Carbon - Carbon

Carbon,  ₆ C

Grafit (stânga) și diamant (dreapta), doi alotropi de carbon
Carbon
Alotropii	grafit , diamant , altele
Aspect
Greutate atomică standard A r, std (C)	[12.0096 , 12.0116 ] convențional: 12.011
Carbonul din tabelul periodic
Hidrogen Heliu Litiu Beriliu Bor Carbon Azot Oxigen Fluor Neon Sodiu Magneziu Aluminiu Siliciu Fosfor Sulf Clor Argon Potasiu Calciu Scandiu Titan Vanadiu Crom Mangan Fier Cobalt Nichel Cupru Zinc Galiu Germaniu Arsenic Seleniu Brom Krypton Rubidiu Stronţiu Itriu Zirconiu Niobiu Molibden Technetium Ruteniu Rodiu Paladiu Argint Cadmiu Indiu Staniu Antimoniu Telurul Iod Xenon Cesiu Bariu Lantan Ceriu Praseodim Neodim Prometiu Samarium Europium Gadolinium Terbiul Disproziu Holmiu Erbiu Tuliu Ytterbium Lutetium Hafniu Tantal Tungsten Reniu Osmiu Iridiu Platină Aur Mercur (element) Taliu Conduce Bismut Poloniu Astatine Radon Francium Radiu Actinium Toriu Protactiniu Uraniu Neptunium Plutoniu Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendeleviu Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson - ↑ C ↓ Si bor ← carbon → azot
Număr atomic ( Z )	6
grup	grupa 14 (grupa carbonului)
Perioadă	perioada 2
bloc	bloc p
Configuratie electronica	[ El ] 2s 2 2p 2
Electroni pe coajă	2, 4
Proprietăți fizice
Faza la  STP	solid
Punct de sublimare	3915 K (3642 ° C, 6588 ° F)
Densitate (aproape  rt )	amorf: 1,8-2,1 g / cm 3 grafit: 2,267 g / cm 3 diamant: 3,515 g / cm 3
Punct triplu	4600 K, 10.800 kPa
Căldura de fuziune	grafit: 117  kJ / mol
Capacitatea de căldură molară	grafit: 8.517 J / (mol · K) diamant: 6.155 J / (mol · K)
Proprietăți atomice
Stări de oxidare	−4 , −3 , −2 , −1 , 0 , +1 , +2 , +3 , +4 (unoxidușor acid )
Electronegativitate	Scala Pauling: 2,55
Energiile de ionizare
Raza covalentă	sp 3 : 77 pm sp 2 : 73 pm sp: 69  pm
Raza Van der Waals	170 pm
Liniile spectrale de carbon
Alte proprietăți
Apariție naturală	primordial
Structură cristalină	grafit: hexagonal simplu (negru)
Structură cristalină	diamant: fata-centrata diamant cubic (clar)
Viteza sunetului subțire	diamant: 18.350 m / s (la 20 ° C)
Expansiunea termică	diamant: 0,8 µm / (m⋅K) (la 25 ° C)
Conductivitate termică	grafit: 119–165 W / (m⋅K) diamant: 900–2300 W / (m⋅K)
Rezistență electrică	grafit: 7,837 µΩ⋅m
Ordinea magnetică	diamagnetic
Sensibilitate magnetică molară	diamant: −5,9 × 10 −6  cm 3 / mol
Modulul lui Young	diamant: 1050 GPa
Modul de forfecare	diamant: 478 GPa
Modul în vrac	diamant: 442 GPa
Raportul Poisson	diamant: 0,1
Duritatea lui Mohs	grafit: 1-2 diamante: 10
Numar CAS
Istorie
Descoperire	Egipteni și sumerieni (3750 î.e.n. )
Recunoscut ca element de către	Antoine Lavoisier (1789)
Principalii izotopi ai carbonului
Izotop Abundenţă Timp de înjumătățire ( t 1/2 ) Modul de descompunere Produs 11 C sin 20 min β + 11 B 12 C 98,9% grajd 13 C 1,1% grajd 14 C urmă 5730 a β - 14 N
Categorie: Carbon vedere vorbi Editați | × | referințe

Carbonul (din latină : carbo „cărbune”) este un element chimic cu simbolul C și numărul atomic 6. Este nemetalic și tetravalent - punând la dispoziție patru electroni pentru a forma legături chimice covalente . Aparține grupului 14 din tabelul periodic. Carbonul reprezintă doar aproximativ 0,025% din scoarța Pământului. Trei izotopi apar în mod natural, ¹² C și ¹³ C fiind stabili, în timp ce ¹⁴ C este un radionuclid , care se descompune cu un timp de înjumătățire de aproximativ 5.730 de ani. Carbonul este unul dintre puținele elemente cunoscute încă din antichitate .

Carbonul este cel de-al 15-lea cel mai abundent element din scoarța Pământului și al patrulea cel mai abundent element din univers în masă după hidrogen , heliu și oxigen . Abundența carbonului, diversitatea sa unică de compuși organici și capacitatea sa neobișnuită de a forma polimeri la temperaturile întâlnite în mod obișnuit pe Pământ permit acestui element să servească ca element comun al întregii vieți cunoscute . Este al doilea cel mai abundent element din corpul uman în masă (aproximativ 18,5%) după oxigen.

Atomii de carbon se pot lega între ei în diferite moduri, rezultând alotropi de carbon diferiți . Alotropii binecunoscuți includ grafit , diamant , carbon amorf și fullereni . Cele Proprietățile fizice ale carbonului variază foarte mult cu forma alotropică. De exemplu, grafitul este opac și negru, în timp ce diamantul este extrem de transparent . Grafitul este suficient de moale pentru a forma o dungă pe hârtie (de unde și numele său, de la verbul grecesc „γράφειν” care înseamnă „a scrie”), în timp ce diamantul este cel mai greu material natural cunoscut. Grafitul este un bun conductor electric, în timp ce diamantul are o conductivitate electrică scăzută . În condiții normale, diamantul, nanotuburile de carbon și grafenul au cele mai mari conductivități termice dintre toate materialele cunoscute . Toți alotropii de carbon sunt solizi în condiții normale, grafitul fiind forma cea mai stabilă termodinamic la temperatura și presiunea standard. Sunt rezistente chimic și necesită temperaturi ridicate pentru a reacționa chiar și cu oxigenul.

Cea mai comună stare de oxidare a carbonului în compușii anorganici este +4, în timp ce +2 se găsește în monoxidul de carbon și în complexele carbonilice ale metalelor de tranziție . Cele mai mari surse de carbon anorganic sunt calcarele , dolomiții și dioxidul de carbon , dar cantități semnificative apar în depozitele organice de cărbune , turbă , petrol și clatrați de metan . Carbonul formează un număr mare de compuși , mai mult decât orice alt element, cu aproape zece milioane de compuși descriși până în prezent și totuși acest număr nu este decât o fracțiune din numărul compușilor teoretic posibili în condiții standard. Din acest motiv, carbonul a fost adesea denumit „regele elementelor”.

