In einem Kohlensäuremolekül sind Wasserstoffatome an Sauerstoffatome gebunden:

Da es zweibasisch ist, dissoziiert es schrittweise. Kohlensäure ist ein schwacher Elektrolyt.

Kohlensäure bildet als zweibasische Säure mittlere Salze - Carbonate und saure Salze - Hydrogencarbonate. Eine qualitative Reaktion auf diese Salze ist die Einwirkung starker Säuren auf sie. Bei dieser Reaktion wird Kohlensäure aus ihren Salzen verdrängt und zersetzt sich unter Freisetzung Kohlendioxid:

Salze der Kohlensäure.

Von den Salzen der Kohlensäure hat Natron Na 2 CO 3 die größte praktische Bedeutung . Dieses Salz bildet mehrere kristalline Hydrate, von denen das stabilste ist Na 2 CO 3 H 10H 2 O(kristallines Soda). Beim Kalzinieren von kristalliner Soda wird wasserfreies Soda erhalten, bzw Soda Na 2 CO 3 . Auch weit verbreitet Backpulver NaH CO 3 . Von den Salzen anderer Metalle sind folgende wichtig: K 2 CO 3 ( Pottasche)– weißes Pulver, gut wasserlöslich, kommt in Pflanzenasche vor und wird zur Herstellung von Flüssigseife, optischem feuerfestem Glas und Pigmenten verwendet; Ca CO 3 (Kalkstein)– kommen in der Natur in Form von Marmor, Kreide und Kalkstein vor und werden im Bauwesen verwendet. Daraus werden Kalk und Kohlenmonoxid gewonnen ( IV).

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KOHLENSTOFF, C, chemisches Element der Gruppe IV des Periodensystems, Atomgewicht 12,00, Ordnungszahl 6. Bis vor Kurzem galt Kohlenstoff als isotopenfrei; Erst kürzlich ist es mit besonders empfindlichen Methoden gelungen, die Existenz des C 13-Isotops nachzuweisen. Kohlenstoff ist eines der wichtigsten Elemente im Hinblick auf seine Verbreitung, die Anzahl und Vielfalt seiner Verbindungen, seine biologische Bedeutung (als Organogen), die umfassende technische Nutzung von Kohlenstoff selbst und seinen Verbindungen (als Rohstoffe und als Quelle für Kohlenstoff). Energie für den Industrie- und Haushaltsbedarf) und schließlich im Hinblick auf seine Rolle bei der Entwicklung der chemischen Wissenschaft. Kohlenstoff im freien Zustand weist ein ausgeprägtes Phänomen der Allotropie auf, das seit mehr als anderthalb Jahrhunderten bekannt, aber immer noch nicht vollständig erforscht ist, sowohl wegen der extremen Schwierigkeit, Kohlenstoff in chemisch reiner Form zu erhalten, als auch wegen der meisten Konstanten von Allotrope Kohlenstoffmodifikationen variieren stark in Abhängigkeit von den morphologischen Merkmalen ihrer Struktur, die durch die Produktionsmethode und -bedingungen bestimmt werden.

Kohlenstoff bildet zwei kristalline Formen – Diamant und Graphit – und ist auch im amorphen Zustand in der sogenannten Form bekannt. amorphe Kohle. Die Individualität des letzteren ist aufgrund neuerer Forschungen umstritten: Kohle wurde mit Graphit identifiziert, wobei beide als morphologische Varianten derselben Form – „schwarzer Kohlenstoff“ – betrachtet wurden, und der Unterschied in ihren Eigenschaften wurde durch die physikalische Struktur und den Grad erklärt der Ausbreitung des Stoffes. In jüngster Zeit liegen jedoch Fakten vor, die die Existenz von Kohle als besondere allotrope Form bestätigen (siehe unten).

Natürliche Kohlenstoffquellen und -vorräte. Gemessen an der Häufigkeit in der Natur steht Kohlenstoff unter den Elementen an zehnter Stelle und macht 0,013 % der Atmosphäre, 0,0025 % der Hydrosphäre und etwa 0,35 % der Gesamtmasse der Erdkruste aus. Der größte Teil des Kohlenstoffs liegt in Form von Sauerstoffverbindungen vor: Die atmosphärische Luft enthält etwa 800 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von CO 2 -Dioxid; im Wasser der Ozeane und Meere – bis zu 50.000 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von CO 2, Kohlensäureionen und Bikarbonaten; in Gesteinen - unlösliche Carbonate (Kalzium, Magnesium und andere Metalle), und allein der Anteil von CaCO 3 macht ~160·10 6 Milliarden Tonnen Kohlenstoff aus. Diese kolossalen Reserven stellen jedoch keinen Energiewert dar; viel wertvoller sind brennbare kohlenstoffhaltige Materialien – fossile Kohlen, Torf, dann Öl, Kohlenwasserstoffgase und andere natürliche Bitumen. Auch die Reserve dieser Stoffe in der Erdkruste ist recht bedeutend: Die Gesamtkohlenstoffmasse in fossilen Kohlen erreicht ~6000 Milliarden Tonnen, in Öl ~10 Milliarden Tonnen usw. Im freien Zustand ist Kohlenstoff recht selten (Diamant und teilweise). der Graphitsubstanz). Fossile Kohlen enthalten fast oder keinen freien Kohlenstoff: Sie bestehen aus ch. arr. hochmolekulare (polyzyklische) und sehr stabile Verbindungen von Kohlenstoff mit anderen Elementen (H, O, N, S) sind noch sehr wenig untersucht. Kohlenstoffverbindungen der belebten Natur (der Biosphäre des Globus), die in pflanzlichen und tierischen Zellen synthetisiert werden, zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Vielfalt an Eigenschaften und Zusammensetzungsmengen aus; Auch die häufigsten Stoffe der Pflanzenwelt – Ballaststoffe und Lignin – spielen als Energieressourcen eine Rolle.

