ნახშირბადი არის ნახშირბადის ატომი. ნახშირბადის მასა

2024 ავტორი: Angel Austin | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-19 15:35

ერთ-ერთი ყველაზე საოცარი ელემენტი, რომელსაც შეუძლია შექმნას ორგანული და არაორგანული ბუნების ნაერთების უზარმაზარი მრავალფეროვნება, არის ნახშირბადი. ეს ელემენტი იმდენად უჩვეულოა თავისი თვისებებით, რომ მენდელეევმაც კი უწინასწარმეტყველა დიდი მომავალი, ისაუბრა მახასიათებლებზე, რომლებიც ჯერ არ არის გამჟღავნებული.

მოგვიანებით პრაქტიკულად დადასტურდა. ცნობილი გახდა, რომ ეს არის ჩვენი პლანეტის მთავარი ბიოგენური ელემენტი, რომელიც არის აბსოლუტურად ყველა ცოცხალი არსების ნაწილი. გარდა ამისა, შეუძლია არსებობდეს ყველა თვალსაზრისით რადიკალურად განსხვავებული ფორმებით, მაგრამ ამავე დროს შედგება მხოლოდ ნახშირბადის ატომებისგან.

ზოგადად, ამ სტრუქტურას აქვს მრავალი მახასიათებელი და ჩვენ შევეცდებით მათ გაუმკლავდეთ სტატიის მსვლელობისას.

ნახშირბადი: ფორმულა და პოზიცია ელემენტების სისტემაში

პერიოდულ სისტემაში ელემენტი ნახშირბადი მდებარეობს IV (ახალი მოდელის მიხედვით 14) ჯგუფში, მთავარ ქვეჯგუფში. მისი სერიული ნომერია 6, ატომური წონა კი 12.011. ელემენტის აღნიშვნა C ნიშნით მიუთითებს მის სახელზე ლათინურად - carboneum. არსებობს რამდენიმე განსხვავებული ფორმა, რომელშიც ნახშირბადი არსებობს. ამიტომ მისი ფორმულა განსხვავებულია და დამოკიდებულია კონკრეტულ მოდიფიკაციაზე.

თუმცა, რეაქციის განტოლებების დასაწერად, აღნიშვნა სპეციფიკურია,რა თქმა უნდა აქვს. ზოგადად, როდესაც ვსაუბრობთ ნივთიერებაზე მის სუფთა სახით, მიღებულია ნახშირბადის C მოლეკულური ფორმულა, ინდექსირების გარეშე.

ელემენტის აღმოჩენის ისტორია

თავად ეს ელემენტი ცნობილი იყო ანტიკურ დროიდან. ყოველივე ამის შემდეგ, ბუნებაში ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მინერალი არის ქვანახშირი. ამიტომ ძველი ბერძნებისთვის, რომაელებისთვის და სხვა ეროვნებისთვის ის საიდუმლო არ იყო.

ამ ჯიშის გარდა გამოიყენებოდა ბრილიანტი და გრაფიტიც. ამ უკანასკნელთან დიდი ხნის განმავლობაში იყო მრავალი დამაბნეველი სიტუაცია, რადგან ხშირად, შემადგენლობის ანალიზის გარეშე, გრაფიტისთვის იღებდნენ ისეთ ნაერთებს, როგორიცაა:

• ვერცხლის უპირატესობა;
• რკინის კარბიდი;
• მოლიბდენის სულფიდი.

ისინი ყველა იყო შეღებილი შავი და ამიტომ ითვლებოდა გრაფიტად. მოგვიანებით, ეს გაუგებრობა მოიხსნა და ნახშირბადის ეს ფორმა თავად იქცა.

1725 წლიდან ბრილიანტებს დიდი კომერციული მნიშვნელობა ჰქონდათ, 1970 წელს კი მათი ხელოვნურად მიღების ტექნოლოგია დაეუფლათ. 1779 წლიდან, კარლ შილის მუშაობის წყალობით, შეისწავლეს ქიმიური თვისებები, რომლებსაც ნახშირბადი ავლენს. ეს იყო ამ ელემენტის სფეროში მნიშვნელოვანი აღმოჩენების სერიის დასაწყისი და გახდა საფუძველი მისი ყველა უნიკალური მახასიათებლის გასარკვევად.