Caracteristici

Diagrama de fază a carbonului prezisă teoretic, din 1989. Lucrări mai noi indică faptul că punctul de topire al diamantului (curba sus-dreaptă) nu depășește aproximativ 9000 K.

Cele forme alotropice ale carbonului includ grafit , una dintre cele mai moi substanțe cunoscute, și diamant , substanța cea mai grea apare în mod natural. Se leagă ușor cu alți atomi mici , inclusiv alți atomi de carbon, și este capabil să formeze mai multe legături covalente stabile cu atomi multivalenți adecvați. Se știe că carbonul formează aproape zece milioane de compuși, o mare majoritate a tuturor compușilor chimici . Carbonul are, de asemenea, cel mai înalt punct de sublimare dintre toate elementele. La presiunea atmosferică nu are punct de topire, deoarece punctul său triplu este la 10,8 ± 0,2 megapascali (106,6 ± 2,0 atm; 1.566 ± 29 psi) și 4.600 ± 300 K (4.330 ± 300 ° C; 7.820 ± 540 ° F), deci se sublimează la aproximativ 3.900 K (3.630 ° C; 6.560 ° F). Grafitul este mult mai reactiv decât diamantul în condiții standard, în ciuda faptului că este mai stabil termodinamic, deoarece sistemul său pi delocalizat este mult mai vulnerabil la atac. De exemplu, grafitul poate fi oxidat de acid azotic concentrat fierbinte în condiții standard la acid mellitic , C ₆ (CO ₂ H) ₆ , care păstrează unitățile hexagonale de grafit în timp ce rupe structura mai mare.

Carbonul se sublimează într-un arc de carbon, care are o temperatură de aproximativ 5800 K (5.530 ° C sau 9.980 ° F). Astfel, indiferent de forma sa alotropică, carbonul rămâne solid la temperaturi mai ridicate decât metalele cu cel mai înalt punct de topire, cum ar fi tungstenul sau reniul . Deși predispus termodinamic la oxidare , carbonul rezistă mai eficient oxidării decât elemente precum fierul și cuprul , care sunt agenți reducători mai slabi la temperatura camerei.

Carbonul este al șaselea element, cu o configurație electronică de bază de 1s ² 2s ² 2p ² , dintre care cei patru electroni externi sunt electroni de valență . Primele sale patru energii de ionizare, 1086,5, 2352,6, 4620,5 și 6222,7 kJ / mol, sunt mult mai mari decât cele ale elementelor grupului 14 mai grele. Electronegativitatea carbonului este de 2,5, semnificativ mai mare decât elementele cele mai grele din grupul 14 (1,8-1,9), dar aproape de majoritatea nemetalelor din apropiere, precum și a unora dintre metalele de tranziție din al doilea și al treilea rând . Razele covalente ale carbonului sunt luate în mod normal ca 77,2 pm (C − C), 66,7 pm (C = C) și 60,3 pm (C ≡ C), deși acestea pot varia în funcție de numărul de coordonare și de ce este legat carbonul. În general, raza covalentă scade cu numărul mai mic de coordonare și ordinea de legătură mai mare.

Compușii de carbon formează baza tuturor vieților cunoscute pe Pământ , iar ciclul carbon-azot furnizează o parte din energia produsă de Soare și de alte stele . Deși formează o varietate extraordinară de compuși, majoritatea formelor de carbon sunt relativ nereactive în condiții normale. La temperatura și presiunea standard, rezistă tuturor, cu excepția celor mai puternici oxidanți. Nu reacționează cu acid sulfuric , acid clorhidric , clor sau orice alt alcalin . La temperaturi ridicate, carbonul reacționează cu oxigenul pentru a forma oxizi de carbon și va jefui oxigenul din oxizii metalici pentru a părăsi metalul elementar. Această reacție exotermă este utilizată în industria siderurgică pentru a topi fierul și pentru a controla conținutul de carbon al oțelului :

Fe
₃O
₄+ 4 C _(s) + 2 O
₂→ 3 Fe _(s) + 4 CO
_2(g) .

Carbonul reacționează cu sulf pentru a forma disulfură de carbon și reacționează cu aburul în reacția cărbune-gaz utilizată în gazificarea cărbunelui :

C _(s) + H ₂ O _(g) → CO _(g) + H _{2 (g)} .

Carbonul se combină cu unele metale la temperaturi ridicate pentru a forma carburi metalice, cum ar fi carbura de fier cementită din oțel și carbura de tungsten , utilizate pe scară largă ca abraziv și pentru realizarea vârfurilor dure pentru instrumentele de tăiere.

Sistemul de alotropi de carbon acoperă o serie de extreme:

Alotropii

Carbonul atomic este o specie de viață foarte scurtă și, prin urmare, carbonul este stabilizat în diferite structuri multi-atomice cu configurații moleculare diverse numite alotropi . Cele trei alotrope relativ cunoscute ale carbonului sunt carbonul amorf , grafitul și diamantul . Odată considerați exotici, fulerenii sunt în prezent în mod obișnuit sintetizați și utilizați în cercetare; acestea includ buckyballs , nanotuburi de carbon , nanobuduri de carbon și nanofibre . De asemenea, au fost descoperite mai multe alte alotrope exotice, cum ar fi lonsdaleit , carbon sticlos , nano-spumă de carbon și carbon acetilenic liniar (carbină).

Grafenul este o foaie de carbon bidimensională cu atomii aranjați într-o rețea hexagonală. Începând din 2009, grafenul pare a fi cel mai puternic material testat vreodată. Procesul de separare a acestuia din grafit va necesita o dezvoltare tehnologică suplimentară înainte ca acesta să fie economic pentru procesele industriale. Dacă va avea succes, grafenul ar putea fi utilizat în construcția unui lift spațial . Ar putea fi, de asemenea, utilizat pentru a stoca în siguranță hidrogenul pentru a fi utilizat într-un motor pe bază de hidrogen în mașini.

O mostră mare de carbon sticlos

Forma amorfă este un sortiment de atomi de carbon într-o stare necristalină, neregulată, sticloasă, care nu este ținută într-o macrostructură cristalină. Este prezent sub formă de pulbere și este principalul component al substanțelor precum cărbunele , negru ( funingine ) și cărbunele activ . La presiuni normale, carbonul ia forma grafitului, în care fiecare atom este legat trigonal de alți trei într-un plan compus din inele hexagonale condensate , la fel ca cele din hidrocarburile aromatice . Rețeaua rezultată este bidimensională, iar foile plate rezultate sunt stivuite și lipite slab prin forțe van der Waals slabe . Acest lucru conferă grafitului moliciunea și proprietățile sale de scindare (foile alunecă ușor una peste alta). Datorită delocalizării unuia dintre electronii externi ai fiecărui atom pentru a forma un nor π , grafitul conduce electricitatea , dar numai în planul fiecărei foi de legătură covalentă . Aceasta are ca rezultat o conductivitate electrică în vrac mai mică pentru carbon decât pentru majoritatea metalelor . Delocalizarea explică, de asemenea, stabilitatea energetică a grafitului asupra diamantului la temperatura camerei.

