Alkuaine hiili sisältää Tiivistelmä: Hiili ja sen emäksiset epäorgaaniset yhdisteet

HIILIA
Kanssa (karboni), ei-metallinen kemiallinen alkuaine, joka kuuluu alkuaineiden jaksollisen järjestelmän IVA-alaryhmään (C, Si, Ge, Sn, Pb). Sitä esiintyy luonnossa timanttikiteinä (kuva 1), grafiittina tai fullereenina ja muissa muodoissa ja on osa orgaanista (hiili, öljy, eläin- ja kasviorganismit jne.) ja epäorgaanisia aineita (kalkkikivi, ruokasooda jne.) .). Hiili on laajalle levinnyt, mutta sen pitoisuus maankuoressa on vain 0,19 % (katso myös TIMANTTI; FULLEREENIT).

Hiiltä käytetään laajalti yksinkertaisten aineiden muodossa. Korujen kohteena olevien arvokkaiden timanttien lisäksi teollisuustimanteilla on suuri merkitys - hioma- ja leikkaustyökalujen valmistuksessa. Hiiltä ja muita amorfisia hiilen muotoja käytetään värinpoistoon, puhdistukseen, kaasujen adsorptioon tekniikan aloilla, joissa tarvitaan kehittyneen pinnan omaavia adsorbentteja. Karbideille, hiilen yhdisteille metallien sekä boorin ja piin kanssa (esim. Al4C3, SiC, B4C) on ominaista korkea kovuus, ja niitä käytetään hioma- ja leikkaustyökalujen valmistukseen. Teräksissä ja seoksissa on hiiltä alkuainetilassa ja karbidien muodossa. Teräsvalujen pinnan kyllästäminen hiilellä korkeassa lämpötilassa (sementointi) lisää merkittävästi pinnan kovuutta ja kulutuskestävyyttä.
Katso myös SEOKSET. Luonnossa on monia erilaisia ​​grafiitin muotoja; osa on saatu keinotekoisesti; amorfisia muotoja on saatavilla (esim. koksi ja puuhiili). Nokea, luuhiiltä, ​​lampunmustaa, asetyleenimustaa muodostuu, kun hiilivetyjä poltetaan ilman happea. Ns. valkoinen hiili saadaan sublimoimalla pyrolyyttistä grafiittia alipaineessa - nämä ovat pienimmät läpinäkyvät grafiittilehtien kiteet, joissa on terävät reunat.
Historiallinen viittaus. Grafiitti, timantti ja amorfinen hiili ovat olleet tunnettuja antiikista lähtien. On jo pitkään tiedetty, että muuta materiaalia voidaan merkitä grafiitilla, ja nimen "grafiitti", joka tulee kreikan sanasta "kirjoittaa", ehdotti A. Werner vuonna 1789. Grafiitin historia on kuitenkin sekava, usein aineet, joilla oli samanlaiset ulkoiset fysikaaliset ominaisuudet, erehtyivät siihen. , kuten molybdeniitti (molybdeenisulfidi), jota aikoinaan pidettiin grafiittina. Muiden grafiitin nimien joukossa tunnetaan "musta lyijy", "rautakarbidi", "hopealyijy". Vuonna 1779 K. Scheele havaitsi, että grafiitti voidaan hapettaa ilman kanssa hiilidioksidiksi. Ensimmäistä kertaa timantteja käytettiin Intiassa, ja Brasiliassa jalokivet saivat kaupallisen merkityksen vuonna 1725; Etelä-Afrikan esiintymät löydettiin vuonna 1867. 1900-luvulla. Tärkeimmät timantin tuottajat ovat Etelä-Afrikka, Zaire, Botswana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tansania ja Venäjä. Keinotekoisia timantteja, joiden tekniikka luotiin vuonna 1970, valmistetaan teollisiin tarkoituksiin.
Allotropia. Jos aineen rakenneyksiköt (monatomisten alkuaineiden atomit tai polyatomisten alkuaineiden ja yhdisteiden molekyylit) pystyvät yhdistymään toistensa kanssa useammassa kuin yhdessä kidemuodossa, tätä ilmiötä kutsutaan allotropiaksi. Hiilellä on kolme allotrooppista muunnelmaa - timantti, grafiitti ja fullereeni. Timantissa jokaisella hiiliatomilla on neljä tetraedrisesti järjestettyä naapuria, jotka muodostavat kuutiorakenteen (kuva 1a). Tällainen rakenne vastaa sidoksen maksimikovalenttia, ja kunkin hiiliatomin kaikki 4 elektronia muodostavat vahvoja C-C-sidoksia, ts. rakenteessa ei ole johtavuuselektroneja. Siksi timantti erottuu johtavuuden puutteesta, alhaisesta lämmönjohtavuudesta ja korkeasta kovuudesta; se on kovin tunnettu aine (kuva 2). C-C-sidoksen (sidoksen pituus 1,54, joten kovalenttinen säde 1,54/2 = 0,77) katkaiseminen tetraedrisessä rakenteessa vaatii paljon energiaa, joten timantille on poikkeuksellisen kovuuden ohella ominaista korkea sulamispiste (3550 °C).

Hienojakoinen hiili, joka ylittää hapen, voi räjähtää kuumennettaessa tai kipinästä. Suoran hapettumisen lisäksi oksidien saamiseksi on olemassa nykyaikaisempia menetelmiä. Hiilisuboksidi C3O2 muodostuu dehydroimalla malonihappo P4O10:n yli:

C3O2:lla on epämiellyttävä haju, se hydrolysoituu helposti ja muodostaa uudelleen malonihappoa.
Hiilimonoksidi(II)CO muodostuu minkä tahansa hiilen muunnelman hapettuessa hapenpuutteen olosuhteissa. Reaktio on eksoterminen, vapautuu 111,6 kJ/mol. Koksi valkolämpössä reagoi veden kanssa: C + H2O = CO + H2; tuloksena olevaa kaasuseosta kutsutaan "vesikaasuksi" ja se on kaasumainen polttoaine. CO:ta muodostuu myös öljytuotteiden epätäydellisen palamisen aikana, sitä löytyy merkittäviä määriä autojen pakokaasuista ja sitä saadaan muurahaishapon termisellä dissosiaatiolla:

Hiilen hapetusaste CO:ssa on +2, ja koska hiili on vakaampi hapetustilassa +4, CO hapettuu helposti hapen vaikutuksesta CO2:ksi: CO + O2 (r) CO2, tämä reaktio on erittäin eksoterminen (283 kJ/ mol). CO:ta käytetään teollisuudessa seoksissa H2:n ja muiden palavien kaasujen kanssa polttoaineena tai kaasumaisena pelkistimenä. Kuumennettaessa 500 °C:seen CO muodostaa huomattavassa määrin C:tä ja CO2:ta, mutta 1000 °C:ssa tasapaino syntyy alhaisilla CO2-pitoisuuksilla. CO reagoi kloorin kanssa muodostaen fosgeenia - COCl2, reaktiot etenevät samalla tavalla muiden halogeenien kanssa, reaktiossa rikkikarbonyylisulfidin kanssa saadaan COS, metallien (M) kanssa CO muodostaa eri koostumuksellisia karbonyylejä M (CO) x, jotka ovat monimutkaisia ​​yhdisteitä. Rautakarbonyyli muodostuu veren hemoglobiinin ja CO:n vuorovaikutuksesta, mikä estää hemoglobiinin reaktion hapen kanssa, koska rautakarbonyyli on vahvempi yhdiste. Tämän seurauksena hemoglobiinin toiminta hapen kantajana soluille estyy, jotka tässä tapauksessa kuolevat (ja ensinnäkin aivosolut vaikuttavat). (Siksi toinen nimi CO - "hiilimonoksidi"). Jo 1 % (tilavuus) CO2 ilmassa on vaarallista ihmiselle, jos hän on sellaisessa ilmakehässä yli 10 minuuttia. Jotkut CO:n fysikaaliset ominaisuudet on esitetty taulukossa. Hiilidioksidia tai hiilimonoksidia (IV) CO2 muodostuu alkuainehiilen palaessa ylimääräisessä hapessa lämmön vapautuessa (395 kJ / mol). CO2 (triviaali nimi on "hiilidioksidi") muodostuu myös CO:n, öljytuotteiden, bensiinin, öljyjen ja muiden orgaanisten yhdisteiden täydellisen hapettumisen aikana. Kun karbonaatit liukenevat veteen, hiilidioksidia vapautuu myös hydrolyysin seurauksena:

Tätä reaktiota käytetään usein laboratoriokäytännössä CO2:n saamiseksi. Tätä kaasua voidaan saada myös kalsinoimalla metallibikarbonaatteja:

Tulistetun höyryn kaasufaasivuorovaikutuksessa CO:n kanssa:

Poltettaessa hiilivetyjä ja niiden happijohdannaisia, esim.

Vastaavasti elintarviketuotteet hapetetaan elävässä organismissa lämpö- ja muun tyyppisen energian vapautuessa. Tässä tapauksessa hapetus etenee miedoissa olosuhteissa välivaiheiden kautta, mutta lopputuotteet ovat samat - CO2 ja H2O, kuten esimerkiksi sokerien hajoamisen aikana entsyymien vaikutuksesta, erityisesti glukoosin käymisen aikana:

Hiilidioksidin ja metallioksidien suuritonnituotanto tapahtuu teollisuudessa karbonaattien lämpöhajotuksella:

CaO:ta käytetään suuria määriä sementin tuotantoteknologiassa. Karbonaattien lämpöstabiilisuus ja lämmönkulutus niiden hajoamiseen tämän kaavion mukaan kasvavat CaCO3-sarjassa (katso myös PALONTORJUNTAT JA PALONSUOJATUS). Hiilioksidien elektroninen rakenne. Minkä tahansa hiilimonoksidin elektronirakennetta voidaan kuvata kolmella yhtä todennäköisellä kaaviolla, joissa on erilaisia ​​elektroniparien järjestelyjä - kolme resonanssimuotoa:

Kaikilla hiilen oksideilla on lineaarinen rakenne.
Hiilihappo. Kun CO2 reagoi veden kanssa, muodostuu hiilihappoa H2CO3. Kyllästetyssä CO2-liuoksessa (0,034 mol/l) vain osa molekyyleistä muodostaa H2CO3:a ja suurin osa CO2:sta on hydratoituneessa tilassa CO2*H2O.
Karbonaatit. Karbonaatteja muodostuu metallioksidien vuorovaikutuksessa CO2:n kanssa, esimerkiksi Na2O + CO2 -> NaHCO3, jotka hajoavat kuumennettaessa vapauttaen CO2:ta: 2NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O + CO2 Natriumkarbonaattia eli soodaa syntyy suuria määriä soodateollisuus pääasiassa Solvay-menetelmällä:

Toisella menetelmällä sooda saadaan CO2:sta ja NaOH:sta

Karbonaatti-ionilla CO32- on litteä rakenne, jonka O-C-O-kulma on 120° ja CO-sidoksen pituus 1,31
(katso myös ALKALITUOTANTO).
Hiilihalogenidit. Hiili reagoi suoraan halogeenien kanssa kuumennettaessa muodostaen tetrahalogenideja, mutta reaktionopeus ja tuotteen saanto ovat alhaiset. Siksi hiilihalogenideja saadaan muilla menetelmillä, esimerkiksi CCl4 saadaan klooraamalla hiilidisulfidia: CS2 + 2Cl2 -> CCl4 + 2S lämpötila, tapahtuu myrkyllisen fosgeenin (kaasumaisen myrkyllisen aineen) muodostumista. CCl4 itsessään on myös myrkyllistä, ja huomattavia määriä hengitettynä voi aiheuttaa maksamyrkytyksen. СCl4 muodostuu myös fotokemiallisessa reaktiossa metaanin СH4 ja Сl2 välillä; tässä tapauksessa on mahdollista muodostaa metaanin epätäydellisen kloorauksen tuotteita - CHCl3, CH2Cl2 ja CH3Cl. Reaktiot etenevät samalla tavalla muiden halogeenien kanssa.
grafiittireaktiot. Grafiitti hiilen muunnelmana, jolle on ominaista suuret etäisyydet kuusikulmaisten renkaiden kerrosten välillä, joutuu epätavallisiin reaktioihin, esimerkiksi alkalimetallit, halogeenit ja jotkut suolat (FeCl3) tunkeutuvat kerrosten väliin muodostaen KC8-, KC16-tyyppisiä yhdisteitä ( kutsutaan interstitiaalisiksi, inkluusio- tai klatraattiyhdisteiksi). Voimakkaat hapettimet, kuten KClO3, happamassa ympäristössä (rikki- tai typpihappo) muodostavat aineita, joilla on suuri kidehilan tilavuus (jopa 6 kerrosten välissä), mikä selittyy happiatomien sisäänpääsyllä ja yhdisteiden muodostumisella. joiden pintaan muodostuu hapettumisen seurauksena karboksyyliryhmiä (-COOH) - yhdisteitä, kuten hapettunutta grafiittia tai melliittihappoa (bentseeniheksakarboksyylihappo) C6(COOH)6. Näissä yhdisteissä C:O-suhde voi vaihdella välillä 6:1 - 6:2,5.
Karbidit. Hiili muodostaa metallien, boorin ja piin kanssa erilaisia ​​yhdisteitä, joita kutsutaan karbideiksi. Aktiivisimmat metallit (IA-IIIA-alaryhmät) muodostavat suolan kaltaisia ​​karbideja, esimerkiksi Na2C2, CaC2, Mg4C3, Al4C3. Teollisuudessa kalsiumkarbidia saadaan koksista ja kalkkikivestä seuraavilla reaktioilla:

Karbidit ovat johtamattomia, lähes värittömiä, hydrolysoituvat hiilivetyjen muodostuessa, esim. CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 Reaktiossa muodostuva asetyleeni C2H2 toimii raaka-aineena monien orgaanisten aineiden tuotannossa. Tämä prosessi on mielenkiintoinen, koska se edustaa siirtymistä epäorgaanisista raaka-aineista orgaanisten yhdisteiden synteesiin. Karbideja, jotka muodostavat asetyleeniä hydrolyysissä, kutsutaan asetylideiksi. Pii- ja boorikarbideissa (SiC ja B4C) atomien välinen sidos on kovalenttinen. Siirtymämetallit (B-alaryhmän elementit) muodostavat hiilellä kuumennettaessa myös koostumukseltaan vaihtelevia karbideja metallipinnan halkeamiin; niiden sidos on lähellä metallia. Joillekin tämän tyyppisille karbideille, kuten WC, W2C, TiC ja SiC, on tunnusomaista korkea kovuus ja tulenkestävät ominaisuudet sekä hyvä sähkönjohtavuus. Esimerkiksi NbC, TaC ja HfC ovat tulenkestävimpiä aineita (sp = 4000-4200 °C), diniobiumkarbidi Nb2C on suprajohde 9,18 K:n lämpötilassa, TiC ja W2C ovat kovuudeltaan lähellä timanttia ja B4C:n kovuus (a timantin rakenteellinen analogi) on 9,5 Mohsin asteikolla (katso kuva 2). Inerttejä karbideja muodostuu, jos siirtymämetallin säde Hiilen typpijohdannaiset. Tähän ryhmään kuuluu urea NH2CONH2 - typpilannoite, jota käytetään liuoksen muodossa. Ureaa saadaan NH3:sta ja CO2:sta kuumentamalla paineessa:

Syaani (CN)2 on monilta ominaisuuksiltaan samanlainen kuin halogeenit, ja sitä kutsutaan usein pseudohalogeeniksi. Syanidia saadaan hapettamalla syanidi-ioni miedosti hapella, vetyperoksidilla tai Cu2+-ionilla: 2CN- -> (CN)2 + 2e. Syanidi-ioni, joka on elektronin luovuttaja, muodostaa helposti monimutkaisia ​​yhdisteitä siirtymämetalli-ionien kanssa. Syanidi-ioni on CO:n tavoin myrkky, joka sitoo elintärkeitä rautayhdisteitä elävässä organismissa. Syanidikompleksi-ionien yleinen kaava on []-0,5x, jossa x on metallin (kompleksoivan aineen) koordinaatioluku, joka on empiirisesti kaksi kertaa metalli-ionin hapetusaste. Esimerkkejä tällaisista kompleksisista ioneista ovat (joiden ionien rakenne on esitetty alla) tetrasyaaninikelaatti(II)-ioni []2-, heksasyanoferraatti(III) []3-, disyanoargentaatti []-:

Karbonyylit. Hiilimonoksidi voi reagoida suoraan monien metallien tai metalli-ionien kanssa muodostaen monimutkaisia ​​yhdisteitä, joita kutsutaan karbonyyleiksi, esim. Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, []3, Mo(CO)6, [] 2 . Sidos näissä yhdisteissä on samanlainen kuin sidos edellä kuvatuissa syaanikomplekseissa. Ni(CO)4 on haihtuva aine, jota käytetään erottamaan nikkeli muista metalleista. Valuraudan ja teräksen rakenteen huononeminen rakenteissa liittyy usein karbonyylien muodostumiseen. Vety voi olla osa karbonyylejä muodostaen karbonyylihydridejä, kuten H2Fe(CO)4 ja HCo(CO)4, joilla on happamia ominaisuuksia ja jotka reagoivat alkalin kanssa: H2Fe(CO)4 + NaOH -> NaHFe(CO)4 + H2O Tunnetaan myös karbonyylihalogenidit, esimerkiksi Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, joissa X on mikä tahansa halogeeni
(katso myös ORGANOMETALLISET YHDISTEET).
Hiilivedyt. Tunnetaan valtava määrä hiilen ja vedyn yhdisteitä
(katso ORGAANINEN KEMIIA).
KIRJALLISUUS
Sunyaev Z.I. Maaöljyn hiili. M., 1980 Chemistry of hypercoordinated carbon. M., 1990

Collier Encyclopedia. – Avoin yhteiskunta. 2000 .

Katso, mitä "CARBON" on muissa sanakirjoissa:

Nukliditaulukko Yleistiedot Nimi, symboli Hiili 14, 14C Vaihtoehtoiset nimet radiohiili, radiohiili Neutronit 8 Protonit 6 Nuklidiominaisuudet Atomimassa ... Wikipedia

Nukliditaulukko Yleistiedot Nimi, symboli Hiili 12, 12C Neutronit 6 Protonit 6 Nuklidiominaisuudet Atomimassa 12.0000000 (0) ... Wikipedia

Nukliditaulukko Yleistiedot Nimi, symboli Hiili 13, 13C Neutronit 7 Protonit 6 Nuklidiominaisuudet Atomimassa 13.0033548378 (10) ... Wikipedia

- (lat. Carboneum) C, kemiallinen. Mendelejevin jaksollisen järjestelmän ryhmän IV alkuaine, atominumero 6, atomimassa 12.011. Tärkeimmät kiteiset muunnelmat ovat timantti ja grafiitti. Tavallisissa olosuhteissa hiili on kemiallisesti inerttiä; korkealla...... Suuri tietosanakirja

Artikkelin sisältö

HIILIA, C (carboneum), ei-metallinen kemiallinen alkuaine, joka kuuluu alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ryhmään IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb). Sitä esiintyy luonnossa timanttikiteinä (kuva 1), grafiittina tai fullereenina ja muissa muodoissa ja on osa orgaanista (hiili, öljy, eläin- ja kasviorganismit jne.) ja epäorgaanisia aineita (kalkkikivi, ruokasooda jne.) .).

Hiili on laajalle levinnyt, mutta sen pitoisuus maankuoressa on vain 0,19 %.

Hiiltä käytetään laajalti yksinkertaisten aineiden muodossa. Korujen kohteena olevien arvokkaiden timanttien lisäksi teollisuustimanteilla on suuri merkitys - hioma- ja leikkaustyökalujen valmistuksessa.

Hiiltä ja muita amorfisia hiilen muotoja käytetään värinpoistoon, puhdistukseen, kaasujen adsorptioon tekniikan aloilla, joissa tarvitaan kehittyneen pinnan omaavia adsorbentteja. Karbideille, hiilen yhdisteille metallien sekä boorin ja piin kanssa (esim. Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) on ominaista korkea kovuus, ja niitä käytetään hioma- ja leikkaustyökalujen valmistukseen. Teräksissä ja seoksissa on hiiltä alkuainetilassa ja karbidien muodossa. Teräsvalujen pinnan kyllästäminen hiilellä korkeassa lämpötilassa (sementointi) lisää merkittävästi pinnan kovuutta ja kulutuskestävyyttä. Katso myös SEOKSET.

Luonnossa on monia erilaisia ​​grafiitin muotoja; osa on saatu keinotekoisesti; amorfisia muotoja on saatavilla (esim. koksi ja puuhiili). Nokea, luuhiiltä, ​​lampunmustaa, asetyleenimustaa muodostuu, kun hiilivetyjä poltetaan ilman happea. Niin sanottu valkoista hiiltä saatu sublimoimalla pyrolyyttistä grafiittia alipaineessa - nämä ovat pienimmät läpinäkyvät grafiittilehtien kiteet, joissa on terävät reunat.

Historiallinen viittaus.