ნახშირბადის იზოტოპები და გავრცელება ბუნებაში

მიუხედავად იმისა, რომ აღნიშნული ელემენტი ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ბიოგენურია, მისი მთლიანი შემცველობა დედამიწის ქერქის მასაში არის 0,15%. ეს გამოწვეულია იმით, რომ იგი ექვემდებარება მუდმივ ცირკულაციას, ბუნებრივ ციკლს.

ზოგადად, არსებობს რამდენიმენახშირბადის შემცველი მინერალური ნაერთები. ეს არის ისეთი ბუნებრივი ჯიშები, როგორიცაა:

• დოლომიტები და კირქვები;
• ანტრაციტი;
• ნავთობის ფიქალი;
• ბუნებრივი აირი;
• ნახშირი;
• ზეთი;
• ლიგნიტი;
• ტორფი;
• ბიტუმი.

ამის გარდა, არ უნდა დავივიწყოთ ცოცხალი არსებები, რომლებიც მხოლოდ ნახშირბადის ნაერთების საცავია. ყოველივე ამის შემდეგ, მათ შექმნეს ცილები, ცხიმები, ნახშირწყლები, ნუკლეინის მჟავები, რაც ნიშნავს ყველაზე სასიცოცხლო სტრუქტურულ მოლეკულებს. ზოგადად, 70 კგ-დან მშრალი სხეულის წონის გარდაქმნისას 15 მოდის სუფთა ელემენტზე. ასეა ყველა ადამიანს, რომ აღარაფერი ვთქვათ ცხოველებზე, მცენარეებზე და სხვა არსებებზე.

თუ გავითვალისწინებთ ჰაერისა და წყლის შემადგენლობას, ანუ მთლიანად ჰიდროსფეროს და ატმოსფეროს, მაშინ არსებობს ნახშირბად-ჟანგბადის ნარევი, რომელიც გამოიხატება CO_{2 ფორმულით.. დიოქსიდი ან ნახშირორჟანგი არის ერთ-ერთი მთავარი აირი, რომელიც ქმნის ჰაერს. სწორედ ამ ფორმით არის ნახშირბადის მასური წილი 0,046%. კიდევ უფრო მეტი ნახშირორჟანგი იხსნება ოკეანეების წყლებში.}

ნახშირბადის, როგორც ელემენტის ატომური მასა არის 12.011. ცნობილია, რომ ეს მნიშვნელობა გამოითვლება როგორც საშუალო არითმეტიკული წონა ბუნებაში არსებული ყველა იზოტოპური სახეობის ატომურ წონას შორის, მათი გავრცელების გათვალისწინებით (პროცენტულად). ეს ასევე ეხება განსახილველ ნივთიერებას. არსებობს სამი ძირითადი იზოტოპი, რომელშიც ნახშირბადი გვხვდება. ეს არის:

• ¹²С - მისი მასური წილი აბსოლუტური უმრავლესობაა 98,93%;
• ¹³C -1.07%;
• ¹⁴C - რადიოაქტიური, ნახევარგამოყოფის პერიოდი 5700 წელი, სტაბილური ბეტა ემიტერი.

ნიმუშების გეოქრონოლოგიური ასაკის განსაზღვრის პრაქტიკაში ფართოდ გამოიყენება რადიოაქტიური იზოტოპი ¹⁴С, რაც ინდიკატორია მისი ხანგრძლივი დაშლის პერიოდის გამო.

ელემენტის ალოტროპული მოდიფიკაციები

ნახშირბადი არის ელემენტი, რომელიც არსებობს როგორც მარტივი ნივთიერება რამდენიმე ფორმით. ანუ მას შეუძლია შექმნას დღეს ცნობილი ალოტროპული მოდიფიკაციების უდიდესი რაოდენობა.