Dank eines kontinuierlichen Kreislaufs bleibt Kohlenstoff in der Natur konstant verteilt. Der Kreislauf besteht aus der Synthese komplexer organischer Substanzen in pflanzlichen und tierischen Zellen und dem umgekehrten Zerfall dieser Substanzen während ihrer oxidativen Zersetzung (Verbrennung, Zerfall, Atmung). zur Bildung von CO 2, das wiederum Pflanzen zur Synthese nutzen. Das allgemeine Schema dieses Zyklus könnte sein in folgender Form dargestellt:

Kohlenstoffproduktion. Kohlenstoffhaltige Verbindungen pflanzlichen und tierischen Ursprungs sind bei hohen Temperaturen instabil und zersetzen sich, wenn sie ohne Luftzugang auf mindestens 150–400 °C erhitzt werden, wobei Wasser und flüchtige Kohlenstoffverbindungen freigesetzt werden und ein fester, nichtflüchtiger, kohlenstoffreicher Rückstand zurückbleibt Kohle genannt. Dieser pyrolytische Prozess wird als Verkohlung oder Trockendestillation bezeichnet und ist in der Technik weit verbreitet. Die Hochtemperaturpyrolyse von fossilen Kohlen, Öl und Torf (bei einer Temperatur von 450–1150 °C) führt zur Freisetzung von Kohlenstoff in Graphitform (Koks, Retortenkohle). Je höher die Verkohlungstemperatur der Ausgangsmaterialien ist, desto näher ist die resultierende Kohle oder der Koks in ihrer Zusammensetzung dem freien Kohlenstoff und in ihren Eigenschaften dem Graphit.

Amorphe Kohle, die bei Temperaturen unter 800 °C entsteht, kann dies nicht. wir betrachten es als freien Kohlenstoff, da es erhebliche Mengen chemisch gebundener anderer Elemente enthält, Ch. arr. Wasserstoff und Sauerstoff. Von den technischen Produkten kommen Aktivkohle und Ruß in ihren Eigenschaften dem amorphen Kohlenstoff am nächsten. Die reinste Kohle kann sein gewonnen durch Verkohlung von reinem Zucker oder Piperonal, spezielle Behandlung von Gasruß usw. Künstlicher Graphit, der auf elektrothermischem Wege gewonnen wird, besteht in seiner Zusammensetzung aus nahezu reinem Kohlenstoff. Naturgraphit ist immer mit mineralischen Verunreinigungen verunreinigt und enthält zudem einen gewissen Anteil an gebundenem Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O); In einem relativ reinen Zustand könnte es sein. wird erst nach einer Reihe spezieller Behandlungen gewonnen: mechanische Anreicherung, Waschen, Behandlung mit Oxidationsmitteln und Kalzinierung bei hohen Temperaturen, bis flüchtige Stoffe vollständig entfernt sind. In der Kohlenstofftechnologie handelt es sich nie um völlig reinen Kohlenstoff; Dies gilt nicht nur für natürliche Kohlenstoffrohstoffe, sondern auch für die Produkte ihrer Anreicherung, Veredelung und thermischen Zersetzung (Pyrolyse). Nachfolgend finden Sie den Kohlenstoffgehalt einiger kohlenstoffhaltiger Materialien (in %):

Physikalische Eigenschaften von Kohlenstoff. Freier Kohlenstoff ist fast vollständig unschmelzbar, nichtflüchtig und bei normalen Temperaturen in keinem der bekannten Lösungsmittel löslich. Es löst sich nur in einigen geschmolzenen Metallen, insbesondere bei Temperaturen nahe deren Siedepunkt: in Eisen (bis zu 5 %), Silber (bis zu 6 %) | Ruthenium (bis zu 4 %), Kobalt, Nickel, Gold und Platin. In Abwesenheit von Sauerstoff ist Kohlenstoff das hitzebeständigste Material; Der flüssige Zustand von reinem Kohlenstoff ist unbekannt und seine Umwandlung in Dampf beginnt erst bei Temperaturen über 3000 °C. Daher wurde die Bestimmung der Eigenschaften von Kohlenstoff ausschließlich für den festen Aggregatzustand durchgeführt. Von den Kohlenstoffmodifikationen weist Diamant die konstantesten physikalischen Eigenschaften auf; die Eigenschaften von Graphit in seinen verschiedenen Proben (selbst den reinsten) variieren erheblich; Die Eigenschaften amorpher Kohle sind noch vielfältiger. In der Tabelle sind die wichtigsten physikalischen Konstanten verschiedener Kohlenstoffmodifikationen gegenübergestellt.

Diamant ist ein typisches Dielektrikum, während Graphit und Kohlenstoff metallische elektrische Leitfähigkeit aufweisen. In absoluten Werten schwankt ihre Leitfähigkeit in einem sehr weiten Bereich, bei Kohlen ist sie jedoch immer niedriger als bei Graphiten; in Graphiten kommt die Leitfähigkeit echten Metallen nahe. Die Wärmekapazität aller Kohlenstoffmodifikationen tendiert bei Temperaturen >1000°C zu einem konstanten Wert von 0,47. Bei Temperaturen unter -180 °C wird die Wärmekapazität von Diamant verschwindend gering und bei -27 °C geht sie praktisch gegen Null.

Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff. Beim Erhitzen auf über 1000 °C wandeln sich sowohl Diamant als auch Kohle allmählich in Graphit um, der daher als die stabilste (bei hohen Temperaturen) monotrope Form von Kohlenstoff angesehen werden sollte. Die Umwandlung von amorpher Kohle in Graphit beginnt offenbar bei etwa 800 °C und endet bei 1100 °C (an diesem letzten Punkt verliert Kohle ihre Adsorptionsaktivität und Fähigkeit zur Reaktivierung und ihre elektrische Leitfähigkeit steigt stark an und bleibt in der Zukunft nahezu konstant). Freier Kohlenstoff zeichnet sich durch Inertheit bei normalen Temperaturen und erhebliche Aktivität bei hohen Temperaturen aus. Amorphe Kohle ist chemisch am aktivsten, während Diamant am widerstandsfähigsten ist. Beispielsweise reagiert Fluor mit Kohle bei einer Temperatur von 15 °C, mit Graphit erst bei 500 °C und mit Diamant bei 700 °C. Beim Erhitzen an der Luft beginnt poröse Kohle bei unter 100 °C zu oxidieren, Graphit bei etwa 650 °C und Diamant bei über 800 °C. Bei Temperaturen ab 300 °C verbindet sich Kohle mit Schwefel zu Schwefelkohlenstoff CS 2. Bei Temperaturen über 1800 °C beginnt Kohlenstoff (Kohle) mit Stickstoff zu interagieren und bildet (in geringen Mengen) Cyanogen C 2 N 2. Die Wechselwirkung von Kohlenstoff mit Wasserstoff beginnt bei 1200 °C und im Temperaturbereich von 1200–1500 °C entsteht ausschließlich Methan CH 4; über 1500°C – eine Mischung aus Methan, Ethylen (C 2 H 4) und Acetylen (C 2 H 2); Bei Temperaturen in der Größenordnung von 3000 °C wird fast ausschließlich Acetylen gewonnen. Bei der Temperatur des Lichtbogens geht Kohlenstoff eine direkte Verbindung mit Metallen, Silizium und Bor ein und bildet die entsprechenden Karbide. Direkte oder indirekte Wege können möglich sein. Es wurden Verbindungen des Kohlenstoffs mit allen bekannten Elementen erhalten, mit Ausnahme von Gasen der Nullgruppe. Kohlenstoff ist ein nichtmetallisches Element, das einige Anzeichen von Amphoterität aufweist. Das Kohlenstoffatom hat einen Durchmesser von 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) und enthält in der äußeren Kugel 4 Valenzelektronen, die ebenso leicht abgegeben oder zu 8 addiert werden können; Daher beträgt die normale Wertigkeit von Kohlenstoff, sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff, vier. In den allermeisten seiner Verbindungen ist Kohlenstoff vierwertig; Es sind nur wenige Verbindungen aus zweiwertigem Kohlenstoff (Kohlenmonoxid und seine Acetale, Isonitrile, Fulminatsäure und ihre Salze) und dreiwertigem Kohlenstoff (das sogenannte „freie Radikal“) bekannt.

Kohlenstoff bildet mit Sauerstoff zwei normale Oxide: saures Kohlendioxid CO 2 und neutrales Kohlenmonoxid CO. Darüber hinaus gibt es eine Reihe Kohlenstoffsuboxide mehr als 1 C-Atom enthalten und keine technische Bedeutung haben; Das bekannteste davon ist das Suboxid der Zusammensetzung C 3 O 2 (ein Gas mit einem Siedepunkt von +7 °C und einem Schmelzpunkt von -111 °C). Das erste Produkt der Verbrennung von Kohlenstoff und seinen Verbindungen ist CO 2, das nach der Gleichung entsteht:

C+O 2 = CO 2 +97600 cal.

Die Bildung von CO bei unvollständiger Verbrennung von Kraftstoff ist das Ergebnis eines sekundären Reduktionsprozesses; Das Reduktionsmittel ist in diesem Fall Kohlenstoff selbst, der bei Temperaturen über 450 °C mit CO 2 nach der Gleichung reagiert:

CO 2 +C = 2СО -38800 cal;

diese Reaktion ist reversibel; Oberhalb von 950 °C ist die Umwandlung von CO 2 in CO nahezu vollständig, was in gaserzeugenden Öfen erfolgt. Die energetische Reduktionsfähigkeit von Kohlenstoff bei hohen Temperaturen wird auch bei der Herstellung von Wassergas (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) und in metallurgischen Prozessen genutzt, um aus seinem Oxid freies Metall zu gewinnen. Allotrope Formen von Kohlenstoff reagieren unterschiedlich auf die Wirkung einiger Oxidationsmittel: Beispielsweise hat eine Mischung aus KCIO 3 + HNO 3 auf Diamant überhaupt keine Wirkung, amorphe Kohle wird vollständig zu CO 2 oxidiert, während Graphit aromatische Verbindungen – Graphitsäuren – erzeugt mit der Summenformel (C 2 OH) x aufwärts Mellitsäure C 6 (COOH) 6 . Verbindungen von Kohlenstoff mit Wasserstoff – Kohlenwasserstoffe – sind äußerst zahlreich; Aus ihnen werden die meisten anderen organischen Verbindungen genetisch hergestellt, zu denen neben Kohlenstoff am häufigsten H, O, N, S und Halogene gehören.