Grafiitti, timantti ja amorfinen hiili ovat olleet tunnettuja antiikista lähtien. On jo pitkään tiedetty, että muuta materiaalia voidaan merkitä grafiitilla, ja nimen "grafiitti", joka tulee kreikan sanasta "kirjoittaa", ehdotti A. Werner vuonna 1789. Grafiitin historia on kuitenkin sekava, usein aineet, joilla oli samanlaiset ulkoiset fysikaaliset ominaisuudet, erehtyivät siihen. , kuten molybdeniitti (molybdeenisulfidi), jota aikoinaan pidettiin grafiittina. Muiden grafiitin nimien joukossa tunnetaan "musta lyijy", "rautakarbidi", "hopealyijy". Vuonna 1779 K. Scheele havaitsi, että grafiitti voidaan hapettaa ilman kanssa hiilidioksidiksi.

Ensimmäistä kertaa timantteja käytettiin Intiassa, ja Brasiliassa jalokivet saivat kaupallisen merkityksen vuonna 1725; Etelä-Afrikan esiintymät löydettiin vuonna 1867. 1900-luvulla. Tärkeimmät timantin tuottajat ovat Etelä-Afrikka, Zaire, Botswana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tansania ja Venäjä. Keinotekoisia timantteja, joiden tekniikka luotiin vuonna 1970, valmistetaan teollisiin tarkoituksiin.

Allotropia.

Jos aineen rakenneyksiköt (monatomisten alkuaineiden atomit tai polyatomisten alkuaineiden ja yhdisteiden molekyylit) pystyvät yhdistymään toistensa kanssa useammassa kuin yhdessä kidemuodossa, tätä ilmiötä kutsutaan allotropiaksi. Hiilellä on kolme allotrooppista muunnelmaa - timantti, grafiitti ja fullereeni. Timantissa jokaisella hiiliatomilla on 4 tetraedrisesti sijoitettua naapuria, jotka muodostavat kuutiorakenteen (kuva 1, a). Tällainen rakenne vastaa sidoksen maksimikovalenttia ja kunkin hiiliatomin kaikki 4 elektronia muodostavat vahvoja C–C-sidoksia, ts. rakenteessa ei ole johtavuuselektroneja. Siksi timantti erottuu johtavuuden puutteesta, alhaisesta lämmönjohtavuudesta ja korkeasta kovuudesta; se on kovin tunnettu aine (kuva 2). C-C-sidoksen (sidoksen pituus 1,54 Å, joten kovalenttinen säde 1,54/2 = 0,77 Å) katkaiseminen tetraedrisessä rakenteessa vaatii paljon energiaa, joten timantille on poikkeuksellisen kovuuden ohella tyypillistä korkea sulamispiste (3550 °C).

Toinen hiilen allotrooppinen muoto on grafiitti, joka on ominaisuuksiltaan hyvin erilainen kuin timantti. Grafiitti on pehmeä musta aine, joka koostuu helposti kuoriutuvista kiteistä, jolle on ominaista hyvä sähkönjohtavuus (sähkövastus 0,0014 ohm cm). Siksi grafiittia käytetään kaarilampuissa ja uuneissa (kuva 3), joissa on tarpeen luoda korkeita lämpötiloja. Erittäin puhdasta grafiittia käytetään ydinreaktoreissa neutronien hidastajana. Sen sulamispiste korotetussa paineessa on 3527 °C. Normaalipaineessa grafiitti sublimoituu (siirtyy kiinteästä tilasta kaasuksi) 3780 °C:ssa.

Grafiittirakenne (kuva 1, b) on sulautuneiden kuusikulmaisten renkaiden järjestelmä, joiden sidoksen pituus on 1,42 Å (merkittävästi lyhyempi kuin timantissa), mutta jokaisessa hiiliatomissa on kolme (eikä neljä, kuten timantissa) kovalenttista sidosta kolmen naapurin kanssa ja neljäs sidos ( 3,4 Å) on liian pitkä kovalenttiselle sidokselle ja sitoo heikosti rinnakkaisia ​​pinottuja grafiittikerroksia toisiinsa. Se on neljäs hiilen elektroni, joka määrittää grafiitin lämmön- ja sähkönjohtavuuden - tämä pidempi ja vähemmän vahva sidos muodostaa vähemmän tiivistä grafiittiin, mikä näkyy sen alhaisempana kovuutena verrattuna timanttiin (grafiitin tiheys on 2,26 g / cm 3, timantti - 3,51 g/cm3). Samasta syystä grafiitti on liukasta kosketettaessa ja erottaa helposti voiteluaineiden ja kynän lyijykynän valmistukseen käytetyn aineen hiutaleet. Lyijyn lyijykiilto johtuu pääasiassa grafiitin läsnäolosta.

Hiilikuiduilla on korkea lujuus, ja niitä voidaan käyttää viskoosien tai muiden korkeahiilisten lankojen valmistukseen.

Korkeassa paineessa ja lämpötilassa katalyytin, kuten raudan, läsnä ollessa grafiitti voidaan muuttaa timantiksi. Tämä prosessi on toteutettu keinotekoisten timanttien teolliseen tuotantoon. Timanttikiteet kasvavat katalyytin pinnalla. Grafiitti-timanttitasapaino vallitsee paineissa 15 000 atm ja 300 K tai 4 000 atm ja 1 500 K. Keinotekoisia timantteja voidaan saada myös hiilivedyistä.

Hiilen amorfisia muotoja, jotka eivät muodosta kiteitä, ovat puuhiili, joka saadaan kuumentamalla puuta ilman pääsyä ilmaan, lamppu- ja kaasunoki, joka muodostuu hiilivetyjen poltettaessa matalassa lämpötilassa ilman puutteella ja tiivistyy kylmälle pinnalle, luuhiili - seos kalsiumfosfaattiin luun tuhoamisprosessissa kudosten sekä kivihiilen (luonnollinen aine, jossa on epäpuhtauksia) ja koksin, kuiva jäännös, joka saadaan polttoaineiden koksauksesta hiilen tai öljyjäämien (bitumipitoisten hiilen) kuivatislauksella, eli lämmitys ilman ilmaa. Koksia käytetään raudan sulatukseen sekä rauta- ja ei-rautametallien metallurgiassa. Koksauksen aikana muodostuu myös kaasumaisia ​​tuotteita - koksikaasua (H 2 , CH 4 , CO jne.) ja kemiallisia tuotteita, jotka ovat raaka-aineita bensiinin, maalien, lannoitteiden, lääkkeiden, muovien jne. Koksin valmistuksen päälaitteen - koksiuunin - kaavio on esitetty kuvassa. 3.

Erityyppisille hiilelle ja noelle on tunnusomaista kehittynyt pinta, ja siksi niitä käytetään adsorbentteina kaasun ja nesteen puhdistukseen sekä katalyytteinä. Hiilen eri muotojen saamiseksi käytetään erityisiä kemiallisen tekniikan menetelmiä. Keinotekoista grafiittia saadaan kalsinoimalla antrasiittia tai maaöljykoksia hiilielektrodien välissä 2260°C:ssa (Acheson-prosessi) ja sitä käytetään voiteluaineiden ja elektrodien valmistukseen, erityisesti metallien elektrolyyttiseen valmistukseen.

Hiiliatomin rakenne.

Vakavimman hiili-isotoopin massa 12 (98,9 %:n runsaus) ytimessä on 6 protonia ja 6 neutronia (12 nukleonia), jotka on järjestetty kolmeen kvartettiin, joista kukin sisältää 2 protonia ja kaksi neutronia, jotka ovat samanlaisia ​​kuin heliumydin. Toinen hiilen stabiili isotooppi on 13 C (n. 1,1 %), ja luonnossa on pieniä määriä epästabiilia isotooppia 14 C, jonka puoliintumisaika on 5730 vuotta. b-säteilyä. Kaikki kolme CO 2:n muodossa olevaa isotooppia osallistuvat elävän aineen normaaliin hiilikiertoon. Elävän organismin kuoleman jälkeen hiilen kulutus pysähtyy ja C:tä sisältävät esineet voidaan päivämäärää mittaamalla radioaktiivisuustaso 14 C. Vähennä b-14 CO 2 -säteily on verrannollinen kuolemasta kuluneeseen aikaan. Vuonna 1960 W. Libbylle myönnettiin Nobel-palkinto radioaktiivisen hiilen tutkimuksesta.

Perustilassa 6 hiilen elektronia muodostaa elektronikonfiguraation 1 s 2 2s 2 2px 1 2py 1 2pz 0 . Neljä toisen tason elektronia ovat valenssia, mikä vastaa hiilen asemaa jaksollisen järjestelmän IVA-ryhmässä ( cm. ELEMENTTITAULUKKO). Koska elektronin irtautuminen atomista kaasufaasissa vaatii suuren energian (noin 1070 kJ/mol), hiili ei muodosta ionisidoksia muiden alkuaineiden kanssa, koska tämä vaatisi elektronin irtoamisen positiivisen ioni. Kun elektronegatiivisuus on 2,5, hiilellä ei ole vahvaa elektroniaffiniteettia, eikä se siksi ole aktiivinen elektronien vastaanottaja. Siksi se ei ole taipuvainen muodostamaan hiukkasta, jolla on negatiivinen varaus. Mutta koska sidos on osittain ioninen, on olemassa joitain hiiliyhdisteitä, esimerkiksi karbideja. Yhdisteissä hiilen hapetusaste on 4. Jotta neljä elektronia voisi osallistua sidosten muodostukseen, 2:n hajoaminen on välttämätöntä s-elektroneja ja yhden näistä elektroneista hyppy 2:lla pz-kiertoradalla; tässä tapauksessa muodostuu 4 tetraedristä sidosta, joiden välinen kulma on 109°. Yhdisteissä hiilen valenssielektronit vedetään pois siitä vain osittain, joten hiili muodostaa vahvoja kovalenttisia sidoksia vierekkäisten C–C-tyyppisten atomien välille yhteistä elektroniparia käyttäen. Tällaisen sidoksen katkeamisenergia on 335 kJ/mol, kun taas Si–Si-sidoksella se on vain 210 kJ/mol, joten pitkät –Si–Si–-ketjut ovat epävakaita. Sidosen kovalenttinen luonne säilyy jopa erittäin reaktiivisten halogeenien yhdisteissä hiilen, CF4:n ja CCl4:n kanssa. Hiiliatomit pystyvät tuottamaan enemmän kuin yhden elektronin kustakin hiiliatomista sidoksen muodostumista varten; näin muodostuu kaksois-C=C- ja kolmois-CºC-sidoksia. Myös muut alkuaineet muodostavat sidoksia atomiensa välille, mutta vain hiili pystyy muodostamaan pitkiä ketjuja. Siksi hiilestä tunnetaan tuhansia yhdisteitä, joita kutsutaan hiilivedyiksi, joissa hiili on sitoutunut vetyyn ja muihin hiiliatomeihin muodostaen pitkiä ketjuja tai rengasrakenteita. cm. Orgaaninen KEMI.

