KARBON: ÖZELLIKLERI, YAPISI, ELDE EDILMESI, KULLANIMLARI - KIMYA - 2025

C- olmayan bir - , kimyasal simgesi C atomları çeşitli yapıları tanımlamak kömür, bitkisel ya da mineral almıştır metalik elementtir. Pek çok yazar, çok çeşitli organik ve inorganik bileşikler oluşturduğu ve aynı zamanda önemli sayıda allotropta meydana geldiği için onu elementlerin Kralı olarak nitelendiriyor.

Ve bu onu özel bir unsur olarak ifade etmeye yetmiyorsa, tüm canlılarda bulunur; tüm biyomolekülleri, varlığını CC bağlarının kararlılığına ve gücüne ve yüksek birleşme eğilimlerine borçludur. Karbon, yaşamın elementidir ve atomlarıyla birlikte vücutları inşa edilmiştir.

Ağaçların odunu, karbon bakımından zengin birçok bileşikten biri olan karbonhidratlardan oluşur. Kaynak: Pexels.

Biyomalzemelerin oluşturulduğu organik bileşikler pratik olarak karbon iskeletlerinden ve heteroatomlardan oluşur. Bunlar ağaçların ormanında çıplak gözle görülebilir; ve ayrıca şimşek çarptığında ve onları kavurduğunda. Kalan inert siyah katı da karbona sahiptir; ama odun kömürü.

Bu nedenle, bu elementin “ölü” tezahürleri vardır: oksijenden fakir ortamlarda yanmanın bir ürünü olan odun kömürü; ve jeolojik süreçlerin bir ürünü olan maden kömürü. Her iki katı da birbirine benzer, siyahtır ve ısı ve enerji üretmek için yanarlar; farklı verimlerle olmasına rağmen.

Bu noktadan itibaren karbon, yer kabuğunda en çok bulunan 15. elementtir. Yılda milyonlarca ton kömürün ne zaman üretildiğine şaşmamalı. Bu mineraller, safsızlık derecesine bağlı olarak özelliklerinde farklılık gösterir ve antrasiti en yüksek kalitede mineral kömürü olarak yerleştirir.

Yerkabuğu sadece maden kömürü açısından değil, aynı zamanda karbonatlar, özellikle kireçtaşı ve dolomitler açısından da zengindir. Ve Evren ile ilgili olarak, dördüncü en bol bulunan elementtir; Demek istediğim, diğer gezegenlerde daha fazla karbon var.

Karbon geçmişi

Restrospect

Karbon, yer kabuğunun kendisi kadar eski olabilir. Çok eski zamanlardan beri, eski uygarlıklar bu elementle birçok doğal sunumunda karşılaşmışlardır: is, odun kömürü, odun kömürü, odun kömürü, elmas, grafit, kömür katranı, antrasit vb.

Tüm bu katılar, koyu tonları paylaşmalarına rağmen (elmas hariç), fiziksel özelliklerinin geri kalanı ve bileşimleri önemli ölçüde farklıydı. O zamanlar esasen karbon atomlarından oluştuğunu iddia etmek imkansızdı.

Böylelikle kömür, tarih boyunca yanma ve ısı sağlama anındaki kalitesine göre sınıflandırılmıştır. Ve yanmasıyla oluşan gazlarla su kütleleri ısıtıldı ve bu da elektrik akımları üreten türbinleri hareket ettiren buharlar üretti.

Ağaçların kapalı veya hermetik alanlarda yakılmasıyla üretilen odun kömüründe beklenmedik bir şekilde karbon mevcuttu; kalemlerin yapıldığı grafitte; mücevher olarak kullanılan elmaslarda; çeliğin sertliğinden o sorumluydu.

Tarihi, ahşap, barut, şehir aydınlatma gazları, trenler ve gemiler, bira, madeni yağlar ve insanlığın ilerlemesi için diğer temel nesnelerle el ele gider.

Tanıma

Bilim adamları hangi noktada karbon allotroplarını ve minerallerini aynı elementle ilişkilendirebildiler? Kömür bir mineral olarak görülüyordu ve periyodik tabloya layık bir kimyasal element olarak düşünülmüyordu. İlk adım, tüm bu katıların aynı gaza dönüştürüldüğünü göstermek olmalıydı: karbondioksit, CO ₂ .