Unele alotropi de carbon: a) diamant ; b) grafit ; c) lonsdaleit ; d – f) fulereni (C ₆₀ , C ₅₄₀ , C ₇₀ ); g) carbon amorf ; h) nanotub de carbon

La presiuni foarte mari, carbonul formează alotropul mai compact, diamantul , având aproape de două ori densitatea grafitului. Aici, fiecare atom este legat tetraedric de alți patru, formând o rețea tridimensională de inele cu atomi cu șase membri. Diamantul are aceeași structură cubică ca siliciu și germaniu și , datorită rezistenței legăturilor carbon-carbon , este cea mai dură substanță naturală măsurată prin rezistență la zgârieturi . Contrar credinței populare că „diamantele sunt pentru totdeauna” , acestea sunt instabile termodinamic (Δ _f G ° (diamant, 298 K) = 2,9 kJ / mol) în condiții normale (298 K, 10 ⁵  Pa) și ar trebui să se transforme teoretic în grafit . Dar datorită unei bariere ridicate de energie de activare, tranziția în grafit este atât de lentă la temperatura normală încât este neobservabilă. Cu toate acestea, la temperaturi foarte ridicate, diamantul se va transforma în grafit, iar diamantele pot arde într-un foc de casă. Colțul din stânga jos al diagramei de fază pentru carbon nu a fost analizat experimental. Deși un studiu de calcul care utilizează metode ale teoriei funcționale a densității a ajuns la concluzia că, pe măsură ce T → 0 K și p → 0 Pa , diamantul devine mai stabil decât grafitul cu aproximativ 1,1 kJ / mol, studii experimentale și computaționale mai recente și definitive arată că grafitul este mai mult stabil decât diamantul pentru T <400 K , fără presiune aplicată, cu 2,7 kJ / mol la T  = 0 K și 3,2 kJ / mol la T  = 298,15 K. În unele condiții, carbonul cristalizează sub formă de lonsdaleit , o rețea cristalină hexagonală cu toți atomii lipite covalent și proprietăți similare cu cele ale diamantului.

Fullerenele sunt o formațiune cristalină sintetică cu o structură asemănătoare grafitului, dar în locul numai celulelor hexagonale plate , unele dintre celulele din care sunt formate fullerenele pot fi pentagoni, hexagoni neplanari sau chiar heptagoni ai atomilor de carbon. Foile sunt astfel deformate în sfere, elipse sau cilindri. Proprietățile fulerenelor (împărțite în buckyballs, buckytubes și nanobuds) nu au fost încă pe deplin analizate și reprezintă o zonă intensă de cercetare în nanomateriale . Numele fullerene și buckyball sunt date după Richard Buckminster Fuller , popularizatorul domurilor geodezice , care seamănă cu structura fulerenelor. Buckyball-urile sunt molecule destul de mari formate complet din carbon legat trigonal, formând sferoide (cea mai cunoscută și mai simplă este C ₆₀ buckminsterfullerene în formă de mingea de fotbal ). Nanotuburile de carbon (buckytuburile) sunt similare din punct de vedere structural cu buckyballs, cu excepția faptului că fiecare atom este legat trigonal într-o foaie curbată care formează un cilindru gol . Nanobudurile au fost raportate pentru prima dată în 2007 și sunt materiale hibrid buckytube / buckyball (buckyballs sunt legate covalent de peretele exterior al unui nanotub) care combină proprietățile ambelor într-o singură structură.

Cometa C / 2014 Q2 (Lovejoy) înconjurată de vapori de carbon strălucitori

Dintre ceilalți alotropi descoperiți, nano-spuma de carbon este un alotrop feromagnetic descoperit în 1997. Este alcătuit dintr-un ansamblu de densitate redusă de atomi de carbon strânși împreună într-o rețea tridimensională liberă, în care atomii sunt legați trigonal în șase și inele cu șapte membri. Este printre cele mai ușoare solide cunoscute, cu o densitate de aproximativ 2 kg / m ³ . În mod similar, carbonul sticlos conține o proporție ridicată de porozitate închisă , dar, spre deosebire de grafitul normal, straturile grafitice nu sunt stivuite ca paginile dintr-o carte, ci au un aranjament mai aleatoriu. Carbonul acetilenic liniar are structura chimică - (C ::: C) _n -. Carbonul din această modificare este liniar cu hibridizarea sp orbitală și este un polimer cu legături alternative simple și triple. Acest carbyne prezintă un interes considerabil pentru nanotehnologie, deoarece modulul său Young este de 40 de ori mai mare decât cel mai greu material cunoscut - diamantul.

În 2015, o echipă de la Universitatea de Stat din Carolina de Nord a anunțat dezvoltarea unui alt alotrop pe care l-au numit Q-carbon , creat de un impuls laser cu durată redusă de energie ridicată pe praful de carbon amorf. Se raportează că carbonul Q prezintă feromagnetism, fluorescență și o duritate superioară diamantelor.

În faza de vapori, o parte din carbon este sub formă de dicarbon ( C
₂). Când este excitat, acest gaz luminează verde.

Apariție

Minereu de grafit, prezentat cu un ban pentru scară

Cristal de diamant brut

„Ziua actuală” (anii 1990), concentrația de carbon anorganic dizolvată la suprafața mării (din climatologia GLODAP )

Carbonul este al patrulea element chimic cel mai abundent din universul observabil în masă după hidrogen, heliu și oxigen. Carbonul este abundent în Soare , stele , comete și în atmosferele majorității planetelor . Unii meteoriți conțin diamante microscopice care s-au format atunci când sistemul solar era încă un disc protoplanetar . Diamantele microscopice pot fi, de asemenea, formate de presiunea intensă și temperatura ridicată la locul impactului meteoritului.

În 2014, NASA a anunțat o bază de date foarte modernizată pentru urmărirea hidrocarburilor aromatice policiclice (HAP) din univers . Mai mult de 20% din carbonul din univers poate fi asociat cu HAP, compuși complexi de carbon și hidrogen fără oxigen. Acești compuși figurează în ipoteza lumii PAH în care se presupune că au un rol în abiogeneză și formarea vieții . HAP-urile par să se fi format „la câteva miliarde de ani” după Big Bang , sunt răspândite în tot universul și sunt asociate cu noi stele și exoplanete .

S-a estimat că pământul solid ca întreg conține 730 ppm de carbon, cu 2000 ppm în miez și 120 ppm în mantaua și crusta combinate. Întrucât masa pământului este5.972 × 10 ²⁴  kg , aceasta ar implica 4360 milioane de gigatone de carbon. Aceasta este mult mai mult decât cantitatea de carbon din oceane sau atmosferă (mai jos).

În combinație cu oxigenul din dioxidul de carbon , carbonul se găsește în atmosfera Pământului (aproximativ 900 gigatone de carbon - fiecare ppm corespunde la 2,13 Gt) și dizolvat în toate corpurile de apă (aproximativ 36,000 gigatone de carbon). Carbonul din biosferă a fost estimat la 550 gigatone, dar cu o mare incertitudine, datorată în principal unei incertitudini uriașe în cantitatea de bacterii terestre subterane adânci . Hidrocarburile (cum ar fi cărbunele , petrolul și gazele naturale ) conțin și carbon. „Rezervele” de cărbune (nu „resursele”) se ridică la aproximativ 900 gigatone, cu probabil 18.000 Gt de resurse. Rezervele de petrol sunt în jur de 150 de gigatone. Există aproximativ surse dovedite de gaze naturale175 × 10 ¹²  metri cubi (conținând aproximativ 105 gigatone de carbon), dar studiile estimează altul900 × 10 ¹²  metri cubi de depozite „neconvenționale” precum gazul de șist , reprezentând aproximativ 540 gigatone de carbon.