1. კრისტალური ვარიაციები - არსებობს ძლიერი სტრუქტურების სახით რეგულარული ატომური ტიპის გისოსებით. ეს ჯგუფი მოიცავს ჯიშებს, როგორიცაა:

• ბრილიანტები;
• ფულერენები;
• გრაფიტები;
• კარაბინი;
• lonsdaleites;
• ნახშირბადის ბოჭკოები და მილები.

ყველა მათგანი განსხვავდება კრისტალური მედის აგებულებით, რომლის კვანძებში არის ნახშირბადის ატომი. აქედან გამომდინარეობს სრულიად უნიკალური, განსხვავებული თვისებები, როგორც ფიზიკური, ასევე ქიმიური.

2. ამორფული ფორმები - ისინი წარმოიქმნება ნახშირბადის ატომით, რომელიც ზოგიერთი ბუნებრივი ნაერთის ნაწილია. ანუ, ეს არ არის სუფთა ჯიშები, არამედ სხვა ელემენტების მინარევებით მცირე რაოდენობით. ამ ჯგუფში შედის:

• გააქტიურებული ნახშირბადი;
• ქვა და ხე;
• ჭვარტლი;
• ნახშირბადის ნანოქაფი;
• ანტრაციტი;
• მინის ნახშირბადი;
• ტექნიკური სახის ნივთიერება.

მათ ასევე აერთიანებს თვისებებიკრისტალური მედის სტრუქტურები, რომლებიც ხსნიან და ავლენენ თვისებებს.

3. ნახშირბადის ნაერთები მტევნის სახით. ასეთი სტრუქტურა, რომელშიც ატომები დახურულია შიგნიდან სპეციალურ კონფორმაციულ ღრუში, სავსე წყლით ან სხვა ელემენტების ბირთვებით. მაგალითები:

• ნახშირბადის ნანოკონები;
• ასტრალენი;
• დიკარბონი.

ამორფული ნახშირბადის ფიზიკური თვისებები

ალოტროპული მოდიფიკაციების მრავალფეროვნების გამო, ძნელია ნახშირბადის რაიმე საერთო ფიზიკური თვისებების იდენტიფიცირება. უფრო ადვილია კონკრეტულ ფორმაზე საუბარი. მაგალითად, ამორფულ ნახშირბადს აქვს შემდეგი მახასიათებლები.

1. ყველა ფორმის გულში არის გრაფიტის წვრილი კრისტალური სახეობები.
2. მაღალი თბოტევადობა.
3. კარგი გამტარ თვისებები.
4. ნახშირბადის სიმკვრივე არის დაახლოებით 2 გ/სმ³.
5. როდესაც თბება 1600 ⁰C ტემპერატურაზე, ხდება გადასვლა გრაფიტის ფორმებზე.

ჭვარტლი, ნახშირი და ქვის ჯიშები ფართოდ გამოიყენება სამრეწველო მიზნებისთვის. ისინი არ არის ნახშირბადის მოდიფიკაციის გამოვლინება მისი სუფთა სახით, მაგრამ შეიცავს მას ძალიან დიდი რაოდენობით.

კრისტალური ნახშირბადი

არსებობს რამდენიმე ვარიანტი, რომლებშიც ნახშირბადი არის ნივთიერება, რომელიც აყალიბებს სხვადასხვა ტიპის რეგულარულ კრისტალებს, სადაც ატომები ერთმანეთთან არის დაკავშირებული. შედეგად, ჩამოყალიბდა შემდეგი ცვლილებები.