Antoine Lavoisier, 1772'de büyük lensli ahşap bir çerçeve kullanarak, güneş ışınlarını odun kömürü ve elmas örneklerine odakladı. Hiçbirinin CO _{2 dışında} su buharı oluşturmadığını buldu . Kurumla aynı şeyi yaptı ve aynı sonuçları aldı.

1779'da Carl Wilhelm Scheele, odun kömürü ve grafit arasındaki kimyasal ilişkiyi buldu; yani, her iki katı da aynı atomlardan oluşuyordu.

1797 yılında Smithson'un Tennant ve William Hyde Wollaston metodolojik CO üretilirken elmas aslında karbon oluştuğunu (reaksiyonlar yoluyla) belirlenmiş ₂ onun yanma.

Bu sonuçlarla, ışık kısa sürede grafit ve elmasa, karbonun oluşturduğu katılara ve dolayısıyla yüksek saflığa atıldı; kömür ve diğer karbonlu minerallerin saf olmayan katılarının aksine.

Özellikleri

Katılarda, minerallerde veya karbonlu materyallerde bulunan fiziksel veya kimyasal özellikler birçok değişkene tabidir. Bunlar arasında safsızlıkların bileşimi veya derecesi, karbon atomlarının hibridizasyonu, yapıların çeşitliliği ve gözeneklerin morfolojisi veya boyutu yer alır.

Karbonun özelliklerini tanımlarken, çoğu metin veya bibliyografik kaynak grafit ve elmasa dayanmaktadır.

Neden? Bu element için en iyi bilinen allotroplar oldukları ve katıları veya yüksek saflıkta malzemeleri temsil ettikleri için; yani, pratikte karbon atomlarından başka bir şeyden oluşmazlar (bir sonraki bölümde açıklanacağı gibi farklı yapılara sahip olsalar da).

Odun kömürü ve maden kömürünün özellikleri sırasıyla kökenleri veya bileşimleri bakımından farklılık gösterir. Örneğin, yakıt olarak linyit (düşük karbonlu), antrasit (yüksek karbon) ile karşılaştırıldığında sürünür. Peki ya diğer allotroplar: nanotüpler, fullerenler, grafenler, grafinler vb.

Bununla birlikte, kimyasal olarak ortak bir noktaları vardır: CO _2'de aşırı oksijen ile oksitlenirler :

C + O ₂ => CO ₂

Şimdi, okside olmaları gereken hız veya sıcaklık bu allotropların her birine özeldir.

Grafit ve elmas

Burada ayrıca bu iki allotrop için çok farklı özelliklere ilişkin kısa bir yorum yapılacaktır:

Karbonun iki kristalli allotropunun bazı özelliklerinin karşılaştırıldığı tablo. Kaynak: Gabriel Bolívar.

Yapı ve elektronik konfigürasyon

Hibridizasy

Hibrit orbitaller ve karbon için olası yapılar arasındaki ilişki. Kaynak: Gabriel Bolívar.

Karbon atomu için elektron konfigürasyonu 1s ² 2s ² 2p ^2'dir ve ayrıca 2s ² 2p ² olarak yazılmıştır (üstteki resim). Bu temsil, temel durumuna karşılık gelir: başkalarıyla etkileşime giremeyecek kadar bir boşlukta izole edilmiş ve asılı kalmış karbon atomu.

Onun 2p yörüngelerinden birinde elektron bulunmadığı ve daha düşük enerjili 2s yörüngesinden bir elektronu elektronik promosyon yoluyla kabul ettiği görülebilir; ve bu, atom dört sp ile dört kovalent bağlar kadar oluşturma yeteneğini elde ³ hibrid orbitalleri .

Dört sp ³ orbitalinin de enerji dejenere olduğuna dikkat edin (aynı seviyede hizalanmış). Saf p orbitalleri daha enerjiktir, bu yüzden diğer hibrit orbitallerin üzerine yerleştirilirler (görüntünün sağında).

Üç hibrit orbital varsa, bunun nedeni bir hibridize olmayan p orbitalinin kalmasıdır; bu nedenle, üç sp ² orbitalidir . Ve bu hibrit orbitallerden iki tane olduğunda, sp karbonun hibridizasyonu olan çift veya üçlü bağlar oluşturmak için iki p orbitali mevcuttur.

Bu tür elektronik yönler, karbonun neden allotropların sonsuzluklarında bulunduğunu anlamak için gereklidir.

Oksidasyon numaraları

Yapılarla devam etmeden önce, değerlik 2s ² 2p ^2'nin elektron konfigürasyonu verildiğinde , karbonun aşağıdaki oksidasyon numaralarına sahip olabileceğinden bahsetmekte fayda var: +4, +2, 0, -2 ve -4.