Die außergewöhnliche Vielfalt organischer Verbindungen, von denen bis zu 2 Millionen bekannt sind, ist auf bestimmte Eigenschaften des Elements Kohlenstoff zurückzuführen. 1) Kohlenstoff zeichnet sich durch eine starke chemische Bindung mit den meisten anderen Elementen aus, sowohl metallischen als auch nichtmetallischen, wodurch er mit beiden relativ stabile Verbindungen eingeht. Bei der Verbindung mit anderen Elementen neigt Kohlenstoff kaum dazu, Ionen zu bilden. Die meisten organischen Verbindungen sind homöopolar und dissoziieren unter normalen Bedingungen nicht. Das Aufbrechen intramolekularer Bindungen in ihnen erfordert oft einen erheblichen Energieaufwand. Bei der Beurteilung der Stärke von Verbindungen sollte man allerdings unterscheiden; a) absolute Bindungsstärke, thermochemisch gemessen, und b) die Fähigkeit der Bindung, unter dem Einfluss verschiedener Reagenzien aufzubrechen; Diese beiden Merkmale stimmen nicht immer überein. 2) Kohlenstoffatome verbinden sich außergewöhnlich leicht miteinander (unpolar) und bilden offene oder geschlossene Kohlenstoffketten. Die Länge solcher Ketten unterliegt offenbar keinen Beschränkungen; So sind recht stabile Moleküle mit offenen Ketten aus 64 Kohlenstoffatomen bekannt. Die Länge und Komplexität offener Ketten hat keinen Einfluss auf die Stärke der Verbindung ihrer Glieder untereinander oder mit anderen Elementen. Unter geschlossenen Ketten bilden sich am leichtesten 6- und 5-gliedrige Ringe, obwohl auch Ringketten mit 3 bis 18 Kohlenstoffatomen bekannt sind. Die Fähigkeit von Kohlenstoffatomen, sich gut zu verbinden, erklärt die besonderen Eigenschaften von Graphit und den Mechanismus von Verkohlungsprozessen; Es verdeutlicht auch die Tatsache, dass Kohlenstoff in Form zweiatomiger C 2 -Moleküle unbekannt ist, was in Analogie zu anderen leichten nichtmetallischen Elementen zu erwarten wäre (in Dampfform besteht Kohlenstoff aus einatomigen Molekülen). 3) Aufgrund der unpolaren Natur der Bindungen weisen viele Kohlenstoffverbindungen nicht nur äußerlich (Langsamkeit der Reaktion), sondern auch innerlich (Schwierigkeit intramolekularer Umlagerungen) chemische Inertheit auf. Das Vorhandensein großer „passiver Widerstände“ erschwert die spontane Umwandlung instabiler Formen in stabile Formen erheblich und reduziert häufig die Geschwindigkeit einer solchen Umwandlung auf Null. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, eine große Zahl isomerer Formen zu realisieren, die bei gewöhnlichen Temperaturen nahezu gleich stabil sind.

Allotropie und Atomstruktur von Kohlenstoff . Durch die Röntgenanalyse konnte die atomare Struktur von Diamant und Graphit zuverlässig ermittelt werden. Dieselbe Forschungsmethode beleuchtete die Frage nach der Existenz einer dritten allotropen Modifikation von Kohlenstoff, bei der es im Wesentlichen um die Amorphität oder Kristallinität von Kohle geht: Wenn Kohle eine amorphe Formation ist, dann kann sie das nicht. weder mit Graphit noch mit Diamant identifiziert, sondern muss als Sonderform des Kohlenstoffs, als einzelner einfacher Stoff betrachtet werden. Im Diamant sind Kohlenstoffatome so angeordnet, dass jedes Atom im Zentrum eines Tetraeders liegt, dessen Eckpunkte aus 4 benachbarten Atomen bestehen; jedes dieser letzteren ist wiederum das Zentrum eines anderen ähnlichen Tetraeders; die Abstände zwischen benachbarten Atomen betragen 1,54 Ᾰ (die Kante eines Elementarwürfels des Kristallgitters beträgt 3,55 Ᾰ). Diese Struktur ist die kompakteste; es entspricht der hohen Härte, Dichte und chemischen Inertheit von Diamant (gleichmäßige Verteilung der Valenzkräfte). Die gegenseitige Verbindung der Kohlenstoffatome im Diamantgitter ist die gleiche wie in den Molekülen der meisten organischen Verbindungen der Fettreihe (tetraedrisches Kohlenstoffmodell). In Graphitkristallen sind Kohlenstoffatome in dichten Schichten mit einem Abstand von 3,35–3,41 Ᾰ voneinander angeordnet; Die Richtung dieser Schichten stimmt mit den Spaltungs- und Gleitebenen bei mechanischen Verformungen überein. In der Ebene jeder Schicht bilden die Atome ein Gitter mit sechseckigen Zellen (Unternehmen); Die Seitenlänge eines solchen Sechsecks beträgt 1,42–1,45 Ᾰ. In benachbarten Schichten liegen die Sechsecke nicht untereinander: Ihre vertikale Übereinstimmung wiederholt sich erst nach 2 Schichten in der dritten. Die drei Bindungen jedes Kohlenstoffatoms liegen in derselben Ebene und bilden Winkel von 120°; Die 4. Bindung ist abwechselnd in die eine oder andere Richtung von der Ebene zu den Atomen benachbarter Schichten gerichtet. Die Abstände zwischen Atomen in einer Schicht sind streng konstant, der Abstand zwischen einzelnen Schichten kann jedoch konstant sein durch äußere Einflüsse verändert: Beispielsweise sinkt er beim Pressen unter Druck bis 5000 atm auf 2,9 Ᾰ, beim Aufquellen von Graphit in konzentrierter HNO 3 steigt er auf 8 Ᾰ. In der Ebene einer Schicht sind Kohlenstoffatome homöopolar gebunden (wie in Kohlenwasserstoffketten), aber die Bindungen zwischen Atomen benachbarter Schichten sind eher metallischer Natur; Dies lässt sich daran erkennen, dass die elektrische Leitfähigkeit von Graphitkristallen in Richtung senkrecht zu den Schichten etwa 100-mal höher ist als die Leitfähigkeit in Richtung der Schicht. Das. Graphit hat in der einen Richtung die Eigenschaften eines Metalls und in der anderen die Eigenschaften eines Nichtmetalls. Die Anordnung der Kohlenstoffatome in jeder Schicht des Graphitgitters ist genau die gleiche wie in den Molekülen komplexer Kernaromaten. Diese Konfiguration erklärt gut die starke Anisotropie von Graphit, die außergewöhnlich entwickelte Spaltung, die Gleiteigenschaften und die Bildung aromatischer Verbindungen während seiner Oxidation. Die amorphe Modifikation des Rußes existiert offenbar als eigenständige Form (O. Ruff). Am wahrscheinlichsten ist eine schaumartige Zellstruktur ohne jegliche Regelmäßigkeit; Die Wände solcher Zellen bestehen aus Schichten aktiver Atome Kohlenstoff etwa 3 Atome dick. In der Praxis liegt die aktive Substanz der Kohle meist unter einer Hülle aus eng beieinander liegenden inaktiven Kohlenstoffatomen, die graphitisch ausgerichtet sind, und wird von Einschlüssen sehr kleiner Graphitkristallite durchdrungen. Es gibt wahrscheinlich keinen bestimmten Punkt der Umwandlung von Kohle → Graphit: Zwischen beiden Modifikationen gibt es einen kontinuierlichen Übergang, bei dem die zufällig zusammengedrängte Masse der C-Atome der amorphen Kohle in ein regelmäßiges Kristallgitter aus Graphit umgewandelt wird. Aufgrund ihrer zufälligen Anordnung weisen Kohlenstoffatome in amorpher Kohle eine maximale Restaffinität auf, die (nach Langmuirs Vorstellungen über die Identität von Adsorptionskräften und Valenzkräften) der für Kohle charakteristischen hohen Adsorptions- und katalytischen Aktivität entspricht. Im Kristallgitter ausgerichtete Kohlenstoffatome nutzen ihre gesamte Affinität (im Diamant) oder den größten Teil (im Graphit) für die gegenseitige Adhäsion; Dies entspricht einer Abnahme der chemischen Aktivität und der Adsorptionsaktivität. Bei Diamant ist die Adsorption nur auf der Oberfläche eines Einkristalls möglich, während bei Graphit Restvalenz auf beiden Oberflächen jedes flachen Gitters (in den „Rissen“ zwischen Atomschichten) auftreten kann, was durch die Tatsache bestätigt wird, dass Graphit kann in Flüssigkeiten aufquellen (HNO 3) und der Mechanismus seiner Oxidation zu Graphitsäure.

