Le carbone est Un atome de carbone. Masse de carbone

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 05:26

L'un des éléments les plus étonnants qui peuvent former une grande variété de composés de nature organique et inorganique est le carbone. Cet élément est si inhabituel dans ses propriétés que même Mendeleev lui a prédit un grand avenir, en parlant de caractéristiques qui n'ont pas encore été divulguées.

Plus tard, c'était pratiquement confirmé. Il est devenu connu qu'il s'agit du principal élément biogénique de notre planète, qui fait partie d'absolument tous les êtres vivants. De plus, capable d'exister sous des formes radicalement différentes à tous égards, mais en même temps constituées uniquement d'atomes de carbone.

En général, cette structure a de nombreuses fonctionnalités, et nous essaierons de les traiter au cours de l'article.

Carbone: formule et position dans le système des éléments

Dans le système périodique, l'élément carbone est situé dans le groupe IV (selon le nouveau modèle en 14), le sous-groupe principal. Son numéro de série est 6 et son poids atomique est 12 011. La désignation d'un élément avec le signe C indique son nom en latin - carboneum. Il existe plusieurs formes différentes sous lesquelles le carbone existe. Sa formule est donc différente et dépend de la modification spécifique.

Cependant, pour écrire des équations de réaction, la notation est spécifique,ont bien sûr. En général, lorsqu'on parle d'une substance sous sa forme pure, on adopte la formule moléculaire du carbone C, sans indexation.

Historique de découverte d'éléments

Cet élément lui-même est connu depuis l'antiquité. Après tout, l'un des minéraux les plus importants de la nature est le charbon. Par conséquent, pour les anciens Grecs, Romains et autres nationalités, il n'était pas un secret.

Outre cette variété, des diamants et du graphite ont également été utilisés. Il y a longtemps eu de nombreuses situations déroutantes avec ce dernier, car souvent, sans analyse de la composition, de tels composés étaient pris pour le graphite, tels que:

• plomb d'argent;
• carbure de fer;
• sulfure de molybdène.

Ils étaient tous peints en noir et donc considérés comme du graphite. Plus tard, ce malentendu a été dissipé et cette forme de carbone est devenue elle-même.

Depuis 1725, les diamants ont eu une grande importance commerciale, et en 1970, la technologie pour les obtenir artificiellement a été maîtrisée. Depuis 1779, grâce aux travaux de Karl Scheele, les propriétés chimiques que présente le carbone ont été étudiées. Ce fut le début d'une série de découvertes importantes dans le domaine de cet élément et devint la base pour découvrir toutes ses caractéristiques les plus uniques.

Isotopes du carbone et distribution dans la nature

Malgré le fait que l'élément en question soit l'un des plus importants biogéniques, sa teneur totale dans la masse de la croûte terrestre est de 0,15 %. Cela est dû au fait qu'il est soumis à une circulation constante, un cycle naturel dans la nature.

En général, il y a plusieurscomposés minéraux contenant du carbone. Ce sont des races naturelles telles que:

• dolomites et calcaires;
• anthracite;
• schiste bitumineux;
• gaz naturel;
• charbon;
• pétrole;
• lignite;
• tourbe;
• bitume.

En outre, il ne faut pas oublier les êtres vivants, qui ne sont qu'un réservoir de composés carbonés. Après tout, ils ont formé des protéines, des graisses, des glucides, des acides nucléiques, ce qui signifie les molécules structurelles les plus vitales. En général, dans la conversion du poids corporel sec sur 70 kg, 15 tombe sur un élément pur. Et il en va de même pour chaque personne, sans parler des animaux, des plantes et des autres créatures.

Si l'on considère la composition de l'air et de l'eau, c'est-à-dire l'ensemble de l'hydrosphère et l'atmosphère, alors il existe un mélange carbone-oxygène, exprimé par la formule CO_{2. Le dioxyde de carbone ou dioxyde de carbone est l'un des principaux gaz qui composent l'air. C'est sous cette forme que la fraction massique de carbone est de 0,046 %. Encore plus de dioxyde de carbone est dissous dans les eaux des océans.}

La masse atomique du carbone en tant qu'élément est de 12,011. On sait que cette valeur est calculée comme la moyenne arithmétique entre les poids atomiques de toutes les espèces isotopiques qui existent dans la nature, en tenant compte de leur prévalence (en pourcentage). C'est également le cas pour la substance en question. Il existe trois principaux isotopes dans lesquels le carbone se trouve. C'est:

• ¹²С - sa fraction massique dans la grande majorité est de 98,93%;
• ¹³C -1,07 %;
• ¹⁴C - radioactif, demi-vie 5700 ans, émetteur bêta stable.