1. ბრილიანტი. სტრუქტურა არის კუბური, რომელშიც ოთხი ტეტრაჰედრია დაკავშირებული. შედეგად, თითოეული ატომის ყველა კოვალენტური ქიმიური ბმამაქსიმალურად გაჯერებული და გამძლე. ეს ხსნის ფიზიკურ თვისებებს: ნახშირბადის სიმკვრივეა 3300 კგ/მ³. მაღალი სიმტკიცე, დაბალი სითბოს ტევადობა, ელექტრული გამტარობის ნაკლებობა - ეს ყველაფერი ბროლის გისოსების სტრუქტურის შედეგია. არის ტექნიკურად მიღებული ბრილიანტები. ისინი წარმოიქმნება გრაფიტის შემდეგ მოდიფიკაციაზე გადასვლისას მაღალი ტემპერატურისა და გარკვეული წნევის გავლენის ქვეშ. ზოგადად, ალმასის დნობის წერტილი ისეთივე მაღალია, როგორც სიმტკიცე - დაახლოებით 3500 ⁰C.
2. გრაფიტი. ატომები განლაგებულია წინა ნივთიერების აგებულების მსგავსად, თუმცა, მხოლოდ სამი ბმაა გაჯერებული, ხოლო მეოთხე ხდება უფრო გრძელი და ნაკლებად ძლიერი, ის აკავშირებს გისოსის ექვსკუთხა რგოლების „ფენებს“. შედეგად, აღმოჩნდება, რომ გრაფიტი შეხებისას რბილი, ცხიმიანი შავი ნივთიერებაა. მას აქვს კარგი ელექტროგამტარობა და აქვს მაღალი დნობის წერტილი - 3525 ⁰C. სუბლიმაციის უნარი - სუბლიმაცია მყარი მდგომარეობიდან აირისებურ მდგომარეობაში, თხევადი მდგომარეობის გვერდის ავლით (3700 ⁰С ტემპერატურაზე). ნახშირბადის სიმკვრივეა 2,26 გ/სმ^3, , რაც გაცილებით დაბალია, ვიდრე ალმასის. ეს ხსნის მათ განსხვავებულ თვისებებს. ბროლის გისოსების ფენიანი სტრუქტურის გამო, შესაძლებელია გრაფიტის გამოყენება ფანქრის მილების დასამზადებლად. ქაღალდზე გადასვლისას ფანტელები იშლება და შავ ლაქას ტოვებს ფურცელზე.
3. ფულერენები. ისინი მხოლოდ გასული საუკუნის 80-იან წლებში გაიხსნა. ეს არის მოდიფიკაციები, რომლებშიც ნახშირბადები ერთმანეთთან არის დაკავშირებული სპეციალურ ამოზნექილ დახურულ სტრუქტურაში, რომელიც მდებარეობს ცენტრშისიცარიელე. ხოლო ბროლის ფორმა - მრავალწახნაგოვანი, სწორი ორგანიზაცია. ატომების რაოდენობა ლუწია. ფულერენის ყველაზე ცნობილი ფორმაა С₆₀. კვლევის დროს ნაპოვნი იქნა მსგავსი ნივთიერების ნიმუშები:

• მეტეორიტები;
• ქვედა ნალექები;
• ფოლგურიტი;
• შუნგიტი;
• გარე სივრცე, სადაც ისინი შეიცავდნენ გაზების სახით.

კრისტალური ნახშირბადის ყველა სახეობას დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს, რადგან მათ აქვთ მრავალი თვისება, რომელიც სასარგებლოა ინჟინერიაში.

რეაქტიულობა

მოლეკულური ნახშირბადი ავლენს დაბალ რეაქტიულობას მისი სტაბილური კონფიგურაციის გამო. ის შეიძლება აიძულოს შევიდეს რეაქციებში მხოლოდ ატომისთვის დამატებითი ენერგიის მინიჭებით და გარე დონის ელექტრონების აორთქლების იძულებით. ამ დროს ვალენტობა ხდება 4. ამიტომ ნაერთებში მას აქვს ჟანგვის მდგომარეობა + 2, + 4, - 4.

პრაქტიკულად ყველა რეაქცია მარტივ ნივთიერებებთან, როგორც ლითონებთან, ასევე არალითონებთან, მიმდინარეობს მაღალი ტემპერატურის გავლენით. განსახილველი ელემენტი შეიძლება იყოს როგორც ჟანგვის აგენტი, ასევე შემცირების აგენტი. თუმცა მასში განსაკუთრებით გამოხატულია ეს უკანასკნელი თვისებები და ეს არის საფუძველი მისი გამოყენების მეტალურგიულ და სხვა დარგებში.