Carbonul se găsește și în hidrații de metan din regiunile polare și sub mări. Diverse estimări plasează acest carbon între 500, 2500 Gt sau 3.000 Gt.

În trecut, cantitățile de hidrocarburi erau mai mari. Potrivit unei surse, în perioada 1751-2008, aproximativ 347 gigatone de carbon au fost eliberate ca dioxid de carbon în atmosferă de la arderea combustibililor fosili. O altă sursă pune cantitatea adăugată în atmosferă pentru perioada de după 1750 la 879 Gt, iar totalul care se îndreaptă spre atmosferă, mare și uscat (cum ar fi turbării ) la aproape 2.000 Gt.

Carbonul este un constituent (aproximativ 12% din masă) din masele foarte mari de rocă carbonatică ( calcar , dolomit , marmură etc.). Cărbunele este foarte bogat în carbon ( antracitul conține 92-98%) și este cea mai mare sursă comercială de carbon mineral, reprezentând 4.000 de gigatone sau 80% din combustibilii fosili .

În ceea ce privește alotropii de carbon individuali, grafitul se găsește în cantități mari în Statele Unite (mai ales în New York și Texas ), Rusia , Mexic , Groenlanda și India . Diamantele naturale apar în roca kimberlită , găsită în „gâturile” vulcanice antice sau „țevile”. Majoritatea zăcămintelor de diamante se află în Africa , în special în Africa de Sud , Namibia , Botswana , Republica Congo și Sierra Leone . Zăcăminte de diamante au fost găsite și în Arkansas , Canada , Arctica Rusă , Brazilia și în Australia de Nord și de Vest . Diamantele sunt acum recuperate și de pe fundul oceanului în largul Capului Bunei Speranțe . Diamantele se găsesc în mod natural, dar aproximativ 30% din toate diamantele industriale utilizate în SUA sunt acum fabricate.

Carbonul 14 se formează în straturile superioare ale troposferei și stratosferei la altitudini de 9-15 km printr-o reacție care este precipitată de razele cosmice . Se produc neutroni termici care se ciocnesc cu nucleii de azot-14, formând carbon-14 și un proton. Ca atare,1,5% × 10 ⁻¹⁰ din dioxidul de carbon atmosferic conține carbon-14.

Asteroizii bogați în carbon sunt relativ preponderenți în părțile exterioare ale centurii de asteroizi din sistemul nostru solar . Acești asteroizi nu au fost încă eșantionați direct de oamenii de știință. Asteroizii pot fi utilizați în exploatarea ipotetică a carbonului pe bază de spațiu , ceea ce ar putea fi posibil în viitor, dar în prezent este imposibil din punct de vedere tehnologic.

Izotopi

Izotopii carbonului sunt nuclei atomici care conțin șase protoni plus un număr de neutroni (variind de la 2 la 16). Carbonul are doi izotopi stabili, naturali . Izotopul carbon-12 ( ¹² C) formează 98,93% din carbonul de pe Pământ, în timp ce carbon-13 ( ¹³ C) formează restul de 1,07%. Concentrația de ¹² C este în continuare crescută în materialele biologice, deoarece reacțiile biochimice discriminează ¹³ C. În 1961, Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată (IUPAC) a adoptat izotopul carbon-12 ca bază pentru greutățile atomice . Identificarea carbonului în experimentele de rezonanță magnetică nucleară (RMN) se face cu izotopul ¹³ C.

Carbon-14 ( ¹⁴ C) este un radioizotop natural , creat în atmosfera superioară ( stratosfera inferioară și troposfera superioară ) prin interacțiunea azotului cu razele cosmice . Se găsește în cantități urme pe Pământ de 1 parte pe trilion (0,0000000001%) sau mai mult, în mare parte limitate la atmosferă și depozite superficiale, în special de turbă și alte materiale organice. Acest izotop se descompune cu 0,158 MeV β ^- emisie . Datorită timpului său de înjumătățire relativ scurt de 5730 de ani, ¹⁴ C este practic absent în rocile antice. Cantitatea de ¹⁴ C din atmosferă și din organismele vii este aproape constantă, dar scade în mod previzibil în corpul lor după moarte. Acest principiu este utilizat în datarea cu radiocarbon , inventat în 1949, care a fost utilizat pe scară largă pentru a determina vârsta materialelor carbonice cu vârste de până la aproximativ 40.000 de ani.

Există 15 izotopi cunoscuți ai carbonului și cea mai scurtă durată dintre aceștia este ⁸ C, care se descompune prin emisia de protoni și descompunerea alfa și are un timp de înjumătățire de 1,98739 × 10 ⁻²¹ s. Exoticul ¹⁹ C prezintă un halou nuclear , ceea ce înseamnă că raza acestuia este considerabil mai mare decât s-ar fi așteptat dacă nucleul ar fi o sferă cu densitate constantă .

Formarea în stele

Formarea nucleului atomic de carbon are loc într-o stea gigantă sau supergigantă prin procesul tripla-alfa . Acest lucru necesită o coliziune aproape simultană a trei particule alfa ( nuclei de heliu ), deoarece produsele reacțiilor de fuziune nucleară ulterioare ale heliului cu hidrogen sau cu un alt nucleu de heliu produc litiu-5 și , respectiv, beriliu-8 , ambele fiind extrem de instabile și aproape se degradează instantaneu înapoi în nuclee mai mici. Procesul tripla-alfa are loc în condiții de temperaturi de peste 100 megakelvine și concentrație de heliu pe care expansiunea rapidă și răcirea universului timpuriu le-a interzis și, prin urmare, nu s-a creat carbon semnificativ în timpul Big Bang-ului .

Conform teoriei actuale a cosmologiei fizice, carbonul se formează în interiorul stelelor de pe ramura orizontală . Când stelele masive mor ca supernovă, carbonul este împrăștiat în spațiu ca praf. Acest praf devine material component pentru formarea sistemelor stelare de următoarea generație cu planete acumulate. Sistemul solar este un astfel de sistem stelar cu o abundență de carbon, permițând existența vieții așa cum o cunoaștem noi.

Ciclul CNO este un mecanism suplimentar de fuziune hidrogen , care alimentează stelele, în care carbon acționează ca un catalizator .

Tranzițiile de rotație ale diferitelor forme izotopice de monoxid de carbon (de exemplu, ¹² CO, ¹³ CO și ¹⁸ CO) sunt detectabile în domeniul lungimilor de undă submilimetrice și sunt utilizate în studiul stelelor nou formate în nori moleculari .