Näissä yhdisteissä on mahdollista korvata vety muilla atomeilla, useimmiten hapella, typellä ja halogeeneilla, jolloin muodostuu monia orgaanisia yhdisteitä. Fluorihiilivedyillä, hiilivedyillä, joissa vety on korvattu fluorilla, on tärkeä paikka niiden joukossa. Tällaiset yhdisteet ovat äärimmäisen inerttejä, ja niitä käytetään muovina ja voiteluaineina (fluorihiilivedyt eli hiilivedyt, joissa kaikki vetyatomit on korvattu fluoriatomeilla) ja matalalämpöisinä kylmäaineina (freonit tai freonit, - fluorikloorihiilivedyt).

1980-luvulla yhdysvaltalaiset fyysikot löysivät erittäin mielenkiintoisia hiiliyhdisteitä, joissa hiiliatomit ovat liittyneet 5- tai 6-goniksi muodostaen onton pallon muotoisen C60-molekyylin, jolla on täydellinen jalkapallon symmetria. Koska tällainen rakenne on amerikkalaisen arkkitehdin ja insinöörin Buckminster Fullerin keksimän "geodeettisen kupolin" taustalla, uutta yhdisteluokkaa kutsuttiin "buckminsterfullereneiksi" tai "fullereeneiksi" (ja myös lyhyemmin "fasiballiksi" tai "buckyballiksi"). Fullereenit - puhtaan hiilen kolmas muunnos (paitsi timantti ja grafiitti), joka koostuu 60 tai 70 (ja jopa useammasta) atomista - saatiin lasersäteilyn vaikutuksesta pienimpiin hiilihiukkasiin. Monimutkaisemman muodon fullereenit koostuvat useista sadoista hiiliatomeista. C60-molekyylin halkaisija on ~ 1 nm. Tällaisen molekyylin keskellä on tarpeeksi tilaa suurelle uraaniatomille.

standardi atomimassa.

Vuonna 1961 kansainväliset puhtaan ja sovelletun kemian liitot (IUPAC) ja fysiikka hyväksyivät hiilen isotoopin 12 C massan atomimassan yksiköksi, mikä poisti aiemmin olemassa olevan atomimassojen happiasteikon. Hiilen atomimassa tässä järjestelmässä on 12,011, koska se on kolmen luonnollisen hiilen isotoopin keskiarvo, kun otetaan huomioon niiden runsaus luonnossa. cm. ATOMIMASSA.

Hiilen ja joidenkin sen yhdisteiden kemialliset ominaisuudet.

Jotkut hiilen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet esitetään artikkelissa KEMIALLISET ALUKSET. Hiilen reaktiivisuus riippuu sen modifikaatiosta, lämpötilasta ja dispersiosta. Alhaisissa lämpötiloissa kaikki hiilen muodot ovat melko inerttejä, mutta kuumennettaessa ne hapettuvat ilmakehän hapen vaikutuksesta muodostaen oksideja:

Hienojakoinen hiili, joka ylittää hapen, voi räjähtää kuumennettaessa tai kipinästä. Suoran hapettumisen lisäksi oksidien saamiseksi on olemassa nykyaikaisempia menetelmiä.

suboksidihiili

C 3 O 2 muodostuu malonihapon dehydraation aikana P 4 O 10:n yli:

C 3 O 2:lla on epämiellyttävä haju, se hydrolysoituu helposti ja muodostaa uudelleen malonihappoa.

Hiilimonoksidi (II) CO muodostuu minkä tahansa hiilen muunnelman hapettuessa ilman happea. Reaktio on eksoterminen, vapautuu 111,6 kJ/mol. Koksi valkolämpössä reagoi veden kanssa: C + H 2 O = CO + H 2; tuloksena olevaa kaasuseosta kutsutaan "vesikaasuksi" ja se on kaasumainen polttoaine. CO:ta muodostuu myös öljytuotteiden epätäydellisen palamisen aikana, sitä löytyy merkittäviä määriä autojen pakokaasuista ja sitä saadaan muurahaishapon termisellä dissosiaatiolla:

Hiilen hapetusaste CO:ssa on +2, ja koska hiili on vakaampi hapetustilassa +4, CO hapettuu helposti hapen vaikutuksesta CO 2:ksi: CO + O 2 → CO 2, tämä reaktio on erittäin eksoterminen (283 kJ / mol). CO:ta käytetään teollisuudessa seoksena H2:n ja muiden palavien kaasujen kanssa polttoaineena tai kaasumaisena pelkistimenä. Kuumennettaessa 500 °C:seen CO muodostaa huomattavassa määrin C:tä ja CO 2:ta, mutta 1000 °C:ssa tasapaino syntyy alhaisilla CO 2 -pitoisuuksilla. CO reagoi kloorin kanssa muodostaen fosgeenia - COCl 2, reaktiot muiden halogeenien kanssa etenevät samalla tavalla, reaktiossa rikin kanssa saadaan karbonyylisulfidia COS, metallien kanssa (M) CO muodostaa eri koostumuksellisia karbonyylejä M (CO) x, jotka ovat monimutkaisia ​​yhdisteitä. Rautakarbonyyli muodostuu, kun veren hemoglobiini reagoi CO:n kanssa, mikä estää hemoglobiinin reaktion hapen kanssa, koska rautakarbonyyli on vahvempi yhdiste. Tämän seurauksena hemoglobiinin toiminta hapen kantajana soluille estyy, jotka tässä tapauksessa kuolevat (ja ensinnäkin aivosolut vaikuttavat). (Siksi toinen nimi CO - "hiilimonoksidi"). Jo 1 % (tilavuus) CO2 ilmassa on vaarallista ihmiselle, jos hän on sellaisessa ilmakehässä yli 10 minuuttia. Jotkut CO:n fysikaaliset ominaisuudet on esitetty taulukossa.

Hiilidioksidi tai hiilimonoksidi (IV) CO 2 muodostuu alkuainehiilen palaessa ylimääräisessä hapessa lämmön vapautuessa (395 kJ/mol). CO 2 (triviaali nimi on "hiilidioksidi") muodostuu myös CO:n, öljytuotteiden, bensiinin, öljyjen ja muiden orgaanisten yhdisteiden täydellisen hapettumisen aikana. Kun karbonaatit liukenevat veteen, vapautuu myös hiilidioksidia hydrolyysin seurauksena:

Tätä reaktiota käytetään usein laboratoriokäytännössä CO 2:n saamiseksi. Tätä kaasua voidaan saada myös kalsinoimalla metallibikarbonaatteja:

tulistetun höyryn kaasufaasivuorovaikutuksessa CO:n kanssa:

poltettaessa hiilivetyjä ja niiden happijohdannaisia, esim.

Vastaavasti elintarviketuotteet hapetetaan elävässä organismissa lämpö- ja muun tyyppisen energian vapautuessa. Tässä tapauksessa hapetus etenee miedoissa olosuhteissa välivaiheiden kautta, mutta lopputuotteet ovat samat - CO 2 ja H 2 O, kuten esimerkiksi sokerien hajoamisessa entsyymien vaikutuksesta, erityisesti käymisen aikana. glukoosista:

Hiilidioksidin ja metallioksidien suuritonnituotanto tapahtuu teollisuudessa karbonaattien lämpöhajotuksella:

CaO:ta käytetään suuria määriä sementin tuotantoteknologiassa. Karbonaattien lämpöstabiilisuus ja lämmönkulutus niiden hajoamiseen tämän kaavion mukaisesti kasvavat sarjassa CaCO 3 ( Katso myös PALONTORJUNTA JA PALOSUOJAUS).

Hiilioksidien elektroninen rakenne.

Minkä tahansa hiilimonoksidin elektronirakennetta voidaan kuvata kolmella yhtä todennäköisellä kaaviolla, joissa on erilaisia ​​elektroniparien järjestelyjä - kolme resonanssimuotoa:

Kaikilla hiilen oksideilla on lineaarinen rakenne.

Hiilihappo.

Kun CO 2 on vuorovaikutuksessa veden kanssa, muodostuu hiilihappoa H2CO3. Kyllästetyssä CO 2 -liuoksessa (0,034 mol/l) vain osa molekyyleistä muodostaa H2CO3:a ja suurin osa CO 2:sta on hydratoituneessa tilassa CO 2 CHH 2 O.

Karbonaatit.

Karbonaatteja muodostuu metallioksidien vuorovaikutuksessa CO 2:n kanssa, esimerkiksi Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.

Alkalimetallikarbonaatteja lukuun ottamatta loput ovat käytännössä veteen liukenemattomia ja kalsiumkarbonaatti liukenee osittain hiilihappoon tai CO 2 -liuokseen paineistettuun veteen:

Nämä prosessit tapahtuvat kalkkikivikerroksen läpi virtaavassa pohjavedessä. Matalan paineen ja haihtumisen olosuhteissa CaC03 saostuu Ca(HCO 3) 2 -pitoista pohjavedestä. Näin stalaktiitit ja stalagmiitit kasvavat luolissa. Näiden mielenkiintoisten geologisten muodostumien väri selittyy vesissä olevilla rauta-, kupari-, mangaani- ja kromi-ionien epäpuhtauksilla. Hiilidioksidi reagoi metallihydroksidien ja niiden liuosten kanssa muodostaen hiilikarbonaatteja, esimerkiksi:

CS 2 + 2Cl 2® CCl 4 + 2S

CCl 4 -tetrakloridi on syttymätön aine, jota käytetään liuottimena kuivapesuprosesseissa, mutta sen käyttöä palonestoaineena ei suositella, koska se muodostaa korkeassa lämpötilassa myrkyllistä fosgeenia (kaasumaista myrkyllistä ainetta). CCl 4 itsessään on myös myrkyllistä, ja huomattavia määriä hengitettynä voi aiheuttaa maksamyrkytyksen. CCl4 muodostuu myös fotokemiallisessa reaktiossa metaanin CH4:n ja Cl2:n välillä; tässä tapauksessa on mahdollista muodostaa metaanin epätäydellisen kloorauksen tuotteita - CHCI 3, CH 2 Cl 2 ja CH 3 Cl. Reaktiot etenevät samalla tavalla muiden halogeenien kanssa.

grafiittireaktiot.