ზოგადად, ქიმიურ ურთიერთქმედებაში შესვლის უნარი დამოკიდებულია სამ ფაქტორზე:

• ნახშირბადის დისპერსია;
• ალოტროპული მოდიფიკაცია;
• რეაქციის ტემპერატურა.

ამგვარად, ზოგიერთ შემთხვევაში არსებობს ურთიერთქმედება შემდეგთანნივთიერებები:

• არამეტალები (წყალბადი, ჟანგბადი);
• მეტალები (ალუმინი, რკინა, კალციუმი და სხვა);
• მეტალის ოქსიდები და მათი მარილები.

არ რეაგირებს მჟავებთან და ტუტეებთან, ძალიან იშვიათად ჰალოგენებთან. ნახშირბადის თვისებებიდან ყველაზე მნიშვნელოვანი არის ერთმანეთთან გრძელი ჯაჭვების ფორმირების უნარი. მათ შეუძლიათ დაიხურონ ციკლი, შექმნან ტოტები. ასე წარმოიქმნება ორგანული ნაერთები, რომლებიც დღეს მილიონობითაა. ამ ნაერთების საფუძველია ორი ელემენტი - ნახშირბადი, წყალბადი. სხვა ატომები ასევე შეიძლება იყოს: ჟანგბადი, აზოტი, გოგირდი, ჰალოგენები, ფოსფორი, ლითონები და სხვა.

მთავარი ნაერთები და მათი მახასიათებლები

არსებობს მრავალი განსხვავებული ნაერთი, რომელიც შეიცავს ნახშირბადს. მათგან ყველაზე ცნობილი ფორმულაა CO₂ - ნახშირორჟანგი. თუმცა, ამ ოქსიდის გარდა, არის აგრეთვე CO - მონოქსიდი ან ნახშირბადის მონოქსიდი, ასევე სუბოქსიდი C₃O₂.

მარილებს შორის, რომლებიც შეიცავს ამ ელემენტს, ყველაზე გავრცელებულია კალციუმის და მაგნიუმის კარბონატები. ასე რომ, კალციუმის კარბონატს აქვს რამდენიმე სინონიმი სახელში, რადგან ის ბუნებაში გვხვდება სახით:

• ცარცი;
• მარმარილო;
• კირქვა;
• დოლომიტი.

მიწისტუტე ლითონების კარბონატების მნიშვნელობა გამოიხატება იმაში, რომ ისინი აქტიური მონაწილეები არიან როგორც სტალაქტიტებისა და სტალაგმიტების, ასევე მიწისქვეშა წყლების წარმოქმნაში.

ნახშირბადის მჟავა არის კიდევ ერთი ნაერთი, რომელიც ქმნის ნახშირბადს. მისი ფორმულა არისH₂CO₃. თუმცა, მისი ჩვეული ფორმით, ის უკიდურესად არასტაბილურია და მაშინვე იშლება ნახშირორჟანგად და წყალში ხსნარში. ამიტომ ცნობილია მხოლოდ მისი მარილები და არა თავად როგორც ხსნარი.

ნახშირბადის ჰალოიდები - მიიღება ძირითადად ირიბად, ვინაიდან პირდაპირი სინთეზი ხდება მხოლოდ ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე და პროდუქტის დაბალი მოსავლიანობით. ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული - CCL₄ - ნახშირბადის ტეტრაქლორიდი. ტოქსიკური ნაერთი, რომელსაც შეუძლია ინჰალაციის შემთხვევაში მოწამვლა გამოიწვიოს. მიღებულია მეთანში წყალბადის ატომების რადიკალური ფოტოქიმიური ჩანაცვლების რეაქციებით.

