Das Kohlenstoff Es ist ein nichtmetallisches chemisches Element, dessen chemisches Symbol C ist. Es verdankt seinen Namen Kohle, Gemüse oder Mineralien, wo seine Atome verschiedene Strukturen definieren. Viele Autoren qualifizieren es als König der Elemente, da es eine breite Palette organischer und anorganischer Verbindungen bildet und auch in einer beträchtlichen Anzahl von Allotropen vorkommt..
Und wenn dies nicht ausreicht, um es als besonderes Element zu bezeichnen, ist es in allen Lebewesen zu finden; Alle seine Biomoleküle verdanken ihre Existenz der Stabilität und Stärke der C-C-Bindungen und ihrer hohen Neigung zur Verkettung. Kohlenstoff ist das Element des Lebens, und mit seinen Atomen werden ihre Körper aufgebaut.
Die organischen Verbindungen, mit denen Biomaterialien aufgebaut sind, bestehen praktisch aus Kohlenstoffgerüsten und Heteroatomen. Diese können mit bloßem Auge im Wald der Bäume gesehen werden; und auch, wenn ein Blitz sie trifft und sie brät. Der verbleibende inerte schwarze Feststoff hat auch Kohlenstoff; aber es geht um Holzkohle.
Daher gibt es „tote“ Manifestationen dieses Elements: Holzkohle, ein Produkt der Verbrennung in sauerstoffarmen Umgebungen; und Mineralkohle, ein Produkt geologischer Prozesse. Beide Feststoffe sehen gleich aus, sie sind schwarz und sie verbrennen, um Wärme und Energie zu erzeugen. obwohl mit unterschiedlichen Ausbeuten.
Von diesem Zeitpunkt an ist Kohlenstoff das 15. am häufigsten vorkommende Element in der Erdkruste. Kein Wunder, wenn jährlich Millionen Tonnen Kohle produziert werden. Diese Mineralien unterscheiden sich in ihren Eigenschaften je nach Grad der Verunreinigungen, wodurch Anthrazit als Mineralkohle höchster Qualität eingestuft wird..
Die Erdkruste ist nicht nur reich an Mineralkohle, sondern auch an Karbonaten, insbesondere Kalkstein und Dolomiten. Und in Bezug auf das Universum ist es das vierthäufigste Element; Ich meine, es gibt mehr Kohlenstoff auf anderen Planeten.
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Kohlenstoff kann so alt sein wie die Erdkruste selbst. Seit jeher sind antike Zivilisationen in ihren vielen natürlichen Darstellungen auf dieses Element gestoßen: Ruß, Holzkohle, Holzkohle, Holzkohle, Diamanten, Graphit, Kohlenteer, Anthrazit usw..
Alle diese Feststoffe, obwohl sie die dunklen Töne (mit Ausnahme von Diamant) teilten, unterschieden sich der Rest ihrer physikalischen Eigenschaften sowie ihre Zusammensetzung erheblich. Damals war es unmöglich zu behaupten, dass sie im Wesentlichen aus Kohlenstoffatomen bestanden.
So wurde Kohle im Laufe der Geschichte beim Verbrennen und bei der Bereitstellung von Wärme nach ihrer Qualität klassifiziert. Und mit den durch seine Verbrennung gebildeten Gasen wurden Wassermassen erhitzt, die wiederum Dämpfe erzeugten, die Turbinen bewegten, die elektrische Ströme erzeugten..
Kohlenstoff war unerwartet in Holzkohle vorhanden, die durch Verbrennen von Bäumen in geschlossenen oder hermetischen Räumen erzeugt wurde. in dem Graphit, mit dem die Stifte hergestellt wurden; in Diamanten, die als Edelsteine verwendet werden; war verantwortlich für die Härte des Stahls.
Seine Geschichte geht Hand in Hand mit Holz, Schießpulver, Stadtbeleuchtungsgasen, Zügen und Schiffen, Bier, Schmiermitteln und anderen wesentlichen Objekten für den Fortschritt der Menschheit..
Ab wann konnten Wissenschaftler die Allotrope und Mineralien des Kohlenstoffs mit demselben Element assoziieren? Kohle wurde als Mineral angesehen und nicht als chemisches Element angesehen, das dem Periodensystem würdig war. Der erste Schritt sollte sein, zu zeigen, dass alle diese Feststoffe in dasselbe Gas umgewandelt wurden: Kohlendioxid, COzwei.