Grafiitti hiilen muunnelmana, jolle on ominaista suuret etäisyydet kuusikulmaisten renkaiden kerrosten välillä, joutuu epätavallisiin reaktioihin, esimerkiksi alkalimetallit, halogeenit ja jotkut suolat (FeCl 3) tunkeutuvat kerrosten väliin muodostaen yhdisteitä KC 8, KC 16-tyyppiä (kutsutaan interstitiaaliksi, inkluusioksi tai klatraateiksi). Vahvat hapettimet, kuten KClO 3 happamassa väliaineessa (rikki- tai typpihapossa) muodostavat aineita, joilla on suuri kidehilan tilavuus (jopa 6 Å kerrosten välillä), mikä selittyy happiatomien lisäämisellä ja yhdisteiden muodostumisella. , jonka pinnalle hapettumisen seurauksena karboksyyliryhmät (–COOH) - yhdisteet, kuten hapettunut grafiitti tai melliittihappo (bentseeniheksakarboksyylihappo) C 6 (COOH) 6. Näissä yhdisteissä C:O-suhde voi vaihdella välillä 6:1 - 6:2,5.

Karbidit.

Hiili muodostaa metallien, boorin ja piin kanssa erilaisia ​​yhdisteitä, joita kutsutaan karbideiksi. Aktiivisimmat metallit (IA–IIIA-alaryhmät) muodostavat suolan kaltaisia ​​karbideja, esimerkiksi Na 2 C 2 , CaC 2 , Mg 4 C 3 , Al 4 C 3 . Teollisuudessa kalsiumkarbidia saadaan koksista ja kalkkikivestä seuraavilla reaktioilla:

Karbidit ovat johtamattomia, lähes värittömiä, hydrolysoituvat muodostaen esimerkiksi hiilivetyjä

CaC 2 + 2H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2

Reaktiossa muodostuva asetyleeni C 2 H 2 toimii raaka-aineena monien orgaanisten aineiden tuotannossa. Tämä prosessi on mielenkiintoinen, koska se edustaa siirtymistä epäorgaanisista raaka-aineista orgaanisten yhdisteiden synteesiin. Karbideja, jotka muodostavat asetyleeniä hydrolyysissä, kutsutaan asetylideiksi. Pii- ja boorikarbideissa (SiC ja B 4 C) atomien välinen sidos on kovalenttinen. Siirtymämetallit (B-alaryhmän elementit) muodostavat hiilellä kuumennettaessa myös koostumukseltaan vaihtelevia karbideja metallipinnan halkeamiin; niiden sidos on lähellä metallia. Joillekin tämän tyyppisille karbideille, kuten WC, W 2 C, TiC ja SiC, on tunnusomaista korkea kovuus ja tulenkestävyys, ja niillä on hyvä sähkönjohtavuus. Esimerkiksi NbC, TaC ja HfC ovat tulenkestävimpiä aineita (sp = 4000–4200 °C), diniobiumkarbidi Nb 2 C on suprajohde 9,18 K:n lämpötilassa, TiC ja W 2 C ovat kovuudeltaan lähellä timanttia ja kovuus B. 4 C (timantin rakenteellinen analogi) on 9,5 Mohsin asteikolla ( cm. riisi. 2). Inerttejä karbideja muodostuu, jos siirtymämetallin säde

Hiilen typpijohdannaiset.

Tähän ryhmään kuuluu urea NH 2 CONH 2 - typpilannoite, jota käytetään liuoksen muodossa. Ureaa saadaan NH 3:sta ja CO 2:sta, kun sitä kuumennetaan paineen alaisena:

Syaani (CN) 2 on monilta ominaisuuksiltaan samanlainen kuin halogeenit, ja sitä kutsutaan usein pseudohalogeeniksi. Syanidia saadaan hapettamalla syanidi-ioni heikosti hapella, vetyperoksidilla tai Cu 2+ -ionilla: 2CN - ® (CN) 2 + 2e.

Syanidi-ioni, joka on elektronin luovuttaja, muodostaa helposti monimutkaisia ​​yhdisteitä siirtymämetalli-ionien kanssa. Syanidi-ioni on CO:n tavoin myrkky, joka sitoo elintärkeitä rautayhdisteitä elävässä organismissa. Syanidikompleksi-ionien yleinen kaava on -0,5 x, missä X on metallin (kompleksoivan aineen) koordinaatioluku, joka on empiirisesti yhtä suuri kuin metalli-ionin hapetusasteen kaksinkertainen arvo. Esimerkkejä tällaisista kompleksisista ioneista ovat (joiden ionien rakenne on esitetty alla) tetrasyaaninikelaatti (II) -ioni 2–, heksasyanoferraatti (III) 3–, disyanoargentaatti -:

Karbonyylit.

Hiilimonoksidi pystyy reagoimaan suoraan monien metallien tai metalli-ionien kanssa muodostaen monimutkaisia ​​yhdisteitä, joita kutsutaan karbonyyleiksi, kuten Ni(CO) 4, Fe(CO) 5, Fe 2 (CO) 9, 3, Mo(CO) 6, 2 . Sidos näissä yhdisteissä on samanlainen kuin sidos edellä kuvatuissa syaanikomplekseissa. Ni(CO) 4 on haihtuva aine, jota käytetään erottamaan nikkeli muista metalleista. Valuraudan ja teräksen rakenteen huononeminen rakenteissa liittyy usein karbonyylien muodostumiseen. Vety voi olla osa karbonyylejä muodostaen karbonyylihydridejä, kuten H 2 Fe (CO) 4 ja HCo (CO) 4, joilla on happamia ominaisuuksia ja jotka reagoivat alkalin kanssa:

H 2 Fe(CO) 4 + NaOH → NaHFe(CO) 4 + H 2 O

Tunnetaan myös karbonyylihalogenidit, esimerkiksi Fe (CO) X 2, Fe (CO) 2 X 2, Co (CO) I 2, Pt (CO) Cl 2, jossa X on mikä tahansa halogeeni.

Hiilivedyt.

Tunnetaan valtava määrä hiilen ja vedyn yhdisteitä

Lewis (1916) esitti ajatuksen, että kemialliset sidokset voisivat johtua kahden atomin elektroniparista, ja sen kehittivät Heitler ja Lontoo (1927). Myöhemmin Linus Pauling esitteli suunnatun valenssin ja kiertoradan hybridisaation erittäin tärkeät käsitteet.

Konseptin mukaan suuntaava valenssi, atomien yhdistäminen suoritetaan suuntaan, jossa kiertoradojen maksimaalinen päällekkäisyys varmistetaan. Mitä parempi limitys, sitä vahvempi sidoksen tulee olla, ja vain suurimmalla limityksellä saavutetaan järjestelmän pienin energia.

Perustilassa olevan hiiliatomin elektronirakenne on 1s22s22p2. Katsotaanpa tarkasti elektronien jakautumista hiiliatomin kiertoradalla:

Kaksi paritonta elektronia voi muodostaa vain kaksi kemiallista sidosta muiden atomien kanssa, eli tämän kaavion mukaan hiiliatomin on oltava bivalenttinen. Mutta orgaanisessa kemiassa hiiliatomin valenssi on aina neljä..

Neljän kovalenttisen sidoksen muodostamiseksi hiiliatomissa on oltava neljä paritonta elektronia.

Kuinka selittää hiilen neliarvoisuus?

Atomi voi muuttaa valenssitilaansa, kun elektronien pari on purettu ja siirretty muille atomikiertoradalle. Meidän tapauksessamme yksi elektroni s-orbitaalista menee vapaalle p-orbitaalille.

Harkitse sidosten muodostumista yksinkertaisimman hiilen vetyyhdisteen molekyylissä - metaanimolekyylissä (CH4). Jokaisella vetyatomilla on yksi pariton elektroni ensimmäisen elektronikerroksen (1s1) s-orbitaalissa. Viritetyssä hiiliatomissa on neljä paritonta elektronia: yksi toisen kerroksen s- ja kolme p-orbitaaleissa. Voisi olettaa, että s - ja p-orbitaalien eri muodoista johtuen hiiliatomin ja vetyatomien väliset sidokset olisivat epätasa-arvoisia. Tutkimukset osoittavat, että metaanimolekyylin sidokset ovat samanarvoisia.

Tästä seuraa hybridiatomiradat , elektroneja

jolla heillä on keskimääräinen energia.

Joten 1-s elektroni ja 3 p-elektronia ovat mukana hybridisaatiossa, joten tämän tyyppistä hybridisaatiota kutsutaan ns. sp 3 -hybridisaatio . Tätä hiiliatomin kiertoradan tilaa kutsutaan ensimmäinen valenssitila. Koska hybridisaatiossa on mukana neljä elektronia, muodostuu neljä identtistä hybridiorbitaalia. Kun hybridiorbitaalit muodostuvat, ne eroavat mahdollisimman kauas toisistaan. Niiden välinen kulma osoittautuu yhtä suureksi kuin 109028/, eli kaikki sp3-hybridisaation tilassa olevan hiiliatomin hybridiorbitaalit on suunnattu tetraedrin - säännöllisen kolmion muotoisen pyramidin - kärkiin.

Kemiallinen sidos on atomikiertoradan päällekkäisyys . Koska hiili on neliarvoinen, kemiallisia sidoksia on neljä. Vetyatomilla on yksi pariton elektroni s-kiertoradalla ja se on pallon muotoinen. Siksi CH4-metaanimolekyylillä on seuraava avaruudellinen rakenne.

Etaanimolekyylillä CH3 - CH3 on vastaavasti seuraava avaruudellinen rakenne:

https://pandia.ru/text/80/289/images/image016_17.jpg" align="left" width="147 height=110" height="110"> Kaikki hiiliatomin p-orbitaalit eivät voi osallistua hybridisaatioon. Joten yhdestä s - ja kahdesta p-orbitaalista muodostuu kolme sp2-hybridiorbitaalia, joiden välinen kulma on 1200 (tasainen tasasivuinen kolmio). Yksi muuttumattomana jäljellä oleva p-orbitaali sijaitsee kohtisuorassa sitä tasoa vastaan, jossa hybridiorbitaalit sijaitsevat. Juuri ei-hybridit p-elektronit osallistuvat p-pilvien sivuttaisen päällekkäisyyden aikana muodostuvan π-sidoksen heijastumiseen ja sijaitsevat sitoutuvien ytimien tason ylä- ja alapuolella.

Sp2-hybridisaatiossa tapaamme yhdisteissä, joissa on kaksoissidos, jolloin atomit muodostavat kaksoissidoksen ja ovat sp2-hybridisaatiossa.

Tarkastellaanpa CH2 = CH2 eteenimolekyylin avaruudellista rakennetta, jossa hiiliatomit ovat sp2-hybridisaatiotilassa. Kuvan aaltoviiva osoittaa ei-hybridi-p-orbitaalien limityksen (π-sidos).

Hiiliatomin kolmas valenssitila, sp – hybridisaatio .

Kun hiiliatomista sekoitetaan yksi s - ja yksi p-orbitaali, tapahtuu sp-hybridisaatiota. Atomiorbitaalien sp-hybridisaatiossa kaksi p-orbitaalia pysyvät hybridisoitumattomina. sp-hybridiorbitaalit on suunnattu 1800 kulmassa toisiinsa nähden (lineaarinen konfiguraatio).