Neden? Bu sayılar, iyonları ilgili yüklerle oluşturduğunuz şekilde bir iyonik bağ olduğu varsayımına karşılık gelir; yani, C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (nötr), C ^2- ve C ^4- .

Karbonun pozitif bir oksidasyon sayısına sahip olması için elektron kaybetmesi gerekir; Ve bunu yapmak için, çok elektronegatif atomlara (oksijen gibi) bağlanması gerekir.

Bu arada, karbonun negatif bir oksidasyon sayısına sahip olması için, metalik atomlara bağlanarak veya ondan daha az elektronegatif (hidrojen gibi) elektronlar kazanması gerekir.

İlk yükseltgenme sayısı +4, karbonun tüm değerlik elektronlarını kaybettiği anlamına gelir; 2s ve 2p orbitalleri boş kalır. 2p yörünge iki elektronunu kaybederse, karbonun oksidasyon sayısı +2 olacaktır; iki elektron kazanırsanız, -2'ye sahip olacaksınız; ve değerlik sekizlinizi tamamlayarak iki elektron daha kazanırsanız, -4.

Örnekler

Örneğin, CO ₂ karbon oksidasyon sayısı + 4 (oksijen daha elektronegatif olduğu için); CH ₄ için ise -4'tür (çünkü hidrojen daha az elektronegatiftir).

CH ₃ OH, karbon yükseltgenme sayısı -2 olduğu (H + 1 ve -2 O için); HCOOH için ise +2'dir (toplamın 0 verdiğini kontrol edin).

Özellikle organik moleküller söz konusu olduğunda -3 ve +3 gibi diğer oksidasyon durumları da olasıdır; örneğin metil grupları içinde, -CH ₃ .

Moleküler geometriler

Üstteki görüntü sadece karbon atomu için orbitallerin hibridizasyonunu değil, aynı zamanda birkaç atomun (siyah küreler) bir merkeze bağlandığı zaman ortaya çıkan moleküler geometrileri de gösterdi. Bu merkezi atomun uzayda belirli bir geometrik ortama sahip olması için, ona izin veren ilgili kimyasal hibridizasyona sahip olması gerekir.

Örneğin, tetrahedron için merkezi karbon SP sahip ³ hibridizasyon ; çünkü bu, dört sp ³ hibrit orbital için en kararlı düzenlemedir . Sp ² karbonları durumunda , bunlar çift bağ oluşturabilirler ve bir trigonal düzlem ortamına sahip olabilirler; ve böylece bu üçgenler mükemmel bir altıgeni tanımlar. Ve bir sp hibridizasyonu için karbonlar doğrusal bir geometri kullanır.

Bu nedenle, tüm allotropların yapılarında gözlemlenen geometriler, basitçe dörtyüzlü (sp ³ ), altıgenler veya beşgenler (sp ² ) ve çizgiler (sp) tarafından yönetilir .

Tetrahedra bir 3B yapıyı tanımlarken, altıgenler, beşgenler ve çizgiler, 3B veya 2B yapılar; İkincisi, peteklerin duvarlarına benzer düzlemler veya tabakalardır:

Sp2 karbonlarından oluşan düzlemlere benzeyen bir petek altıgen tasarımlı duvar. Kaynak: Pixabay.

Ve bu altıgen duvarı (beşgen veya karışık) katlarsak, bir tüp (nanotüpler) veya bir top (fullerenes) veya başka bir şekil elde ederiz. Bu şekiller arasındaki etkileşimler farklı morfolojilere yol açar.

Amorf veya kristalin katılar

Olası karbon yapılarının geometrilerini, hibridizasyonlarını veya morfolojilerini bir kenara bırakırsak, katıları küresel olarak iki tipte sınıflandırılabilir: amorf veya kristal. Ve bu iki sınıflandırma arasında allotropları dağıtılır.

Amorf karbon basitçe, yapısal bir model oluşturamayan, dört yüzlü, altıgenler veya çizgilerden oluşan keyfi bir karışım sunan bir karbondur; kömür, odun kömürü veya aktif kömür, kok kömürü, is vb. durum böyledir.