Ciclul carbonului

Diagrama ciclului carbonului. Numerele negre indică cât de mult carbon este stocat în diverse rezervoare, în miliarde de tone („GtC” înseamnă gigatone de carbon; cifrele sunt circa 2004). Numerele mov indică cantitatea de carbon care se mișcă între rezervoare în fiecare an. Sedimentele, astfel cum sunt definite în această diagramă, nu includ ~ 70 milioane GtC de rocă carbonatică și kerogen .

În condiții terestre, conversia unui element în altul este foarte rară. Prin urmare, cantitatea de carbon de pe Pământ este efectiv constantă. Astfel, procesele care utilizează carbonul trebuie să-l obțină de undeva și să-l elimine în altă parte. Căile carbonului din mediu formează ciclul carbonului . De exemplu, plantele fotosintetice extrag dioxidul de carbon din atmosferă (sau din apa de mare) și îl transformă în biomasă, ca în ciclul Calvin , un proces de fixare a carbonului . O parte din această biomasă este consumată de animale, în timp ce o parte din carbon este expirat de animale sub formă de dioxid de carbon. Ciclul carbonului este considerabil mai complicat decât această buclă scurtă; de exemplu, o parte din dioxidul de carbon este dizolvat în oceane; în cazul în care bacteriile nu îl consumă, materialele vegetale sau animale moarte pot deveni petrol sau cărbune , care eliberează carbon atunci când este ars.

Compuși

Compusi organici

Formula structurală a metanului , cel mai simplu compus organic posibil.

Corelația dintre ciclul carbonului și formarea compușilor organici. La plante, dioxidul de carbon format prin fixarea carbonului se poate uni cu apa în fotosinteză ( verde ) pentru a forma compuși organici, care pot fi utilizați și transformați în continuare atât de plante, cât și de animale.

Carbonul poate forma lanțuri foarte lungi de legături carbon-carbon interconectate , o proprietate care se numește catenare . Legăturile carbon-carbon sunt puternice și stabile. Prin catenare, carbonul formează un număr nenumărat de compuși. Un număr de compuși unici arată că mai mulți conțin carbon decât nu. O afirmație similară poate fi făcută pentru hidrogen, deoarece majoritatea compușilor organici conțin hidrogen legat chimic de carbon sau de un alt element comun, cum ar fi oxigenul sau azotul.

Cea mai simplă formă a unei molecule organice este hidrocarbura - o mare familie de molecule organice care sunt compuse din atomi de hidrogen legați de un lanț de atomi de carbon. O coloană vertebrală a hidrocarburii poate fi substituită cu alți atomi, cunoscuți sub numele de heteroatomi . Heteroatomii obișnuiți care apar în compușii organici includ oxigen, azot, sulf, fosfor și halogeni non-radioactivi, precum și metalele litiu și magneziu. Compușii organici care conțin legături la metal sunt cunoscuți ca compuși organometalici ( vezi mai jos ). Anumite grupări de atomi, inclusiv deseori heteroatomi, se repetă într-un număr mare de compuși organici. Aceste colecții, cunoscute sub numele de grupuri funcționale , conferă modele comune de reactivitate și permit studiul sistematic și clasificarea compușilor organici. Lungimea lanțului, forma și grupurile funcționale afectează toate proprietățile moleculelor organice.

În majoritatea compușilor stabili de carbon (și aproape toți compușii organici stabili ), carbonul respectă regula octetului și este tetravalent , ceea ce înseamnă că un atom de carbon formează un total de patru legături covalente (care pot include legături duble și triple). Excepțiile includ un număr mic de carbocații stabilizate (trei legături, sarcină pozitivă), radicali (trei legături, neutre), carbanioni (trei legături, sarcină negativă) și carbeni (două legături, neutre), deși aceste specii sunt mult mai susceptibile de a fi întâlnite ca intermediari instabili, reactivi.

Carbonul apare în toată viața organică cunoscută și stă la baza chimiei organice . Când este unit cu hidrogenul , formează diverse hidrocarburi importante pentru industrie ca agenți frigorifici , lubrifianți , solvenți , ca materie primă chimică pentru fabricarea materialelor plastice și petrochimice și ca combustibili fosili .

Atunci când este combinat cu oxigen și hidrogen, carbonul poate forma multe grupuri de compuși biologici importanți, inclusiv zaharuri , lignani , chitine , alcooli , grăsimi și esteri aromatici , carotenoizi și terpeni . Cu azotul formează alcaloizi și, prin adăugarea de sulf, formează și antibiotice , aminoacizi și produse din cauciuc . Odată cu adăugarea de fosfor la aceste alte elemente, formează ADN și ARN , purtătorii de coduri chimice ale vieții și adenozin trifosfat (ATP), cea mai importantă moleculă de transfer de energie din toate celulele vii.

Compuși anorganici

Compușii care conțin în mod obișnuit carbon care sunt asociați cu minerale sau care nu conțin legături la ceilalți atomi de carbon, halogeni sau hidrogen, sunt tratați separat de compușii organici clasici ; definiția nu este rigidă, iar clasificarea unor compuși poate varia de la autor la autor (vezi articolele de referință de mai sus). Printre aceștia se numără oxizii simpli de carbon. Cel mai proeminent oxid este dioxidul de carbon ( CO
2). Acesta a fost cândva principalul element constitutiv al paleoatmosferei , dar este o componentă minoră a atmosferei Pământului astăzi. Dizolvat în apă , formează acid carbonic ( H
₂CO
₃), dar ca majoritatea compușilor cu oxigeni multipli legați pe un singur carbon, este instabil. Prin intermediul acestui intermediar, totuși, se produc ioni de carbonat stabilizați prin rezonanță . Unele minerale importante sunt carbonații, în special calcitul . Disulfură de carbon ( CS
₂) este similar. Cu toate acestea, datorită proprietăților sale fizice și asocierii sale cu sinteza organică, disulfura de carbon este uneori clasificată ca solvent organic .

Celălalt oxid comun este monoxidul de carbon (CO). Se formează prin combustie incompletă și este un gaz incolor, inodor. Moleculele conțin fiecare o legătură triplă și sunt destul de polare , rezultând o tendință de a se lega permanent de moleculele de hemoglobină, deplasând oxigenul, care are o afinitate de legare mai mică. Cianura (CN ^- ), are o structură similară, dar se comportă la fel ca un ion halogen ( pseudohalogen ). De exemplu, poate forma molecula de cianogen de nitrură ((CN) ₂ ), similar cu halogenurile diatomice. De asemenea, analogul mai greu al cianurii, ciafida (CP ^- ), este, de asemenea, considerat anorganic, deși majoritatea derivaților simpli sunt extrem de instabili. Alți oxizi neobișnuiți sunt suboxidul de carbon ( C
₃O
₂), monoxidul dicarbonic instabil (C ₂ O), trioxidul de carbon (CO ₃ ), ciclopentanepentona (C ₅ O ₅ ), ciclohexanhexona (C ₆ O ₆ ) și anhidrida mellitică (C ₁₂ O ₉ ). Cu toate acestea, anhidrida mellitică este tripla anhidridă de acil a acidului mellitic; în plus, conține un inel benzenic. Astfel, mulți chimiști consideră că este organic.