Antoine Lavoisier fokussierte 1772 mit einem Holzrahmen mit großen Linsen die Sonnenstrahlen auf Proben von Holzkohle und einem Diamanten. Er entdeckte, dass keiner von ihnen Wasserdämpfe bildete, außer COzwei. Er tat dasselbe mit dem Ruß und erzielte die gleichen Ergebnisse..
Carl Wilhelm Scheele fand 1779 die chemische Beziehung zwischen Holzkohle und Graphit; Das heißt, beide Feststoffe bestanden aus den gleichen Atomen.
Smithson Tennant und William Hyde Wollaston bestätigten 1797 methodisch (durch Reaktionen), dass Diamant tatsächlich aus Kohlenstoff besteht, indem sie CO produzierenzwei in seiner Verbrennung.
Mit diesen Ergebnissen wurde bald Licht auf Graphit und Diamant geworfen, Feststoffe, die durch Kohlenstoff gebildet wurden und daher von hoher Reinheit waren; im Gegensatz zu den unreinen Feststoffen von Kohle und anderen kohlenstoffhaltigen Mineralien.
Die physikalischen oder chemischen Eigenschaften von Feststoffen, Mineralien oder kohlenstoffhaltigen Materialien unterliegen vielen Variablen. Dazu gehören: die Zusammensetzung oder der Grad der Verunreinigungen, die Hybridisierungen der Kohlenstoffatome, die Vielfalt der Strukturen und die Morphologie oder Größe der Poren..
Wenn die Eigenschaften von Kohlenstoff beschrieben werden, basieren die meisten Texte oder bibliografischen Quellen auf Graphit und Diamant..
Warum? Weil sie die bekanntesten Allotrope für dieses Element sind und hochreine Feststoffe oder Materialien darstellen; Das heißt, sie bestehen praktisch nur aus Kohlenstoffatomen (obwohl sie unterschiedliche Strukturen haben, wie im nächsten Abschnitt erläutert wird)..
Die Eigenschaften von Holzkohle und Mineralkohle unterscheiden sich in ihrer Herkunft bzw. Zusammensetzung. Beispielsweise kriecht Braunkohle (kohlenstoffarm) als Kraftstoff im Vergleich zu Anthrazit (kohlenstoffarm). Und was ist mit den anderen Allotropen: Nanoröhren, Fullerene, Graphene, Graffine usw..
Chemisch haben sie jedoch einen Punkt gemeinsam: Sie oxidieren mit einem Überschuss an Sauerstoff in COzwei::
C. + ODERzwei => COzwei
Nun ist die Geschwindigkeit oder Temperatur, die sie zum Oxidieren benötigen, für jedes dieser Allotrope spezifisch..
Hier wird auch kurz auf die sehr unterschiedlichen Eigenschaften dieser beiden Allotrope eingegangen:
Die Elektronenkonfiguration für das Kohlenstoffatom beträgt 1szwei2szwei2 P.zwei, auch geschrieben als [He] 2szwei2 P.zwei (oberes Bild). Diese Darstellung entspricht seinem Grundzustand: Das Kohlenstoffatom ist isoliert und in einem solchen Vakuum suspendiert, dass es nicht mit anderen interagieren kann..
Es ist ersichtlich, dass einem seiner 2p-Orbitale Elektronen fehlen, die durch elektronische Förderung ein Elektron aus dem 2s-Orbital mit niedrigerer Energie aufnehmen. und somit erhält das Atom die Fähigkeit, bis zu vier kovalente Bindungen durch seine vier sp-Hybridorbitale zu bilden3.
Beachten Sie, dass die vier sp-Orbitale3 Ihre Energie ist entartet (auf derselben Ebene ausgerichtet). Orbitale p rein sind energetischer, weshalb sie sich über den anderen Hybridorbitalen befinden (rechts im Bild).
Wenn es drei Hybridorbitale gibt, liegt dies daran, dass ein Orbital übrig bleibt p ohne zu hybridisieren; Daher sind es drei sp-Orbitalezwei. Und wenn es zwei dieser Hybridorbitale gibt, zwei Orbitale p stehen zur Bildung von Doppel- oder Dreifachbindungen zur Verfügung, bei denen es sich um die sp-Kohlenstoff-Hybridisierung handelt.