Technische Bedeutung von Kohlenstoff. Was b betrifft. oder m. freier Kohlenstoff, der bei den Prozessen der Verkohlung und Verkokung anfällt, dann basiert seine Verwendung in der Technologie sowohl auf seinen chemischen (Inertheit, Reduktionsfähigkeit) als auch auf seinen physikalischen Eigenschaften (Hitzebeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Adsorptionskapazität). So werden Koks und Holzkohle neben ihrer teilweisen direkten Nutzung als flammenloser Brennstoff auch zur Herstellung gasförmiger Brennstoffe (Generatorgase) eingesetzt; in der Metallurgie von Eisen- und Nichteisenmetallen – zur Reduktion von Metalloxiden (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); in der chemischen Technik – als Reduktionsmittel bei der Herstellung von Sulfiden (Na, Ca, Ba) aus Sulfaten, wasserfreien Chloridsalzen (Mg, Al), aus Metalloxiden, bei der Herstellung von löslichem Glas und Phosphor – als Rohstoff für die Herstellung von Kalziumkarbid, Karborund und anderen Karbiden, Schwefelkohlenstoff usw.; in der Bauindustrie - als Wärmedämmstoff. Retortenkohle und Koks dienen als Materialien für Elektroden von Elektroöfen, Elektrolysebädern und galvanischen Zellen, zur Herstellung von Lichtbogenkohlen, Rheostaten, Kommutatorbürsten, Schmelztiegeln usw. sowie als Düse in turmartigen chemischen Anlagen. Zusätzlich zu den oben genannten Anwendungen wird Holzkohle zur Herstellung von konzentriertem Kohlenmonoxid, Zyanidsalzen, zur Zementierung von Stahl verwendet, wird häufig als Adsorptionsmittel und Katalysator für einige synthetische Reaktionen verwendet und ist schließlich in Schwarzpulver und anderen Sprengstoffen enthalten und pyrotechnische Kompositionen.

Analytische Bestimmung von Kohlenstoff. Die qualitative Bestimmung von Kohlenstoff erfolgt durch Verkohlung einer Stoffprobe ohne Luftzugang (was nicht für alle Stoffe geeignet ist) oder, was viel zuverlässiger ist, durch erschöpfende Oxidation, beispielsweise durch Kalzinierung im Gemisch mit Kupferoxid, und die Bildung von CO 2 wird durch gewöhnliche Reaktionen nachgewiesen. Zur Quantifizierung von Kohlenstoff wird eine Probe des Stoffes in einer Sauerstoffatmosphäre verbrannt; Das entstehende CO 2 wird durch eine Alkalilösung aufgefangen und mit herkömmlichen Methoden der quantitativen Analyse nach Gewicht oder Volumen bestimmt. Diese Methode eignet sich zur Kohlenstoffbestimmung nicht nur in organischen Verbindungen und technischen Kohlen, sondern auch in Metallen.

DEFINITION

Kohlenstoff- das sechste Element des Periodensystems. Bezeichnung - C vom lateinischen „carboneum“. Befindet sich in der zweiten Periode, Gruppe IVA. Bezieht sich auf Nichtmetalle. Die Atomladung beträgt 6.

Kohlenstoff kommt in der Natur sowohl in freiem Zustand als auch in Form zahlreicher Verbindungen vor. Freier Kohlenstoff kommt in Form von Diamant und Graphit vor. Neben fossiler Kohle gibt es in den Tiefen der Erde große Ölvorkommen. Kohlensäuresalze, insbesondere Calciumcarbonat, kommen in großen Mengen in der Erdkruste vor. In der Luft befindet sich immer Kohlendioxid. Schließlich bestehen pflanzliche und tierische Organismen aus Stoffen, an deren Bildung Kohlenstoff beteiligt ist. Damit ist dieses Element eines der häufigsten auf der Erde, obwohl sein Gesamtgehalt in der Erdkruste nur etwa 0,1 % (Gew.) beträgt.

Atom- und Molekülmasse von Kohlenstoff

Die relative Molekülmasse einer Substanz (M r) ist eine Zahl, die angibt, wie oft die Masse eines bestimmten Moleküls größer als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms ist, und die relative Atommasse eines Elements (A r). Wie oft ist die durchschnittliche Masse der Atome eines chemischen Elements größer als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms?