În cazul metalelor reactive , cum ar fi tungstenul , carbonul formează fie carburi (C ⁴⁻ ), fie acetilide ( C²⁻
₂) pentru a forma aliaje cu puncte de topire ridicate. Acești anioni sunt, de asemenea, asociați cu metan și acetilenă , ambii acizi foarte slabi . Cu o electronegativitate de 2,5, carbonul preferă să formeze legături covalente . Câteva carburi sunt rețele covalente, cum ar fi carborundul (SiC), care seamănă cu diamantul . Cu toate acestea, chiar și cele mai polare și sărate dintre carburi nu sunt compuși complet ionici.

Compuși organometalici

Compușii organometalici conțin, prin definiție, cel puțin o legătură covalentă carbon-metal. Există o gamă largă de astfel de compuși; clasele majore includ compuși alchil-metalici simpli (de exemplu, tetraetilead ), compuși η ^2- alcheni (de exemplu, sarea Zeisei ) și compuși η ^3- alil (de exemplu, dimerul clorurii de alilpaladiu ); metaloceni care conțin liganzi ciclopentadienilici (de exemplu, ferocen ); și complexe carbene de metale de tranziție . Există numeroși carbonili metalici și cianuri metalice (de exemplu, tetracarbonil nichel și fericianură de potasiu ); unii lucrători consideră că complexele metalice carbonil și cianură fără alți liganzi de carbon sunt pur anorganici și nu organometalici. Cu toate acestea, majoritatea chimiștilor organometalici consideră că complexele metalice cu orice ligand de carbon, chiar și „carbonul anorganic” (de exemplu, carbonii, cianurile și anumite tipuri de carburi și acetilide) sunt de natură organometalică. Complexele metalice care conțin liganzi organici fără o legătură covalentă carbon-metal (de exemplu, carboxilați metalici) sunt denumiți compuși metalorganici .

În timp ce se înțelege că carbonul preferă cu tărie formarea a patru legături covalente, sunt cunoscute și alte scheme de legături exotice. Carboranii sunt derivați dodecaedrici foarte stabili ai unității [B ₁₂ H ₁₂ ] ^2- , cu un BH înlocuit cu un CH ⁺ . Astfel, carbonul este legat de cinci atomi de bor și un atom de hidrogen. Cationul [(Ph ₃ PAu) ₆ C] ²⁺ conține un carbon octaedric legat de șase fragmente fosfină-aur. Acest fenomen a fost atribuit aurophilicității liganzilor de aur, care asigură o stabilizare suplimentară a unei specii altfel labile. În natură, cofactorul fier-molibden ( FeMoco ) responsabil pentru fixarea microbiană a azotului are, de asemenea, un centru de carbon octaedric (formal o carbură, C (-IV)) legat de șase atomi de fier. În 2016, s-a confirmat că, în conformitate cu previziunile teoretice anterioare, dicarea hexametilbenzen conține un atom de carbon cu șase legături. Mai specific, dicarea ar putea fi descrisă structural prin formularea [MeC (η ⁵ -C ₅ Me ₅ )] ²⁺ , făcându-l un „ metalocen organic ” în care un fragment MeC ³⁺ este legat de un η ⁵ -C ₅ Me ₅ ^- fragmentează prin toți cei cinci atomi de carbon ai inelului.

Acest derivat antracenic conține un atom de carbon cu 5 perechi formale de electroni în jurul său.

Este important de reținut că în cazurile de mai sus, fiecare dintre legăturile la carbon conține mai puțin de două perechi formale de electroni. Astfel, numărul formal de electroni al acestor specii nu depășește un octet. Acest lucru le face hipercoordonate, dar nu hipervalente. Chiar și în cazurile de presupuse specii 10-C-5 (adică un carbon cu cinci liganzi și un număr formal de electroni de zece), după cum au raportat Akiba și colegii săi, calculele structurii electronice concluzionează că populația de electroni din jurul carbonului este încă mai puțin de opt, așa cum este adevărat pentru alți compuși cu legături cu trei centri de patru electroni .

Istorie și etimologie

Antoine Lavoisier în tinerețe

Engleză Numele carbon provine din latină carbo pentru cărbune și cărbune, de unde vine , de asemenea, franceză charbon , adica carbune. În germană , olandeză și daneză , numele pentru carbon sunt Kohlenstoff , koolstof și respectiv kulstof , toate însemnând literalmente substanță de cărbune .

Carbonul a fost descoperit în preistorie și era cunoscut sub formele de funingine și cărbune pentru primele civilizații umane . Diamantele erau cunoscute probabil încă din 2500 î.Hr. în China, în timp ce carbonul sub formă de cărbune a fost produs în jurul epocii romane prin aceeași chimie ca și astăzi, prin încălzirea lemnului într-o piramidă acoperită cu argilă pentru a exclude aerul.

Carl Wilhelm Scheele

În 1722, René Antoine Ferchault de Réaumur a demonstrat că fierul a fost transformat în oțel prin absorbția unor substanțe, cunoscute acum ca fiind carbon. În 1772, Antoine Lavoisier a arătat că diamantele sunt o formă de carbon; când a ars mostre de cărbune și diamant și a constatat că niciunul nu produce apă și că ambii eliberează aceeași cantitate de dioxid de carbon per gram . În 1779, Carl Wilhelm Scheele a arătat că grafitul, care fusese gândit ca o formă de plumb , era în schimb identic cu cărbunele, dar cu un mic amestec de fier și că dădea „acid aerian” (numele său de dioxid de carbon) când oxidat cu acid azotic. În 1786, oamenii de știință francezi Claude Louis Berthollet , Gaspard Monge și CA Vandermonde au confirmat că grafitul este în cea mai mare parte carbon, oxidându-l în oxigen la fel ca Lavoisier cu diamantul. A rămas din nou o parte din fier, pe care oamenii de știință francezi au considerat-o necesară structurii de grafit. În publicația lor au propus numele carbone (latin carbonum ) pentru elementul din grafit care a fost dat ca gaz la arderea grafitului. Antoine Lavoisier a inclus apoi carbonul ca element în manualul său din 1789.

Un nou alotrop de carbon, fullerena , care a fost descoperit în 1985 include forme nanostructurate , cum ar fi buckyballs și nanotuburi . Descoperitorii lor - Robert Curl , Harold Kroto și Richard Smalley  - au primit Premiul Nobel pentru chimie în 1996. Interesul reînnoit rezultat pentru noile forme a dus la descoperirea alotropilor exotici suplimentari, inclusiv carbonul sticlos , și realizarea că „ carbonul amorf ” este nu strict amorf .

Producție

Grafit

Depozitele naturale de grafit viabile din punct de vedere comercial apar în multe părți ale lumii, dar cele mai importante surse din punct de vedere economic se află în China , India , Brazilia și Coreea de Nord . Zăcămintele de grafit sunt de origine metamorfică , întâlnite în asociere cu cuarțul , mica și feldspatii din șisturi, gneise și gresii și calcarele metamorfozate ca lentile sau vene , uneori cu grosimea unui metru sau mai mult. Depozitele de grafit din Borrowdale , Cumberland , Anglia aveau la început dimensiuni și purități suficiente încât, până în secolul al XIX-lea, creioanele erau realizate pur și simplu tăind blocuri de grafit natural în benzi înainte de a înfășura benzile în lemn. Astăzi, depozite mai mici de grafit sunt obținute prin zdrobirea rocii părinte și prin plutirea grafitului mai ușor pe apă.