Solche elektronischen Aspekte sind wichtig, um zu verstehen, warum Kohlenstoff in unendlichen Allotropen vorkommt..
Bevor wir mit den Strukturen fortfahren, ist es erwähnenswert, dass angesichts der Valenzelektronenkonfiguration 2szwei2 P.zwei, Kohlenstoff kann die folgenden Oxidationszahlen haben: +4, +2, 0, -2 und -4.
Warum? Diese Zahlen entsprechen der Annahme, dass eine Ionenbindung besteht, so dass Sie die Ionen mit den jeweiligen Ladungen bilden; das heißt, C.4+, C.zwei+, C.0 (neutral), C.zwei- und C4-.
Damit Kohlenstoff eine positive Oxidationszahl hat, muss er Elektronen verlieren. und um dies zu tun, muss es notwendigerweise an sehr elektronegative Atome (wie Sauerstoff) gebunden sein.
Damit Kohlenstoff eine negative Oxidationszahl hat, muss er Elektronen gewinnen, indem er sich an Metallatome bindet oder weniger elektronegativ ist als er (wie Wasserstoff)..
Die erste Oxidationszahl +4 bedeutet, dass der Kohlenstoff alle Valenzelektronen verloren hat; Die 2s und 2p Orbitale bleiben leer. Wenn das 2p-Orbital seine zwei Elektronen verliert, hat der Kohlenstoff eine Oxidationszahl von +2; Wenn Sie zwei Elektronen gewinnen, haben Sie -2; und wenn Sie zwei weitere Elektronen gewinnen, indem Sie Ihr Valenzoktett vervollständigen, -4.
Zum Beispiel für COzwei die Oxidationszahl von Kohlenstoff beträgt +4 (weil Sauerstoff elektronegativer ist); während für die CH4, ist -4 (weil Wasserstoff weniger elektronegativ ist).
Für den CH3OH, die Oxidationszahl von Kohlenstoff beträgt -2 (+1 für H und -2 für O); während für HCOOH es +2 ist (überprüfen Sie, ob die Summe 0 ergibt).
Andere Oxidationsstufen wie -3 und +3 sind ebenfalls wahrscheinlich, insbesondere wenn es um organische Moleküle geht; zum Beispiel in den Methylgruppen -CH3.
Das obere Bild zeigte nicht nur die Hybridisierung der Orbitale für das Kohlenstoffatom, sondern auch die resultierenden Molekülgeometrien, wenn mehrere Atome (schwarze Kugeln) mit einem zentralen verbunden waren. Dieses Zentralatom muss die entsprechende chemische Hybridisierung aufweisen, die es ermöglicht, um eine bestimmte geometrische Umgebung im Raum zu haben..
Zum Beispiel hat für den Tetraeder der zentrale Kohlenstoff eine sp-Hybridisierung3;; weil dies die stabilste Anordnung für die vier sp-Hybridorbitale ist3. Im Fall von sp-Kohlenstoffenzwei, Sie können Doppelbindungen bilden und eine Umgebung auf trigonaler Ebene haben. und so definieren diese Dreiecke ein perfektes Sechseck. Und für eine sp-Hybridisierung nehmen die Kohlenstoffe eine lineare Geometrie an.
Somit werden die in den Strukturen aller Allotrope beobachteten Geometrien einfach in Tetraedern (sp3), Sechsecke oder Fünfecke (spzwei) und Linien (sp).
Tetraeder definieren eine 3D-Struktur, während Sechsecke, Pentagone und Linien 3D- oder 2D-Strukturen; Letztere sind die Ebenen oder Blätter, die den Wänden der Waben ähnlich sind:
Und wenn wir diese sechseckige Wand (fünfeckig oder gemischt) falten, erhalten wir eine Röhre (Nanoröhren) oder eine Kugel (Fullerene) oder eine andere Figur. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Figuren führen zu unterschiedlichen Morphologien.
Abgesehen von den Geometrien, Hybridisierungen oder Morphologien der möglichen Strukturen von Kohlenstoff können seine Feststoffe global in zwei Typen eingeteilt werden: amorph oder kristallin. Und zwischen diesen beiden Klassifikationen sind ihre Allotrope verteilt.