Kaksi p-orbitaalia, jotka eivät osallistu hybridisaatioon, sijaitsevat keskenään kohtisuorassa ja osallistuvat kahden π-sidoksen muodostumiseen. Sp-hybridisaatiossa tapaamme yhdisteissä, joissa on kolmoissidos, hiiliatomit muodostavat kolmoissidoksen ja ovat sp-hybridisaatiossa.

Niin , yksinkertaisten yksittäisten σ-sidosten muodostumiseen osallistuvat hiiliatomit ovat sp3-hybridisaatiotilassa, kaksoissidosten muodostukseen osallistuvat hiiliatomit ovat sp2-hybridisaatiotilassa, kolmoissidosten muodostumiseen osallistuvat hiiliatomit sidokset ovat sp-hybridisaation tilassa. Jokaisella monisidoksella on aina yksi σ-sidos, kaikki muut ovat π-sidoksia. Esimerkiksi CH2 = CH2-molekyylissä hiiliatomien välillä yksi sidos on σ-, toinen on π-sidos. CH≡CH-molekyylissä hiiliatomien välillä on yksi σ-sidos ja kaksi π-sidosta.

Tarkista itse, kuinka ymmärsit aiheen, suorita tätä varten testitehtävä:

1. Kuinka monta π-sidosta buteenimolekyyli -1 sisältää (CH3 - CH2 - CH \u003d CH2):

a) 2, b) 4, c) 1, c) 12.

2. Kuinka monta hiiliatomia pentiini-2-molekyylissä (CH3 - C ≡ C - CH2 - CH3) on sp3-hybridisaatiotilassa:

a) kaikki 5 hiiliatomia, b) 2, c) 1, d) 3.

3. Mikä on CH2 = CH2 -molekyylin odotettu tasapainokonfiguraatio:

a) lineaarinen, b) kulmikas, c) tasasivuinen kolmio, d) tetraedri.

4. Valitse yhdisteet, joille on tunnusomaista kovalenttinen polaarinen sidos:

a) Cl2; b) C - H;

5. Määritä atomiorbitaalien hybridisaatiotyyppi seuraavien tietojen perusteella:

Oikeat testivastaukset:

1. (c); 2. (d); 3. (c); 4. (c); 5 sp2.

On mahdotonta kuvailla lyhyesti, mitä hiili on. Loppujen lopuksi se on elämän perusta. Tätä alkuainetta on kaikissa orgaanisissa yhdisteissä, ja vain se voi muodostaa DNA-molekyylejä miljoonista atomeista. Sen ominaisuuksia on lukuisia, joten siitä kannattaa puhua tarkemmin.

Kaava, merkintä, ominaisuudet

Tämä elementti, joka sijaitsee taulukossa sarjanumeron kuusi alla, on merkitty symbolilla "C". Hiilen elektroninen rakennekaava on seuraava: 1s 2 2s 2 2p 2 . Sen massa on 12,0107 amu. Tällä aineella on:

• Kaksi paritonta elektronia perustilassa. Näyttää valenssi II.
• Neljä paritonta elektronia viritetyssä tilassa. Näyttää valenssi IV.

On huomattava, että maankuoressa on tietty massa hiiltä. 0,023 % tarkalleen. Se kerääntyy pääasiassa yläosaan, biosfääriin. Suurin osa litosfäärin hiilen massasta kertyy dolomiitteihin ja kalkkikiviin karbonaattien muodossa.

fyysiset ominaisuudet

Joten mitä on hiili? Tämä on aine, jota on olemassa valtavasti erilaisia ​​allotrooppisia muunnelmia, ja niiden fysikaalisia ominaisuuksia voidaan luetella pitkään. Ja aineiden monimuotoisuuden määrää hiilen kyky muodostaa erityyppisiä kemiallisia sidoksia.

Entä hiilen ominaisuudet yksinkertaisena aineena? Ne voidaan tiivistää seuraavasti:

• Normaaleissa olosuhteissa tiheys on 2,25 g/cm³.
• Kiehumispiste on 3506,85 °C.
• Molaarinen lämpökapasiteetti - 8,54 J / (K.mol).
• Kriittinen faasimuutoslämpötila (kun kaasu ei kondensoidu missään paineessa) on 4130 K, 12 MPa.
• Molaarinen tilavuus 5,3 cm³/mol.

Kannattaa myös listata hiilimuokkaukset.

Kiteisistä aineista tunnetuimpia ovat: timantti, karbiini, grafiitti, nanotimantti, fulleriitti, lonsdaleiitti, fullereeni ja hiilikuidut.

Amorfisia muodostumia ovat: puu, fossiili ja aktiivihiili, antrasiitti, koksi, lasimainen hiili, noki, hiilimusta ja nanovaahto.

Mutta mikään edellä mainituista ei ole kyseessä olevan aineen puhdas allotrooppinen muoto. Nämä ovat vain kemiallisia yhdisteitä, joissa on suuria pitoisuuksia hiiltä.

Rakenne

Mielenkiintoista on, että hiiliatomin elektroniradat eivät ole samat. Niillä on erilainen geometria. Kaikki riippuu hybridisaatioasteesta. On olemassa kolme yleisintä geometriaa:

• tetraedrinen. Se muodostuu, kun kolme p- ja yksi s-elektronia sekoittuvat. Tämä hiiliatomin geometria havaitaan lonsdaleitessa ja timantissa. Metaanilla ja muilla hiilivedyillä on samanlainen rakenne.
• Trigonaalinen. Tämä geometria muodostuu kahden p- ja yhden s-elektronin orbitaalin sekoituksesta. Toinen p-alkuaine ei osallistu hybridisaatioon, mutta se on mukana π-sidosten muodostumisessa muiden atomien kanssa. Tämä rakenne on ominaista fenolille, grafiitille ja muille modifikaatioille.
• Digonaalinen. Tämä rakenne muodostuu s- ja p-elektronien sekoittumisesta (yksi kerrallaan). Mielenkiintoista on, että elektronipilvet näyttävät epäsymmetrisiltä käsipainoilta. Ne venytetään tähän suuntaan. Kaksi muuta p-elektronia muodostaa pahamaineisia π-sidoksia. Tämä geometria on tyypillinen karabiinille.

Ei niin kauan sitten, vuonna 2010, Nottinghamin yliopiston tutkijat löysivät yhdisteen, jossa neljä atomia oli kerralla samassa tasossa. Sen nimi on monomeerinen dilitiometaani.

molekyylejä

Niistä kannattaa puhua erikseen. Käsiteltävän aineen atomit voivat yhdistyä, minkä seurauksena muodostuu monimutkaisia ​​hiilimolekyylejä. Tyydytetyistä Na:sta, C 2:sta ja H2:sta, joiden välillä on liian vähän vetovoimaa, ne eroavat taipumukseltaan tiivistyä kiinteään tilaan. Hiilimolekyylit voivat pysyä kaasumaisessa tilassa vain, jos lämpötila pidetään korkeana. Muuten aine kovettuu välittömästi.

Jokin aika sitten Yhdysvalloissa, Berkeley National Laboratoryssa, syntetisoitiin uudenlainen kiinteän hiilen muoto. Tämä on C36. Ja sen molekyyli muodostaa 36 hiiliatomia. Aine muodostuu yhdessä C60-fullereenien kanssa. Tämä tapahtuu kahden grafiittielektrodin välillä valokaaripurkausliekin olosuhteissa. Tiedemiehet ehdottavat, että uuden aineen molekyyleillä on mielenkiintoisia kemiallisia ja sähköisiä ominaisuuksia, joita ei ole vielä tutkittu.

Grafiitti

Nyt voimme puhua yksityiskohtaisemmin sellaisen aineen, kuten hiilen, tunnetuimmista modifikaatioista.

Grafiitti on luontainen mineraali, jolla on kerrosrakenne. Tässä ovat sen ominaisuudet:

• Se johtaa erittäin hyvin sähköä.
• Se on suhteellisen pehmeä aine alhaisen kovuutensa vuoksi.
• Ilman puuttuessa lämmitettynä se on vakaa.
• Ei sula.
• Öljyinen, liukas kosketukseen.
• Luonnongrafiitti sisältää 10-12 % epäpuhtauksia. Yleensä nämä ovat raudan ja saven oksideja.

Jos puhumme kemiallisista ominaisuuksista, on syytä huomata, että suolojen ja alkalimetallien kanssa tämä aine muodostaa niin kutsuttuja inkluusioyhdisteitä. Grafiitti reagoi myös hapen kanssa korkeissa lämpötiloissa ja palaa hiilidioksidiksi. Mutta kosketus hapettamattomien happojen kanssa ei aiheuta tulosta - tämä aine ei yksinkertaisesti liukene niihin.

Grafiittia käytetään useilla aloilla. Sitä käytetään vuorauslevyjen ja sulatusupokkaiden valmistuksessa, lämmityselementtien ja elektrodien valmistuksessa. Ilman grafiitin osallistumista on mahdotonta saada synteettisiä timantteja. Se toimii myös neutronien hidastajana ydinreaktoreissa. Ja tietysti siitä valmistetaan lyijykynän lyijyä, jotka häiritsevät kaoliinia. Ja tämä on vain osa alueista, joilla sitä käytetään.

Timantti

Se on metastabiili mineraali, joka voi olla olemassa loputtomiin, johtuen jossain määrin hiilen lujuudesta ja tiheydestä. Timantti on Mohsin asteikon kovin aine ja se voi helposti leikata lasin läpi.

Sillä on korkea lämmönjohtavuus, dispersio, taitekerroin. Se on kulutusta kestävä, ja sen sulattamiseksi tarvitset 4000 °C:n lämpötilan ja noin 11 GPa:n paineen. Sen ominaisuus on luminesenssi, kyky hehkua eri väreissä.

Tämä on harvinainen, vaikkakin yleinen aine. Mineraalien ikä voi tiettyjen tutkimusten mukaan vaihdella 100 miljoonasta 2,5 miljardiin vuoteen. On löydetty timantteja, jotka ovat peräisin maan ulkopuolelta, mahdollisesti jopa ennen aurinkoa.

Tämä mineraali on löytänyt sovelluksensa koruissa. Hiottu timantti, jota kutsutaan briljanttiksi, on kallis, mutta sen asema helmenä ja kauneus ovat tehneet siitä entistä suositumman. Muuten, tätä ainetta käytetään myös leikkurien, porien, veitsien jne. valmistukseen. Poikkeuksellisen kovuutensa vuoksi mineraalia käytetään monilla teollisuudenaloilla.