Există trei tipuri de grafit natural - amorf, fulgi sau fulgi cristalini și vene sau bucăți. Grafitul amorf este de cea mai mică calitate și cel mai abundent. Contrar științei, în industrie „amorf” se referă mai degrabă la dimensiuni foarte mici ale cristalelor decât la lipsa completă a structurii cristaline. Amorf este utilizat pentru produsele din grafit cu valoare mai mică și este cel mai mic preț la grafit. Depozite mari de grafit amorf se găsesc în China, Europa, Mexic și Statele Unite. Grafitul în fulgi este mai puțin obișnuit și de calitate superioară decât cel amorf; apare ca plăci separate care s-au cristalizat în roca metamorfică. Grafitul fulg poate fi de patru ori mai mare decât prețul amorfului. Fulgi de bună calitate pot fi transformați în grafit expandabil pentru multe utilizări, cum ar fi ignifugii . Cele mai importante depozite se găsesc în Austria, Brazilia, Canada, China, Germania și Madagascar. Grafitul cu venă sau bucată este cel mai rar, mai valoros și cel mai înalt tip de grafit natural. Apare în vene de-a lungul contactelor intruzive în bulgări solizi și este exploatat numai comercial în Sri Lanka.

Potrivit USGS , producția mondială de grafit natural a fost de 1,1 milioane de tone în 2010, la care China a contribuit 800.000 t, India 130.000 t, Brazilia 76.000 t, Coreea de Nord 30.000 t și Canada 25.000 t. Niciun grafit natural nu a fost raportat exploatat în Statele Unite, dar în 2009 au fost produse 118.000 t de grafit sintetic cu o valoare estimată la 998 milioane dolari.

Diamant

Producția de diamante în 2005

Lanțul de aprovizionare cu diamante este controlat de un număr limitat de companii puternice și este, de asemenea, foarte concentrat într-un număr mic de locații din întreaga lume (a se vedea figura).

Doar o fracțiune foarte mică din minereul de diamant este format din diamante reale. Minereul este zdrobit, timp în care trebuie să se acorde atenție pentru a preveni distrugerea diamantelor mai mari în acest proces și ulterior particulele sunt sortate în funcție de densitate. Astăzi, diamantele sunt situate în fracția de densitate bogată în diamante cu ajutorul fluorescenței cu raze X , după care ultimii pași de sortare se fac manual. Înainte ca utilizarea razelor X să devină banală, separarea se făcea cu curele de grăsime; diamantele au o tendință mai puternică de a se lipi de grăsime decât celelalte minerale din minereu.

Din punct de vedere istoric, diamantele se găseau doar în depozitele aluvionare din sudul Indiei . India a condus lumea în producția de diamante de la momentul descoperirii lor în aproximativ secolul al IX-lea î.Hr. până la mijlocul secolului al XVIII-lea d.Hr., dar potențialul comercial al acestor surse fusese epuizat de la sfârșitul secolului al XVIII-lea și în acel moment India era eclipsată de Brazilia unde au fost găsite primele diamante non-indiene în 1725.

Producția de diamante a zăcămintelor primare (kimberlite și lamproite) a început abia în anii 1870 după descoperirea câmpurilor de diamante din Africa de Sud. Producția a crescut în timp și acum s-au extras un total acumulat de 4,5 miliarde de carate de la acea dată. Aproximativ 20% din această sumă a fost exploatată doar în ultimii 5 ani, iar în ultimii zece ani au început producția 9 mine noi, în timp ce încă 4 așteaptă să fie deschise în curând. Majoritatea acestor mine sunt situate în Canada, Zimbabwe, Angola și una în Rusia.

În Statele Unite, diamantele au fost găsite în Arkansas , Colorado și Montana . În 2004, o descoperire uimitoare a unui diamant microscopic în Statele Unite a condus la eșantionarea în vrac a țevilor de kimberlit într-o parte îndepărtată a Montanei .

Astăzi, cele mai multe depozite viabile din punct de vedere comercial se află în Rusia , Botswana , Australia și Republica Democrată Congo . În 2005, Rusia a produs aproape o cincime din producția globală de diamante, relatează British Geological Survey . Australia are cea mai bogată țeavă diamantiferă, producția atingând nivelurile de vârf de 42 tone metrice (41 tone lungi; 46 tone scurte) pe an în anii 1990. Există, de asemenea, zăcăminte comerciale exploatate activ în teritoriile de nord - vest ale Canadei , Siberia (în cea mai mare parte pe teritoriul Yakutia ; de exemplu, conducta Mir și conducta Udachnaya ), Brazilia și în nordul și vestul Australiei .

Aplicații

Cablurile pentru creioane mecanice sunt realizate din grafit (adesea amestecat cu un lut sau liant sintetic).

Bastoane de viță de vie și cărbune comprimat

O cârpă din fibre de carbon țesute

Carbid de siliciu monocristal

C ₆₀ Fulerena în formă cristalină

Freze terminale din carbură de tungsten

Carbonul este esențial pentru toate sistemele vii cunoscute și fără el viața așa cum știm că nu ar putea exista (a se vedea biochimia alternativă ). Utilizarea economică majoră a carbonului, altul decât alimentele și lemnul, este sub formă de hidrocarburi, în special combustibilul fosil gaz metan și țiței (petrol). Petrolul este distilat în rafinării de industria petrochimică pentru a produce benzină , kerosen și alte produse. Celuloza este un polimer natural, care conține carbon, produs de plante sub formă de lemn , bumbac , in și cânepă . Celuloza este utilizată în principal pentru menținerea structurii în plante. Polimerii de carbon cu valoare comercială de origine animală includ lână , cașmir și mătase . Materialele plastice sunt fabricate din polimeri sintetici de carbon, adesea cu atomi de oxigen și azot incluși la intervale regulate în lanțul principal de polimeri. Materiile prime pentru multe dintre aceste substanțe sintetice provin din țiței.

Utilizările carbonului și ale compușilor săi sunt extrem de variate. Poate forma aliaje cu fier , dintre care cel mai frecvent este oțelul carbon . Grafitul este combinat cu argile pentru a forma „plumbul” folosit în creioane utilizate pentru scriere și desen . Este, de asemenea, utilizat ca lubrifiant și pigment , ca material de turnare în fabricarea sticlei , în electrozi pentru baterii uscate și în galvanizare și electroformare , în perii pentru motoare electrice și ca moderator de neutroni în reactoarele nucleare .

Cărbune din lemn este folosit ca material de desen în artă , gratar gratar , topirea fierului , și în multe alte aplicații. Lemnul, cărbunele și petrolul sunt utilizate ca combustibil pentru producerea de energie și încălzire . Diamantul de calitate prețioasă este utilizat în bijuterii, iar diamantele industriale sunt utilizate în găurirea, tăierea și lustruirea instrumentelor pentru prelucrarea metalelor și a pietrei. Materialele plastice sunt fabricate din hidrocarburi fosile, iar fibra de carbon , realizată prin piroliza fibrelor sintetice de poliester , este utilizată pentru a întări materialele plastice pentru a forma materiale compozite avansate și ușoare .