Da Kohlenstoff im freien Zustand in Form einatomiger Moleküle C vorliegt, stimmen die Werte seiner Atom- und Molekülmassen überein. Sie entsprechen 12,0064.

Allotropie und allotrope Modifikationen von Kohlenstoff

Im freien Zustand liegt Kohlenstoff in Form von Diamant vor, der im kubischen und hexagonalen (Lonsdaleit) System kristallisiert, und Graphit, der zum hexagonalen System gehört (Abb. 1). Kohlenstoffformen wie Holzkohle, Koks oder Ruß weisen eine ungeordnete Struktur auf. Es gibt auch synthetisch erhaltene allotrope Modifikationen – das sind Carbin und Polycumulen – Kohlenstoffarten, die aus linearen Kettenpolymeren des Typs -C= C- oder = C = C= aufgebaut sind.

Reis. 1. Allotrope Modifikationen von Kohlenstoff.

Es sind auch allotrope Modifikationen von Kohlenstoff bekannt, die folgende Namen haben: Graphen, Fulleren, Nanoröhren, Nanofasern, Astralen, Glaskohlenstoff, kolossale Nanoröhren; amorpher Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoknospen und Kohlenstoff-Nanoschaum.

Kohlenstoffisotope

In der Natur kommt Kohlenstoff in Form der beiden stabilen Isotope 12 C (98,98 %) und 13 C (1,07 %) vor. Ihre Massenzahlen betragen 12 bzw. 13. Der Kern eines Atoms des 12-C-Kohlenstoffisotops enthält sechs Protonen und sechs Neutronen, und das 13-C-Isotop enthält die gleiche Anzahl an Protonen und fünf Neutronen.

Es gibt ein künstliches (radioaktives) Kohlenstoffisotop, 14 C, mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren.

Kohlenstoffionen

Das äußere Energieniveau des Kohlenstoffatoms verfügt über vier Elektronen, die Valenzelektronen sind:

1s 2 2s 2 2p 2 .

Durch chemische Wechselwirkung kann Kohlenstoff seine Valenzelektronen verlieren, d.h. ihr Donor sein und sich in positiv geladene Ionen verwandeln oder Elektronen von einem anderen Atom aufnehmen, d.h. seien ihr Akzeptor und verwandeln sich in negativ geladene Ionen:

C 0 -2e → C 2+ ;

C 0 -4e → C 4+ ;

C 0 +4e → C 4- .

Molekül und Kohlenstoffatom

Im freien Zustand liegt Kohlenstoff in Form einatomiger Moleküle C vor. Hier sind einige Eigenschaften, die das Kohlenstoffatom und -molekül charakterisieren:

Kohlenstofflegierungen

Die weltweit bekanntesten Kohlenstofflegierungen sind Stahl und Gusseisen. Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, deren Kohlenstoffgehalt 2 % nicht überschreitet. In Gusseisen (auch eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff) ist der Kohlenstoffgehalt höher – von 2 bis 4 %.

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Übung	Welche Menge Kohlenmonoxid (IV) wird freigesetzt (n.s.), wenn 500 g Kalkstein mit einem Massenanteil von 0,1 Verunreinigungen verbrannt werden?
Lösung	Schreiben wir die Reaktionsgleichung für das Brennen von Kalkstein: CaCO 3 = CaO + CO 2 -. Suchen wir eine Masse reinen Kalksteins. Dazu ermitteln wir zunächst seinen Massenanteil ohne Verunreinigungen: w klar (CaCO 3) = 1 - w Verunreinigung = 1 - 0,1 = 0,9. m klar (CaCO 3) = m (CaCO 3) × w klar (CaCO 3); m klar (CaCO 3) = 500 × 0,9 = 450 g. Berechnen wir die Menge an Kalksteinsubstanz: n(CaCO 3) = m klar (CaCO 3) / M(CaCO 3); n(CaCO 3) = 450 / 100 = 4,5 mol. Gemäß der Reaktionsgleichung gilt n(CaCO 3) :n(CO 2) = 1:1 n(CaCO 3) = n(CO 2) = 4,5 mol. Dann ist die Menge an freigesetztem Kohlenmonoxid (IV) gleich: V(CO 2) = n(CO 2) ×V m; V(CO 2) = 4,5 × 22,4 = 100,8 l.
Antwort	100,8 l

BEISPIEL 2

Übung	Wie viel einer Lösung mit 0,05 Massenteilen oder 5 % Chlorwasserstoff ist erforderlich, um 11,2 g Calciumcarbonat zu neutralisieren?
Lösung	Schreiben wir die Gleichung für die Neutralisationsreaktion von Calciumcarbonat mit Chlorwasserstoff: CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 -. Lassen Sie uns die Menge an Calciumcarbonat ermitteln: M(CaCO 3) = A r (Ca) + A r (C) + 3×A r (O); M(CaCO 3) = 40 + 12 + 3×16 = 52 + 48 = 100 g/mol. n(CaCO 3) = m (CaCO 3) / M(CaCO 3); n(CaCO 3) = 11,2 / 100 = 0,112 mol. Nach der Reaktionsgleichung ist n(CaCO 3) :n(HCl) = 1:2, d.h n(HCl) = 2 ×n(CaCO 3) = 2 ×0,224 mol. Bestimmen wir die in der Lösung enthaltene Masse an Chlorwasserstoff: M(HCl) = A r (H) + A r (Cl) = 1 + 35,5 = 36,5 g/mol. m(HCl) = n(HCl) × M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 g. Berechnen wir die Masse der Chlorwasserstofflösung: m Lösung (HCl) = m(HCl)× 100 / w(HCl); m Lösung (HCl) = 8,176 × 100 / 5 = 163,52 g.
Antwort	163,52 g

Kohlenstoff (C)– typisches Nichtmetall; im Periodensystem steht es in der 2. Periode der Gruppe IV, der Hauptuntergruppe. Seriennummer 6, Ar = 12,011 amu, Kernladung +6.