Amorpher Kohlenstoff ist einfach einer, der eine beliebige Mischung aus Tetraedern, Sechsecken oder Linien darstellt und kein Strukturmuster herstellen kann. Dies ist der Fall bei Kohle, Holzkohle oder Aktivkohle, Koks, Ruß usw..
Während der kristalline Kohlenstoff aus Strukturmustern besteht, die durch eine der vorgeschlagenen Geometrien gebildet werden; Zum Beispiel Diamant (dreidimensionales Netzwerk von Tetraedern) und Graphit (gestapelte hexagonale Schichten).
Kohlenstoff kann als Graphit oder Diamant rein sein. Diese befinden sich in ihren jeweiligen mineralogischen Lagerstätten, die auf der ganzen Welt und in verschiedenen Ländern verstreut sind. Deshalb exportieren einige Nationen eines dieser Mineralien mehr als andere. Kurz gesagt, "Sie müssen die Erde graben", um Kohlenstoff zu erhalten.
Gleiches gilt für Mineralkohle und ihre Arten. Dies ist jedoch bei Holzkohle nicht der Fall, da ein kohlenstoffreicher Körper zuerst "untergehen" muss, entweder unter Beschuss oder durch einen elektrischen Blitz. in Abwesenheit von Sauerstoff würde natürlich CO freigesetztzwei.
Ein ganzer Wald ist eine Kohlenstoffquelle wie Holzkohle; nicht nur für seine Bäume, sondern auch für seine Fauna.
Im Allgemeinen müssen kohlenstoffhaltige Proben einer Pyrolyse unterzogen werden (Verbrennung in Abwesenheit von Sauerstoff), um einige der Verunreinigungen als Gase freizusetzen. und somit bleibt ein kohlenstoffreicher Feststoff (amorph oder kristallin) als Rückstand zurück.
Wie die Eigenschaften und die Struktur stimmen auch die Verwendungen oder Anwendungen mit den Allotropen oder mineralogischen Formen von Kohlenstoff überein. Es gibt jedoch einige allgemeine Aspekte, die zusätzlich zu einigen bekannten Punkten erwähnt werden können. Solche sind:
-Kohlenstoff wird seit langem als mineralisches Reduktionsmittel verwendet, um reine Metalle zu erhalten. Zum Beispiel Eisen, Silizium und Phosphor.
-Es ist der Eckpfeiler des Lebens, und organische Chemie und Biochemie sind die Studien dieser Reflexion..
-Es war auch ein fossiler Brennstoff, der es den ersten Maschinen ermöglichte, ihre Gänge zu drehen. In ähnlicher Weise wurde daraus Kohlenstoffgas für die alten Beleuchtungssysteme gewonnen. Kohle war ein Synonym für Licht, Wärme und Energie.
-Als Additiv mit Eisen in unterschiedlichen Anteilen gemischt, ermöglichte es die Erfindung und Verbesserung von Stählen.
-Seine schwarze Farbe fand in der Kunst statt, insbesondere in Graphit und allen Schriften, die mit seinen Strichen gemacht wurden..
Kohlenstoff und seine Feststoffe stellen kein Gesundheitsrisiko dar. Wer hat sich jemals um eine Tüte Holzkohle gekümmert? Sie werden in Scharen in den Gängen einiger Märkte verkauft, und solange es kein Feuer in der Nähe gibt, brennen ihre schwarzen Blöcke nicht..
Koks hingegen kann ein Risiko darstellen, wenn sein Schwefelgehalt hoch ist. Beim Verbrennen werden Schwefelgase freigesetzt, die nicht nur giftig sind, sondern auch zu saurem Regen beitragen. Und obwohl der COzwei in kleinen Mengen kann es uns nicht ersticken, es übt als Treibhausgas einen enormen Einfluss auf die Umwelt aus.
Aus dieser Perspektive ist Kohlenstoff eine "langfristige" Gefahr, da seine Verbrennung das Klima unseres Planeten verändert..
In einem physikalischeren Sinne werden die Feststoffe oder kohlenstoffhaltigen Materialien, wenn sie pulverisiert werden, leicht durch Luftströmungen transportiert. und folglich werden sie direkt in die Lunge eingeführt, was sie irreparabel schädigen kann.
Im Übrigen ist es sehr üblich, "Holzkohle" zu konsumieren, wenn etwas gekocht wird.
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