Fibra de carbon este fabricată prin piroliza filamentelor extrudate și întinse de poliacrilonitril (PAN) și a altor substanțe organice. Structura cristalografică și proprietățile mecanice ale fibrei depind de tipul materiei prime și de prelucrarea ulterioară. Fibrele de carbon fabricate din PAN au o structură asemănătoare filamentelor înguste de grafit, dar prelucrarea termică poate reordona structura într-o foaie laminată continuă. Rezultatul este fibre cu rezistență specifică la tracțiune mai mare decât oțelul.

Negrul de fum este folosit ca pigment negru în cerneala de imprimare , vopseaua de ulei a artistului și culorile de apă, hârtia carbon , finisajele auto, cerneala India și tonerul imprimantei laser . Negrul de fum este, de asemenea, utilizat ca material de umplutură în produsele din cauciuc , cum ar fi anvelopele și în compușii din plastic . Cărbunele activ este utilizat ca absorbant și adsorbant în materialul filtrant în aplicații la fel de diverse precum măștile de gaz , purificarea apei și hote de bucătărie și în medicină pentru a absorbi toxinele, otrăvurile sau gazele din sistemul digestiv . Carbonul este utilizat în reducerea substanțelor chimice la temperaturi ridicate. Coca-Cola este utilizată pentru a reduce minereul de fier în fier (topire). Întărirea carcasei oțelului se realizează prin încălzirea componentelor de oțel finite în pulbere de carbon. Carburile de siliciu , tungsten , bor și titan se numără printre cele mai dure materiale cunoscute și sunt utilizate ca substanțe abrazive în instrumentele de tăiere și șlefuire. Compuși de carbon constituie majoritatea materialelor utilizate în îmbrăcăminte, cum ar fi naturale și sintetice textile și piele , și aproape toate suprafețele interioare din mediul construit altele decât cele din sticlă, piatră și metal.

Diamante

Industria diamantelor se încadrează în două categorii: una care se ocupă cu diamante de calitate prețioasă și cealaltă, cu diamante de calitate industrială. În timp ce există un mare comerț cu ambele tipuri de diamante, cele două piețe funcționează dramatic diferit.

Spre deosebire de metalele prețioase precum aurul sau platina , diamantele nestemate nu se comercializează ca marfă : există o majorare substanțială în vânzarea diamantelor și nu există o piață foarte activă pentru revânzarea diamantelor.

Diamantele industriale sunt apreciate mai ales pentru duritatea și conductivitatea la căldură, calitățile gemologice ale clarității și culorii fiind în mare parte irelevante. Aproximativ 80% din diamantele extrase (egale cu aproximativ 100 de milioane de carate sau 20 de tone anual) nu sunt adecvate pentru utilizare, deoarece pietrele prețioase sunt retrogradate pentru uz industrial (cunoscut sub numele de bort ) . diamantele sintetice , inventate în anii 1950, au găsit aplicații industriale aproape imediate; Se produc anual 3 miliarde de carate (600  tone ) de diamant sintetic.

Utilizarea industrială dominantă a diamantului este în tăiere, găurire, șlefuire și lustruire. Majoritatea acestor aplicații nu necesită diamante mari; de fapt, majoritatea diamantelor de calitate prețioasă, cu excepția dimensiunilor mici, pot fi utilizate industrial. Diamantele sunt încorporate în vârfuri de găurit sau lame de ferăstrău, sau măcinate într-o pulbere pentru utilizare în aplicații de măcinare și lustruire. Aplicațiile specializate includ utilizarea în laboratoare ca izolare pentru experimente de înaltă presiune (a se vedea celula de nicovală cu diamant ), rulmenți de înaltă performanță și utilizarea limitată în ferestre specializate . Odată cu progresele continue în producția de diamante sintetice, noi aplicații devin fezabile. Obținerea multor emoții este posibila utilizare a diamantului ca semiconductor potrivit pentru microcipuri și datorită proprietății sale excepționale de conductanță a căldurii, ca radiator în electronică .

Precauții

Muncitor la fabrica de negru de fum din Sunray, Texas (foto de John Vachon , 1942)

Carbonul pur are o toxicitate extrem de redusă pentru oameni și poate fi manipulat în siguranță sub formă de grafit sau cărbune. Este rezistent la dizolvare sau atac chimic, chiar și în conținutul acid al tractului digestiv. În consecință, odată ce intră în țesuturile corpului, este probabil să rămână acolo pe termen nelimitat. Negrul de fum a fost probabil unul dintre primii pigmenți care au fost folosiți pentru tatuare , iar Ötzi the Iceman s-a dovedit că are tatuaje de carbon care au supraviețuit în timpul vieții sale și timp de 5200 de ani după moartea sa. Inhalarea de praf de cărbune sau funingine (negru de fum) în cantități mari poate fi periculoasă , iritând țesuturile pulmonare și provocând boala pulmonară congestivă , pneumoconioza lucrătorului cărbunelui . Praful de diamant utilizat ca substanță abrazivă poate fi dăunător dacă este ingerat sau inhalat. Microparticulele de carbon sunt produse în gazele de eșapament ale motorului diesel și se pot acumula în plămâni. În aceste exemple, răul poate rezulta din contaminanți (de exemplu, substanțe chimice organice, metale grele), mai degrabă decât din carbonul însuși.

Carbonul are, în general, o toxicitate redusă pentru viața de pe Pământ ; dar nanoparticulele de carbon sunt mortale pentru Drosophila .

Carbonul poate arde viguros și puternic în prezența aerului la temperaturi ridicate. Acumulările mari de cărbune, care au rămas inerte de sute de milioane de ani în absența oxigenului, pot arde spontan atunci când sunt expuse la aer în vârfurile de deșeuri ale minelor de cărbune, în depozitele de mărfuri și în buncărele de cărbune și în haldele de depozitare.

În aplicațiile nucleare în care grafitul este utilizat ca moderator de neutroni , poate apărea acumularea de energie Wigner urmată de o eliberare bruscă și spontană. Recuplarea la cel puțin 250 ° C poate elibera energia în siguranță, deși în incendiul Windscale procedura a mers prost, provocând arderea altor materiale ale reactorului.

Marea varietate de compuși ai carbonului include otrăvuri letale precum tetrodotoxina , lectina ricină din semințele plantei de ulei de ricin Ricinus communis , cianura (CN ^- ) și monoxidul de carbon ; și esențiale pentru viață precum glucoza și proteinele .

Vezi si

Referințe

Bibliografie

• Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Chimia elementelor (ed. A II-a). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.

linkuri externe

• Carbon on In Our Time la BBC
• Carbonul la tabelul periodic al videoclipurilor (Universitatea din Nottingham)
• Carbon pe Britannica
• Pagină extinsă de carbon la asu.edu
• Utilizări electrochimice ale carbonului
• Carbon - Super chestii. Animație cu sunet și modele 3D interactive.