Physikalische Eigenschaften: Kohlenstoff bildet viele allotrope Modifikationen: Diamant- einer der härtesten Stoffe Graphit, Kohle, Ruß.

Ein Kohlenstoffatom hat 6 Elektronen: 1s 2 2s 2 2p 2 . Die letzten beiden Elektronen befinden sich in getrennten p-Orbitalen und sind ungepaart. Im Prinzip könnte dieses Paar dasselbe Orbital besetzen, aber in diesem Fall nimmt die Abstoßung zwischen den Elektronen stark zu. Aus diesem Grund benötigt einer von ihnen 2p x und der andere entweder 2p y , oder 2p z-Orbitale.

Der Energieunterschied zwischen den s- und p-Unterebenen der äußeren Schicht ist gering, sodass das Atom recht leicht in einen angeregten Zustand übergeht, in dem eines der beiden Elektronen aus dem 2s-Orbital in ein freies übergeht 2 reiben. Es entsteht ein Valenzzustand mit der Konfiguration 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Es ist dieser Zustand des Kohlenstoffatoms, der für das Diamantgitter charakteristisch ist – tetraedrische räumliche Anordnung der Hybridorbitale, identische Länge und Energie der Bindungen.

Es ist bekannt, dass dieses Phänomen aufgerufen wird sp 3 -Hybridisierung, und die entstehenden Funktionen sind sp 3 -Hybridfunktionen . Die Bildung von vier sp3-Bindungen verleiht dem Kohlenstoffatom einen stabileren Zustand als drei r-r- und eine S-S-Verbindung. Zusätzlich zur sp 3-Hybridisierung wird auch eine sp 2- und sp-Hybridisierung am Kohlenstoffatom beobachtet . Im ersten Fall kommt es zu gegenseitigen Überschneidungen S- und zwei p-Orbitale. Es bilden sich drei äquivalente sp 2 -Hybridorbitale, die in derselben Ebene in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind. Das dritte Orbital p ist unverändert und senkrecht zur Ebene gerichtet sp2.

Während der sp-Hybridisierung überlappen sich die s- und p-Orbitale. Zwischen den beiden gebildeten äquivalenten Hybridorbitalen entsteht ein Winkel von 180°, während die beiden p-Orbitale jedes Atoms unverändert bleiben.

Allotropie von Kohlenstoff. Diamant und Graphit

In einem Graphitkristall sind Kohlenstoffatome in parallelen Ebenen angeordnet und besetzen die Eckpunkte regelmäßiger Sechsecke. Jedes Kohlenstoffatom ist mit drei benachbarten sp 2 -Hybridbindungen verbunden. Die Verbindung zwischen parallelen Ebenen erfolgt aufgrund von Van-der-Waals-Kräften. Die freien p-Orbitale jedes Atoms sind senkrecht zu den Ebenen der kovalenten Bindungen ausgerichtet. Ihre Überlappung erklärt die zusätzliche π-Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen. Also, von Der Wertigkeitszustand, in dem sich die Kohlenstoffatome eines Stoffes befinden, bestimmt die Eigenschaften dieses Stoffes.

Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff

Die charakteristischsten Oxidationsstufen sind: +4, +2.

Bei niedrigen Temperaturen ist Kohlenstoff inert, beim Erhitzen nimmt seine Aktivität jedoch zu.

Kohlenstoff als Reduktionsmittel:

- mit Sauerstoff
C 0 + O 2 – t° = CO 2 Kohlendioxid
bei Sauerstoffmangel - unvollständige Verbrennung:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O Kohlenmonoxid

- mit Fluor
C + 2F 2 = CF 4

- mit Wasserdampf
C 0 + H 2 O – 1200° = C +2 O + H 2 Wassergas

- mit Metalloxiden. So wird Metall aus Erz geschmolzen.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2

- mit Säuren - Oxidationsmitteln:
C 0 + 2H 2 SO 4 (konz.) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (konz.) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- bildet mit Schwefel Schwefelkohlenstoff:
C + 2S 2 = CS 2.

Kohlenstoff als Oxidationsmittel:

- Bildet mit einigen Metallen Karbide

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- mit Wasserstoff - Methan (sowie einer Vielzahl organischer Verbindungen)

C0 + 2H2 = CH4

— bildet mit Silizium Karborund (bei 2000 °C im Elektroofen):

Kohlenstoff in der Natur finden

Freier Kohlenstoff kommt in Form von Diamant und Graphit vor. In Form von Verbindungen kommt Kohlenstoff in Mineralien vor: Kreide, Marmor, Kalkstein – CaCO 3, Dolomit – MgCO 3 *CaCO 3; Hydrogencarbonate - Mg(HCO 3) 2 und Ca(HCO 3) 2, CO 2 ist Teil der Luft; Kohlenstoff ist der Hauptbestandteil natürlicher organischer Verbindungen – Gas, Öl, Kohle, Torf – und ist Teil organischer Substanzen, Proteine, Fette, Kohlenhydrate und Aminosäuren, aus denen lebende Organismen bestehen.

Anorganische Kohlenstoffverbindungen

Bei herkömmlichen chemischen Prozessen entstehen weder C 4+- noch C 4--Ionen: Kohlenstoffverbindungen enthalten kovalente Bindungen unterschiedlicher Polarität.

Kohlenmonoxid CO

Kohlenmonoxid; farblos, geruchlos, schwer wasserlöslich, löslich in organischen Lösungsmitteln, giftig, Siedepunkt = -192°C; t pl. = -205°C.

Quittung
1) In der Industrie (in Gasgeneratoren):
C + O 2 = CO 2

2) Im Labor – thermische Zersetzung von Ameisen- oder Oxalsäure in Gegenwart von H 2 SO 4 (konz.):
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O

Chemische Eigenschaften

Unter normalen Bedingungen ist CO inert; beim Erhitzen - ein Reduktionsmittel; nicht salzbildendes Oxid.