Kristalin karbon, önerilen geometrilerin herhangi birinden oluşan yapısal modellerden oluşurken; örneğin, elmas (üç boyutlu dörtyüzlü ağı) ve grafit (yığılmış altıgen levhalar).

edinme

Karbon, grafit veya elmas kadar saf olabilir. Bunlar, dünya çapında ve farklı ülkelerde dağılmış kendi mineralojik yataklarında bulunur. Bu nedenle bazı ülkeler bu minerallerden birinin diğerlerinden daha fazla ihracatçısıdır. Kısacası, karbonu elde etmek için "dünyayı kazmanız gerekir".

Aynısı maden kömürü ve türleri için de geçerlidir. Ancak bu, odun kömüründe durum böyle değildir, çünkü karbon bakımından zengin bir cismin önce ya ateş altında ya da bir elektrik şimşekinde "yok olması" gerekir; tabii ki, oksijenin yokluğunda, aksi CO ₂ serbest olacaktır .

Bütün bir orman, odun kömürü gibi bir karbon kaynağıdır; sadece ağaçları için değil, faunası için de.

Genel olarak, karbon içeren numuneler, safsızlıkların bir kısmını gaz olarak serbest bırakmak için pirolize (oksijen yokken yanma) tabi tutulmalıdır; ve bu nedenle, karbon açısından zengin (amorf veya kristal) bir katı, bir kalıntı olarak kalır.

Uygulamalar

Yine, özellikler ve yapı gibi, kullanımlar veya uygulamalar karbonun allotropları veya mineralojik formları ile tutarlıdır. Ancak, iyi bilinen bazı noktalara ek olarak bahsedilebilecek bazı genellemeler vardır. Bunlar:

-Karbon, saf metallerin elde edilmesinde mineral indirgeyici ajan olarak uzun süredir kullanılmaktadır; örneğin diğerleri arasında demir, silikon ve fosfor.

-Yaşamın temel taşıdır ve organik kimya ve biyokimya bu yansımanın çalışmalarıdır.

-Aynı zamanda ilk makinelerin viteslerini çalıştırmalarına imkan veren bir fosil yakıt olmuştur. Aynı şekilde eski aydınlatma sistemleri için karbon gazı ondan elde edildi. Kömür ışık, ısı ve enerji ile eşanlamlıydı.

-Farklı oranlarda demir ile katkı maddesi olarak karıştırılması, çeliklerin buluşuna ve gelişmesine olanak sağlamıştır.

-Siyah rengi başta grafit olmak üzere sanatta ve çizgileriyle yapılan tüm yazılarda yerini almıştır.

Riskler ve önlemler

Karbon ve katıları herhangi bir sağlık riski oluşturmaz. Bir torba odun kömürü kimin umurunda? Bazı pazarların koridorlarında gruplar halinde satılırlar ve yakınlarda ateş olmadığı sürece siyah blokları yanmaz.

Öte yandan kok, kükürt içeriği yüksekse risk oluşturabilir. Yandığında, toksik olmanın yanı sıra asit yağmuruna katkıda bulunan kükürtlü gazlar açığa çıkarır. Küçük miktarlardaki CO ₂ bizi boğmasa da, bir sera gazı olarak çevre üzerinde çok büyük bir etkiye sahiptir.

Bu açıdan bakıldığında karbon, yanması gezegenimizin iklimini değiştirdiği için “uzun vadeli” bir tehlikedir.

Ve daha fiziksel anlamda, katı veya karbonlu malzemeler toz haline getirildiklerinde hava akımlarıyla kolayca taşınırlar; ve sonuç olarak, doğrudan akciğerlere verilir ve bu da onlara onarılamayacak şekilde zarar verebilir.

Geri kalanı için, bazı yiyecekler pişirilirken "odun kömürü" tüketmek çok yaygındır.

Referanslar

1. Morrison, RT ve Boyd, R, N. (1987). Organik Kimya. 5. Baskı. Editör Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organik Kimya. (Altıncı baskı). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organik Kimya. Aminler. (10. baskı.). Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Karbon, Alotropları ve Yapıları. Everyscience.com'dan kurtarıldı
5. Advameg, Inc. (2019). Kömür. Kimya Açıklandı. Chemistryexplained.com'dan kurtarıldı
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 Temmuz 2018). 10 Karbon Gerçekleri (Atom Numarası 6 veya C). Kurtarıldı: thinkco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Karbon nedir? - Çocuklar için Gerçekler ve Tarih Dersi. Ders çalışma. Study.com'dan kurtarıldı
8. Föll. (Sf). Karbon Tarihi. Kurtarıldı: tf.uni-kiel.de