Karbiini

Jatkossa aiheeseen, mitä hiili on, on sanottava muutama sana sellaisesta modifikaatiosta kuin karbiini. Se näyttää mustalta hienojakoiselta jauheelta, sillä on puolijohdeominaisuuksia. Neuvostoliiton tutkijat hankkivat keinotekoisesti 60-luvun alussa.

Tämän aineen erikoisuus on johtavuuden lisääntyminen valon vaikutuksesta. Siksi sitä alettiin käyttää valokennoissa.

Grafeeni

Tämä on maailman ensimmäinen kaksiulotteinen kristalli. Tällä modifikaatiolla on suurempi mekaaninen jäykkyys kuin grafiitilla ja ennätyskorkea lämmönjohtavuus ~5,10 3 W.m −1 .K −. Grafeenivarauksen kantajilla on korkea liikkuvuus, minkä vuoksi aineella on tulevaisuudennäkymiä sen käytön suhteen erilaisissa sovelluksissa. Uskotaan, että siitä voi tulla nanoelektroniikan tulevaisuuden perusta ja jopa korvata piitä integroiduissa piireissä.

Grafeenia saadaan keinotekoisesti tieteellisissä laboratorioissa. Tätä varten on turvauduttava grafiittikerrosten mekaaniseen irrotukseen erittäin suuntautuneesta aineesta. Tällä tavalla saadaan korkealaatuisia näytteitä, joilla on vaadittu kantoaallon liikkuvuus.

Sen ominaisuuksia ei ole täysin tutkittu, mutta tutkijat ovat jo havainneet jotain mielenkiintoista. Esimerkiksi grafeenissa ei ole Winger-kiteytymistä. Ja kaksinkertaisessa aineen kerroksessa elektronien käyttäytyminen muistuttaa nestekiteille ominaista. Jos kiteen sirpalointiparametreja tarkkaillaan, on mahdollista saada grafeenilaatikon muotoinen nanorakenne.

Myrkyllisyys

Tämä aihe on huomioimisen arvoinen tarinan lopussa siitä, mitä hiili on. Tosiasia on, että tämä aine vapautuu ilmakehään autojen pakokaasujen mukana. Ja myös hiiltä poltettaessa, maanalaisessa kaasutuksessa ja monissa muissa prosesseissa.

Tämän aineen lisääntynyt pitoisuus ilmassa johtaa sairauksien määrän lisääntymiseen. Tämä koskee erityisesti keuhkoja ja ylempiä hengitysteitä. Ja myrkyllinen vaikutus johtuu säteilyluonteen vuorovaikutuksesta β-hiukkasten kanssa, mikä johtaa siihen, että molekyylin kemiallinen koostumus ja myös aineen ominaisuudet muuttuvat.

Hiili(lat. Carboneum), C, Mendeleevin jaksollisen järjestelmän ryhmän IV kemiallinen alkuaine, atominumero 6, atomimassa 12.011. Tunnetaan kaksi stabiilia isotooppia: 12 C (98,892 %) ja 13 C (1,108 %). Radioaktiivisista isotoopeista tärkein on 14 C, jonka puoliintumisaika (T ½ \u003d 5,6 10 3 vuotta). Yläilmakehään muodostuu jatkuvasti pieniä määriä 14 C:tä (noin 2 10 -10 massaprosenttia) 14 N typen isotoopin kosmisen säteilyn neutronien vaikutuksesta, joiden ikä määräytyy 14 C:n isotoopin ominaisaktiivisuuden perusteella. biogeenistä alkuperää olevat jäännökset. 14 C:tä käytetään laajalti isotooppimerkkiaineena.

Historiallinen viittaus. Hiili on tunnettu muinaisista ajoista lähtien. Puuhiiltä hyödynnettiin metallien talteenottoon malmeista, timantti - jalokivenä. Paljon myöhemmin grafiittia käytettiin upokkaiden ja kynien valmistukseen.

Vuonna 1778 K. Scheele, kuumentaen grafiittia salpetarilla, havaitsi, että tässä tapauksessa, samoin kuin hiiltä lämmitettäessä salpetarilla, vapautuu hiilidioksidia. Timantin kemiallinen koostumus selvitettiin A. Lavoisier'n (1772) kokeiden tuloksena timantin palamisesta ilmassa ja S. Tennantin (1797) tutkimuksilla, jotka osoittivat, että samat määrät timanttia ja hiiltä antavat yhtä paljon. hiilidioksidia hapettumisen aikana. Lavoisier tunnusti hiilen kemialliseksi alkuaineeksi vuonna 1789. Latinankielinen nimi carboneum carbon on saatu hiilestä carbo - coal.

Hiilen jakautuminen luonnossa. Keskimääräinen hiilipitoisuus maankuoressa on 2,3 10 -2 massaprosenttia (1 10 -2 ultraemäksisessä, 1 10 -2 - emäksisessä, 2 10 -2 - väliaineessa, 3 10 -2 - happamassa kivessä) . Hiili kerääntyy maankuoren yläosaan (biosfääriin): elävässä aineessa 18 % hiiltä, ​​puuta 50 %, hiiltä 80 %, öljyä 85 %, antrasiittia 96 %. Merkittävä osa litosfäärin hiilestä on keskittynyt kalkkikiviin ja dolomiitteihin.

Omien mineraalien lukumäärä Hiili - 112; poikkeuksellisen suuri määrä orgaanisia hiilen yhdisteitä - hiilivetyjä ja niiden johdannaisia.

Hiilen kertymiseen maankuoreen liittyy monien muiden orgaanisen aineen imeytymien ja liukenemattomien karbonaattien muodossa saostuneiden alkuaineiden kerääntyminen. CO 2:lla ja hiilihapolla on tärkeä geokemiallinen rooli maankuoressa. Valtava määrä hiilidioksidia vapautuu vulkanismin aikana - maapallon historiassa se oli biosfäärin tärkein hiilen lähde.

Maankuoren keskimääräiseen pitoisuuteen verrattuna ihmiskunta poimii hiiltä syvyydestä (hiili, öljy, maakaasu) poikkeuksellisen suuria määriä, koska nämä fossiilit ovat pääasiallinen energianlähde.

Hiilen kiertokulkulla on suuri geokemiallinen merkitys.

Hiili on myös laajalti levinnyt avaruudessa; Auringossa se on neljännellä sijalla vedyn, heliumin ja hapen jälkeen.

Hiilen fysikaaliset ominaisuudet. Tunnetaan useita hiilen kiteisiä muunnelmia: grafiitti, timantti, karbiini, lonsdaleiitti ja muut. Grafiitti - harmaa-musta, läpinäkymätön, rasvainen kosketukselle, hilseilevä, erittäin pehmeä massa, jossa on metallinen kiilto. Rakennettu kuusikulmaisen rakenteen kiteistä: a = 2.462Å, c = 6.701Å. Huoneenlämpötilassa ja normaalipaineessa (0,1 MN/m2 tai 1 kgf/cm2) grafiitti on termodynaamisesti stabiilia. Timantti on erittäin kova, kiteinen aine. Kiteillä on kuutiopintainen hila: a = 3,560Å. Huoneenlämmössä ja normaalipaineessa timantti on metastabiili. Timantin huomattava muuttuminen grafiitiksi havaitaan yli 1400 °C:n lämpötiloissa tyhjiössä tai inertissä ilmakehässä. Ilmakehän paineessa ja noin 3700 °C:n lämpötilassa grafiitti sublimoituu. Nestemäistä hiiltä voidaan saada yli 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) paineissa ja yli 3700°C lämpötiloissa. Kiinteälle hiilelle (koksi, noki, puuhiili) on myös ominaista tila, jossa on epäjärjestynyt rakenne - niin kutsuttu "amorfinen" hiili, joka ei ole itsenäinen muunnos; sen rakenne perustuu hienorakeisen grafiitin rakenteeseen. Joidenkin "amorfisen" hiilen lajikkeiden kuumentaminen yli 1500-1600 °C:seen ilman pääsyä ilmaan aiheuttaa niiden muuttumisen grafiitiksi. "Amorfisen" hiilen fysikaaliset ominaisuudet riippuvat erittäin voimakkaasti hiukkasten hienoudesta ja epäpuhtauksien läsnäolosta. "Amorfisen" hiilen tiheys, lämpökapasiteetti, lämmönjohtavuus ja sähkönjohtavuus ovat aina korkeammat kuin grafiitin. Keinotekoisesti saatu karbiini. Se on hienojakoinen musta jauhe (tiheys 1,9-2 g/cm3). Se on rakennettu pitkistä C-atomien ketjuista, jotka on pinottu rinnakkain toistensa kanssa. Lonsdaleiittia löytyy meteoriiteista ja sitä saadaan keinotekoisesti.

Hiilen kemialliset ominaisuudet. Hiiliatomin ulomman elektronikuoren konfiguraatio on 2s 2 2p 2 . Hiilelle on ominaista neljän kovalenttisen sidoksen muodostuminen ulomman elektronikuoren virityksestä 2sp 3 -tilaan. Siksi hiili pystyy yhtä lailla sekä houkuttelemaan että luovuttamaan elektroneja. Kemiallinen sidos voidaan suorittaa sp 3 -, sp 2 - ja sp-hybridiorbitaalien ansiosta, jotka vastaavat koordinaatiolukuja 4, 3 ja 2. Hiilen valenssielektronien lukumäärä ja valenssiorbitaalien lukumäärä ovat samat. ; tämä on yksi syy hiiliatomien välisen sidoksen stabiilisuuteen.

Hiiliatomien ainutlaatuinen kyky yhdistyä keskenään muodostaen vahvoja ja pitkiä ketjuja ja syklejä on johtanut valtavan määrän erilaisten orgaanisen kemian tutkimien hiiliyhdisteiden syntymiseen.

Yhdisteissä hiilen hapetusaste on -4; +2; +4. Atomisäde 0,77Å, kovalenttinen säde 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å yksittäisissä, kaksois- ja kolmoissidoksissa; ionisäde C 4- 2,60Å, C 4+ 0,20Å. Tavallisissa olosuhteissa hiili on kemiallisesti inerttiä, korkeissa lämpötiloissa se yhdistyy moniin alkuaineisiin ja osoittaa vahvoja pelkistäviä ominaisuuksia. Kemiallinen aktiivisuus laskee sarjassa: "amorfinen" Hiili, grafiitti, timantti; vuorovaikutus ilmakehän hapen kanssa (palaminen) tapahtuu vastaavasti yli 300-500 °C, 600-700 °C ja 850-1000 °C lämpötiloissa, jolloin muodostuu hiilimonoksidia (IV) CO 2 ja hiilimonoksidia (II) CO.