1) mit Sauerstoff

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) mit Metalloxiden

C +2 O + CuO = Cu + C +4 O 2

3) mit Chlor (im Licht)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (Phosgen)

4) reagiert mit Alkalischmelzen (unter Druck)

CO + NaOH = HCOONa (Natriumformiat)

5) bildet mit Übergangsmetallen Carbonyle

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Kohlenmonoxid (IV) CO2

Kohlendioxid, farblos, geruchlos, Löslichkeit in Wasser – 0,9 V CO 2 löst sich in 1 V H 2 O (unter normalen Bedingungen); schwerer als Luft; t°pl. = -78,5°C (festes CO 2 wird „Trockeneis“ genannt); unterstützt die Verbrennung nicht.

Quittung

1. Thermische Zersetzung von Kohlensäuresalzen (Carbonaten). Kalksteinbrand:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

1. Die Wirkung starker Säuren auf Carbonate und Bicarbonate:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2

ChemischEigenschaftenCO2
Säureoxid: Reagiert mit basischen Oxiden und Basen unter Bildung von Kohlensäuresalzen

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

Bei erhöhten Temperaturen können oxidierende Eigenschaften auftreten

C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Qualitative Reaktion

Trübung von Kalkwasser:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (weißer Niederschlag) + H 2 O

Es verschwindet, wenn CO 2 längere Zeit durch Kalkwasser geleitet wird, weil unlösliches Calciumcarbonat wird zu löslichem Bicarbonat:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2

Kohlensäure und ihreSalz

H 2CO 3 - Als schwache Säure kommt sie nur in wässriger Lösung vor:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Dibasisch:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Säuresalze - Bicarbonate, Bicarbonate
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Mittlere Salze - Carbonate

Alle Eigenschaften von Säuren sind charakteristisch.

Carbonate und Bicarbonate können sich ineinander umwandeln:

2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3

Metallcarbonate (außer Alkalimetalle) decarboxylieren beim Erhitzen zu einem Oxid:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2

Qualitative Reaktion- „Kochen“ unter dem Einfluss einer starken Säure:

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

Karbide

Calciumcarbid:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2.

Acetylen wird freigesetzt, wenn Zink-, Cadmium-, Lanthan- und Cercarbide mit Wasser reagieren:

2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C und Al 4 C 3 zersetzen sich mit Wasser zu Methan:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4.

In der Technik werden Titankarbide TiC, Wolfram W 2 C (Hartlegierungen), Silizium SiC (Karborund – als Schleifmittel und Material für Heizgeräte) verwendet.

Zyanid

gewonnen durch Erhitzen von Soda in einer Atmosphäre aus Ammoniak und Kohlenmonoxid:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Blausäure HCN ist ein wichtiges Produkt der chemischen Industrie und wird häufig in der organischen Synthese verwendet. Die weltweite Produktion erreicht 200.000 Tonnen pro Jahr. Die elektronische Struktur des Cyanidanions ähnelt der von Kohlenmonoxid (II); solche Teilchen werden als isoelektronisch bezeichnet:

C = O: [:C = N:] -

Cyanide (0,1–0,2 % wässrige Lösung) werden im Goldbergbau eingesetzt:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

Beim Sieden von Cyanidlösungen mit Schwefel oder beim Schmelzen von Feststoffen entstehen sie Thiocyanate:
KCN + S = KSCN.

Beim Erhitzen von Cyaniden schwach aktiver Metalle entsteht Cyanid: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. Cyanidlösungen werden zu oxidiert Cyanate:

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

Cyansäure gibt es in zwei Formen:

H-N=C=O; H-O-C = N:

Im Jahr 1828 gewann Friedrich Wöhler (1800-1882) Harnstoff aus Ammoniumcyanat: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 durch Eindampfen einer wässrigen Lösung.

Dieses Ereignis wird üblicherweise als Sieg der synthetischen Chemie über die „vitalistische Theorie“ angesehen.

Es gibt ein Isomer von Cyansäure - explosive Säure

H-O-N=C.
Seine Salze (Quecksilberfulminat Hg(ONC) 2) werden in Schlaganzündern verwendet.

Synthese Harnstoff(Harnstoff):

CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. Bei 130 0 C und 100 atm.

Harnstoff ist ein Kohlensäureamid; es gibt auch sein „Stickstoffanalogon“ – Guanidin.

Karbonate

Die wichtigsten anorganischen Kohlenstoffverbindungen sind Salze der Kohlensäure (Carbonate). H 2 CO 3 ist eine schwache Säure (K 1 = 1,3 · 10 -4; K 2 = 5 · 10 -11). Carbonatpuffer unterstützt Kohlendioxidbilanz in der Atmosphäre. Die Weltmeere verfügen über eine enorme Pufferkapazität, da sie ein offenes System sind. Die wichtigste Pufferreaktion ist das Gleichgewicht bei der Kohlensäuredissoziation:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - .

Wenn der Säuregehalt abnimmt, kommt es zu einer zusätzlichen Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre unter Säurebildung:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .

Mit zunehmendem Säuregehalt lösen sich Karbonatgesteine ​​(Muscheln, Kreide- und Kalksteinsedimente im Ozean) auf; Dadurch wird der Verlust an Hydrogencarbonat-Ionen ausgeglichen:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (fest) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Feste Carbonate werden zu löslichen Bicarbonaten. Es ist dieser Prozess der chemischen Auflösung von überschüssigem Kohlendioxid, der dem „Treibhauseffekt“ entgegenwirkt – der globalen Erwärmung aufgrund der Absorption der Wärmestrahlung der Erde durch Kohlendioxid. Etwa ein Drittel der weltweiten Produktion von Soda (Natriumcarbonat Na 2 CO 3) wird in der Glasherstellung verwendet.