მეტალის კარბიდები არის ნახშირბადის ნაერთები, რომლებშიც იგი ავლენს ჟანგვის 4 მდგომარეობას. ასევე შესაძლებელია ბორთან და სილიციუმთან ასოციაციები. ზოგიერთი ლითონის (ალუმინი, ვოლფრამი, ტიტანი, ნიობიუმი, ტანტალი, ჰაფნიუმი) კარბიდების ძირითადი თვისებაა მაღალი სიმტკიცე და შესანიშნავი ელექტროგამტარობა. ბორის კარბიდი В₄С არის ერთ-ერთი უმძიმესი ნივთიერება ალმასის შემდეგ (9,5 მოჰსის მიხედვით). ეს ნაერთები გამოიყენება ინჟინერიაში, ისევე როგორც ქიმიურ მრეწველობაში, როგორც ნახშირწყალბადების წარმოების წყაროები (კალციუმის კარბიდი წყალთან ერთად იწვევს აცეტილენის და კალციუმის ჰიდროქსიდის წარმოქმნას).

ბევრი ლითონის შენადნობები დამზადებულია ნახშირბადის გამოყენებით, რითაც მნიშვნელოვნად იზრდება მათი ხარისხი და ტექნიკური მახასიათებლები (ფოლადი არის რკინისა და ნახშირბადის შენადნობი).

განსაკუთრებულ ყურადღებას იმსახურებს ნახშირბადის მრავალი ორგანული ნაერთი, რომლებშიც ნახშირბადი არის ფუნდამენტური ელემენტი, რომელსაც შეუძლია გაერთიანდეს იმავე ატომებთან სხვადასხვა სტრუქტურის გრძელ ჯაჭვებში. ეს მოიცავს:

• ალკანები;
• ალკენები;
• არენა;
• ცილები;
• ნახშირწყლები;
• ნუკლეინის მჟავები;
• ალკოჰოლი;
• კარბოქსილის მჟავები და მრავალი სხვა კლასის ნივთიერებები.

ნახშირბადის გამოყენება

ნახშირბადის ნაერთების და მისი ალოტროპული მოდიფიკაციების მნიშვნელობა ადამიანის ცხოვრებაში ძალიან დიდია. თქვენ შეგიძლიათ დაასახელოთ რამდენიმე ყველაზე გლობალური ინდუსტრია, რათა ცხადი გახადოთ, რომ ეს ასეა.

1. ეს ელემენტი ქმნის ყველა სახის წიაღისეულ საწვავს, საიდანაც ადამიანი იღებს ენერგიას.
2. მეტალურგიული ინდუსტრია იყენებს ნახშირბადს, როგორც უძლიერეს შემცირების აგენტს მათი ნაერთებიდან ლითონების მისაღებად. აქ ასევე ფართოდ გამოიყენება კარბონატები.
3. მშენებლობა და ქიმიური მრეწველობა მოიხმარს ნახშირბადის ნაერთების უზარმაზარ რაოდენობას ახალი ნივთიერებების სინთეზისთვის და საჭირო პროდუქტების მისაღებად.

შეგიძლიათ ასევე დაასახელოთ ეკონომიკის ისეთი სექტორები, როგორიცაა:

• ბირთვული ინდუსტრია;
• სამკაული;
• ტექნიკური აღჭურვილობა (საპოხი მასალები, სითბოს მდგრადი ჭურჭელი, ფანქრები და ა.შ.);
• ქანების გეოლოგიური ასაკის განსაზღვრა - რადიოაქტიური მიკვლევა ¹⁴С;
• carbon არის შესანიშნავი ადსორბენტი, რაც მას შესაფერისს ხდის ფილტრების დასამზადებლად.

მიმოქცევა ბუნებაში

ბუნებაში ნაპოვნი ნახშირბადის მასა შედის მუდმივ ციკლში, რომელიც ყოველ წამს მოძრაობს მთელს მსოფლიოში. ამრიგად, ნახშირბადის ატმოსფერული წყარო - CO₂, შეიწოვებამცენარეები და გამოიყოფა ყველა ცოცხალი არსების მიერ სუნთქვის პროცესში. ატმოსფეროში მოხვედრის შემდეგ ის კვლავ შეიწოვება და ამიტომ ციკლი არ ჩერდება. ამავდროულად, ორგანული ნარჩენების სიკვდილი იწვევს ნახშირბადის გამოყოფას და მის დაგროვებას დედამიწაზე, საიდანაც ის კვლავ შეიწოვება ცოცხალი ორგანიზმების მიერ და ატმოსფეროში გაზის სახით გამოიყოფა.