CO 2 liukenee veteen muodostaen hiilihappoa. Vuonna 1906 O. Diels sai hiilisuboksidia C 3 O 2 . Kaikki hiilen muodot kestävät emäksiä ja happoja, ja ne hapettavat hitaasti vain erittäin voimakkailla hapettimilla (kromiseos, väkevän HNO 3:n ja KClO 3:n seos ja muut). "Amorfinen" hiili reagoi fluorin kanssa huoneenlämmössä, grafiitin ja timantin kanssa - kuumennettaessa. Hiilen suora yhteys klooriin tapahtuu sähkökaaressa; bromin ja jodin kanssa Hiili ei reagoi, joten lukuisia hiilihalogenideja syntetisoituu epäsuorasti. Yleisen kaavan COX 2 mukaisista oksihalogenideista (jossa X on halogeeni) tunnetaan parhaiten COCl-kloridi (fosgeeni). Vety ei ole vuorovaikutuksessa timantin kanssa; se reagoi grafiitin ja "amorfisen" hiilen kanssa korkeissa lämpötiloissa katalyyttien (Ni, Pt) läsnä ollessa: 600-1000 °C:ssa muodostuu pääasiassa metaania CH 4, lämpötilassa 1500-2000 °C - asetyleeni C 2 H 2 ; tuotteissa voi olla myös muita hiilivetyjä, esimerkiksi C 2 H 6 etaania, C 6 H 6 bentseeniä. Rikin vuorovaikutus "amorfisen" hiilen ja grafiitin kanssa alkaa 700-800°C:ssa, timantin kanssa 900-1000°C:ssa; kaikissa tapauksissa muodostuu hiilidisulfidia CS2. Muita rikkiä sisältäviä hiiliyhdisteitä (CS-tioksidi, C3S2-tionioksidi, COS-sulfidi ja CSCl2-tiofosgeeni) saadaan epäsuorasti. Kun CS 2 on vuorovaikutuksessa metallisulfidien kanssa, muodostuu tiokarbonaatteja - heikon tiohiilihapon suoloja. Hiilen ja typen vuorovaikutus syanogeenin (CN) 2:n tuottamiseksi tapahtuu, kun sähköpurkaus johdetaan hiilielektrodien välillä typpiatmosfäärissä. Typpeä sisältävistä hiilen yhdisteistä syaanivetysyanidi HCN (prussihappo) ja sen lukuisat johdannaiset: syanidit, halosyanidit, nitriilit jne. . Kaikki hiilen muodot pelkistävät kuumennettaessa metallioksideja muodostaen vapaita metalleja (Zn, Cd, Cu, Pb ja muita) tai karbideja (CaC 2, Mo 2 C, WC, TaC ja muita). Hiili reagoi yli 600-800 °C lämpötiloissa vesihöyryn ja hiilidioksidin kanssa (polttoaineiden kaasutus). Grafiitin erottuva piirre on kyky, kun se kuumennetaan kohtalaisesti 300-400 °C:seen, vuorovaikutuksessa alkalimetallien ja halogenidien kanssa muodostaen tyypin C 8 Me, C 24 Me, C 8 X inkluusioyhdisteitä (jossa X on halogeeni , Me on metalli). Grafiittiinkluusioyhdisteet tunnetaan HNO 3:n, H 2 SO 4:n, FeCl 3:n ja muiden kanssa (esimerkiksi grafiittibisulfaatti C 24 SO 4 H 2 ). Kaikki hiilen muodot ovat liukenemattomia tavallisiin epäorgaanisiin ja orgaanisiin liuottimiin, mutta liukenevat joihinkin sulaisiin metalleihin (esim. Fe, Ni, Co).

Hiilen taloudellisen merkityksen määrää se, että yli 90 % kaikista maailman kulutettavista primäärienergian lähteistä on fossiilisia polttoaineita, joiden hallitseva rooli säilyy ydinenergian intensiivisestä kehityksestä huolimatta tulevina vuosikymmeninä. Vain noin 10 % uutetusta polttoaineesta käytetään raaka-aineena orgaaniseen perussynteesiin ja petrokemialliseen synteesiin, muovien valmistukseen ja muihin.

hiiltä kehossa. Hiili on tärkein biogeeninen alkuaine, joka muodostaa elämän perustan maapallolla, rakenneyksikkö valtavalle määrälle orgaanisia yhdisteitä, jotka osallistuvat organismien rakentamiseen ja niiden elintärkeän toiminnan varmistamiseen (biopolymeerit sekä lukuisat pienimolekyyliset biologisesti aktiiviset aineet - vitamiinit) hormonit, välittäjät ja muut). Merkittävä osa eliöiden tarvitsemasta energiasta muodostuu soluissa hiilen hapettumisen seurauksena. Elämän syntymistä Maapallolle pidetään nykytieteessä monimutkaisena hiiliyhdisteiden evoluutioprosessina.

Hiilen ainutlaatuinen rooli elävässä luonnossa johtuu sen ominaisuuksista, joita ei kokonaisuutena ole millään muulla jaksollisen järjestelmän elementillä. Hiiliatomien, samoin kuin hiilen ja muiden alkuaineiden välille muodostuu vahvoja kemiallisia sidoksia, jotka voivat kuitenkin katketa ​​suhteellisen lievissä fysiologisissa olosuhteissa (nämä sidokset voivat olla yksi-, kaksois- ja kolminkertaisia). Hiilen kyky muodostaa 4 ekvivalenttia valenssisidosta muiden hiiliatomien kanssa mahdollistaa erityyppisten hiilirunkojen rakentamisen - lineaarisia, haarautuneita, syklisiä. On merkittävää, että vain kolme alkuainetta - C, O ja H - muodostavat 98% elävien organismien kokonaismassasta. Tällä saavutetaan tietty taloudellisuus elävässä luonnossa: hiiliyhdisteiden lähes rajattomalla rakenteellisella monimuotoisuudella pieni määrä erilaisia ​​kemiallisia sidoksia mahdollistaa orgaanisten aineiden hajoamiseen ja synteesiin tarvittavien entsyymien määrän vähentämisen merkittävästi. Hiiliatomin rakenteelliset ominaisuudet ovat orgaanisten yhdisteiden erityyppisten isomerioiden taustalla (kyky optiseen isomeriaan osoittautui ratkaisevaksi aminohappojen, hiilihydraattien ja joidenkin alkaloidien biokemiallisessa kehityksessä).

AI Oparinin yleisesti hyväksytyn hypoteesin mukaan ensimmäiset orgaaniset yhdisteet maapallolla olivat abiogeenistä alkuperää. Maan primääriilmakehän sisältämä metaani (CH 4 ) ja vetysyanidi (HCN) toimivat hiilen lähteinä. Elämän syntyessä ainoa epäorgaanisen hiilen lähde, jonka ansiosta kaikki biosfäärin orgaaninen aines muodostuu, on hiilimonoksidi (IV) (CO 2), joka on ilmakehässä ja myös liuennut luonnollisiin vesiin HCO 3 :n muodossa. Tehokkain hiilen assimilaatio (assimilaatio) mekanismi (CO 2 -muodossa) - fotosynteesi - suoritetaan kaikkialla viherkasveilla (noin 100 miljardia tonnia hiilidioksidia assimiloituu vuosittain). Maapallolla on myös evoluution kannalta muinaisempi tapa assimiloida CO 2 kemosynteesin avulla; tässä tapauksessa kemosynteettiset mikro-organismit eivät käytä auringon säteilyenergiaa, vaan epäorgaanisten yhdisteiden hapettumisenergiaa. Useimmat eläimet kuluttavat hiiltä ruoan kanssa valmiiden orgaanisten yhdisteiden muodossa. Orgaanisten yhdisteiden assimilaatiomenetelmästä riippuen on tapana erottaa autotrofiset ja heterotrofiset organismit. Mikro-organismien käyttö proteiinien ja muiden ravintoaineiden biosynteesiin käyttämällä öljyhiilivetyjä ainoana hiilen lähteenä on yksi tärkeimmistä nykyajan tieteellisistä ja teknisistä ongelmista.

Elävien organismien hiilipitoisuus kuiva-aineesta laskettuna on: 34,5-40 % vesikasveilla ja eläimillä, 45,4-46,5 % maakasveilla ja eläimillä ja 54 % bakteereilla. Organismien elintärkeän toiminnan prosessissa, pääasiassa kudoshengityksen vuoksi, orgaanisten yhdisteiden oksidatiivinen hajoaminen tapahtuu, kun hiilidioksidia vapautuu ulkoiseen ympäristöön. Hiiltä vapautuu myös osana monimutkaisempia aineenvaihdunnan lopputuotteita. Eläinten ja kasvien kuoleman jälkeen osa hiilestä muuttuu jälleen CO 2:ksi mikro-organismien suorittamien hajoamisprosessien seurauksena. Näin hiili kiertää luonnossa. Merkittävä osa hiilestä mineralisoituu ja muodostaa fossiilisen hiilen kerrostumia: hiiltä, ​​öljyä, kalkkikiveä ja muita. Päätehtävänsä - hiilen lähteen - lisäksi luonnonvesiin ja biologisiin nesteisiin liuennut CO 2 on mukana ylläpitämässä ympäristön happamuutta, joka on optimaalinen elämänprosessien kannalta. Osana CaCO 3:a hiili muodostaa monien selkärangattomien ulkorungon (esimerkiksi nilviäisten kuoret), ja sitä löytyy myös koralleista, lintujen munankuorista ym. Hiiliyhdisteitä, kuten HCN, CO, CCl 4, jotka vallitsi Maan primaariset aineet muuttuivat biologisen evoluution aikana vahvoiksi aineenvaihdunnan antimetaboliteiksi.

Hiilen stabiilien isotooppien lisäksi radioaktiivinen 14 C on laajalle levinnyt luonnossa (se sisältää noin 0,1 mikrocurieta ihmiskehossa). Hiilen isotooppien käyttöön biologisessa ja lääketieteellisessä tutkimuksessa liittyy monia merkittäviä edistysaskeleita aineenvaihdunnan ja hiilen kierron tutkimuksessa luonnossa. Siten radiohiilileiman avulla todistettiin mahdollisuus kiinnittää H 14 CO 3 - kasveja ja eläinkudoksia, määritettiin fotosynteesireaktioiden järjestys, tutkittiin aminohappojen vaihtoa, monien biologisesti aktiivisten biosynteesireittejä. yhdisteitä jäljitettiin jne. 14 C:n käyttö vaikutti molekyylibiologian menestykseen tutkittaessa proteiinien biosynteesin ja perinnöllisen tiedon välittämisen mekanismeja. 14 C:n ominaisaktiivisuuden määrittäminen hiiltä sisältävistä orgaanisista jäännöksistä mahdollistaa niiden iän arvioimisen, jota käytetään paleontologiassa ja arkeologiassa.