Dans la pratique de la détermination de l'âge géochronologique des échantillons, l'isotope radioactif ¹⁴С est largement utilisé, ce qui est un indicateur en raison de sa longue période de désintégration.

Modifications allotropiques d'un élément

Le carbone est un élément qui existe en tant que substance simple sous plusieurs formes. C'est-à-dire qu'il est capable de former le plus grand nombre de modifications allotropiques connues aujourd'hui.

1. Variations cristallines - existent sous la forme de structures fortes avec des réseaux réguliers de type atomique. Ce groupe comprend des variétés telles que:

• diamants;
• fullerènes;
• graphites;
• carabines;
• lonsdaleites;
• fibres et tubes de carbone.

Tous diffèrent par la structure du réseau cristallin, dans les nœuds duquel se trouve un atome de carbone. D'où les propriétés complètement uniques et dissemblables, à la fois physiques et chimiques.

2. Formes amorphes - elles sont formées par un atome de carbone, qui fait partie de certains composés naturels. Autrement dit, ce ne sont pas des variétés pures, mais avec des impuretés d'autres éléments en petites quantités. Ce groupe comprend:

• charbon actif;
• pierre et bois;
• suie;
• nanomousse de carbone;
• anthracite;
• carbone vitreux;
• une sorte de substance technique.

Ils sont également unis par des fonctionnalitésstructures du réseau cristallin, expliquant et manifestant les propriétés.

3. Composés de carbone sous forme de grappes. Une telle structure dans laquelle les atomes sont fermés dans une conformation spéciale creuse de l'intérieur, remplie d'eau ou des noyaux d'autres éléments. Exemples:

• nanocônes de carbone;
• astralens;
• dicarbon.

Propriétés physiques du carbone amorphe

En raison de la grande variété de modifications allotropiques, il est difficile d'identifier des propriétés physiques communes pour le carbone. Il est plus facile de parler d'un formulaire spécifique. Par exemple, le carbone amorphe a les caractéristiques suivantes.

1. Au cœur de toutes les formes se trouvent des variétés de graphite à cristaux fins.
2. Capacité calorifique élevée.
3. Bonnes propriétés conductrices.
4. La densité de carbone est d'environ 2 g/cm³.
5. Lorsqu'il est chauffé au-dessus de 1600 ⁰C, une transition vers les formes de graphite se produit.

Les variétés de suie, de charbon de bois et de pierre sont largement utilisées à des fins industrielles. Ils ne sont pas une manifestation de la modification du carbone sous sa forme pure, mais en contiennent en très grande quantité.

Carbone cristallin

Il existe plusieurs options dans lesquelles le carbone est une substance qui forme des cristaux réguliers de différents types, où les atomes sont connectés en série. En conséquence, les modifications suivantes sont formées.

1. Diamant. La structure est cubique, dans laquelle quatre tétraèdres sont connectés. En conséquence, toutes les liaisons chimiques covalentes de chaque atomeau maximum saturé et durable. Ceci explique les propriétés physiques: la densité du carbone est de 3300 kg/m³. Dureté élevée, faible capacité thermique, manque de conductivité électrique - tout cela est le résultat de la structure du réseau cristallin. Il existe des diamants obtenus techniquement. Ils se forment lors de la transition du graphite à la modification suivante sous l'influence d'une température élevée et d'une certaine pression. En général, le point de fusion du diamant est aussi élevé que sa résistance - environ 3500 ⁰C.
2. Graphite. Les atomes sont disposés de manière similaire à la structure de la substance précédente, cependant, seules trois liaisons sont saturées, et la quatrième devient plus longue et moins forte, elle relie les "couches" des anneaux hexagonaux du réseau. En conséquence, il s'avère que le graphite est une substance noire douce et grasse au toucher. Il a une bonne conductivité électrique et un point de fusion élevé - 3525 ⁰C. Capable de sublimation - sublimation d'un état solide à un état gazeux, en contournant l'état liquide (à une température de 3700 ⁰С). La densité du carbone est de 2,26 g/cm^3, ce qui est bien inférieur à celui du diamant. Ceci explique leurs différentes propriétés. En raison de la structure en couches du réseau cristallin, il est possible d'utiliser du graphite pour la fabrication de mines de crayon. Lorsqu'ils sont glissés sur le papier, les flocons se décollent et laissent une marque noire sur le papier.
3. Fullerènes. Ils n'ont été ouverts que dans les années 80 du siècle dernier. Ce sont des modifications dans lesquelles les carbones sont interconnectés dans une structure fermée convexe spéciale, qui a au centrevide. Et la forme d'un cristal - un polyèdre, l'organisation correcte. Le nombre d'atomes est pair. La forme la plus célèbre de fullerène est С₆₀. Des échantillons d'une substance similaire ont été trouvés au cours de la recherche:

• météorites;
• sédiments de fond;
• folgurite;
• shungite;
• l'espace extra-atmosphérique, lorsqu'il est contenu sous forme de gaz.

Toutes les variétés de carbone cristallin sont d'une grande importance pratique, car elles possèdent un certain nombre de propriétés utiles en ingénierie.

Réactivité

Le carbone moléculaire présente une faible réactivité en raison de sa configuration stable. Il ne peut être forcé d'entrer dans des réactions qu'en communiquant une énergie supplémentaire à l'atome et en forçant les électrons du niveau extérieur à s'évaporer. À ce stade, la valence devient 4. Par conséquent, dans les composés, il a un état d'oxydation de + 2, + 4, - 4.

Pratiquement toutes les réactions avec des substances simples, tant métalliques que non métalliques, se déroulent sous l'influence de températures élevées. L'élément en question peut être à la fois un agent oxydant et un agent réducteur. Cependant, ces dernières propriétés y sont particulièrement prononcées, et c'est la base de son utilisation dans les industries métallurgiques et autres.

En général, la capacité à entrer en interaction chimique dépend de trois facteurs:

• dispersion de carbone;
• modification allotropique;
• température de réaction.

Ainsi, dans certains cas, il y a une interaction avec les éléments suivantssubstance:

• non-métaux (hydrogène, oxygène);
• métaux (aluminium, fer, calcium et autres);
• oxydes métalliques et leurs sels.

Ne réagit pas avec les acides et les alcalis, très rarement avec les halogènes. La plus importante des propriétés du carbone est sa capacité à former de longues chaînes les unes avec les autres. Ils peuvent se fermer dans un cycle, former des branches. C'est ainsi que se forment les composés organiques, qui se comptent aujourd'hui par millions. La base de ces composés sont deux éléments - le carbone, l'hydrogène. D'autres atomes peuvent également être inclus: oxygène, azote, soufre, halogènes, phosphore, métaux et autres.

Principaux composés et leurs caractéristiques

Il existe de nombreux composés différents qui contiennent du carbone. La formule du plus célèbre d'entre eux est CO₂ - dioxyde de carbone. Cependant, en plus de cet oxyde, il y a aussi du CO - monoxyde ou monoxyde de carbone, ainsi que du sous-oxyde C₃O₂.

Parmi les sels qui contiennent cet élément, les plus courants sont les carbonates de calcium et de magnésium. Ainsi, le carbonate de calcium a plusieurs synonymes dans le nom, puisqu'il se produit dans la nature sous la forme:

• craie;
• marbre;
• calcaire;
• dolomite.

L'importance des carbonates de métaux alcalino-terreux se manifeste par le fait qu'ils participent activement à la formation de stalactites et de stalagmites, ainsi que des eaux souterraines.

L'acide carbonique est un autre composé qui forme du carbone. Sa formule estH₂CO₃. Cependant, sous sa forme habituelle, il est extrêmement instable et se décompose immédiatement en dioxyde de carbone et en eau en solution. Par conséquent, seuls ses sels sont connus, et non lui-même, en tant que solution.

Les halogénures de carbone - sont obtenus principalement indirectement, car la synthèse directe n'a lieu qu'à des températures très élevées et avec un faible rendement du produit. L'un des plus courants - CCL₄ - tétrachlorure de carbone. Un composé toxique qui peut provoquer une intoxication s'il est inhalé. Obtenu par des réactions de substitution photochimique radicalaire d'atomes d'hydrogène dans le méthane.

Les carbures métalliques sont des composés carbonés dans lesquels ils présentent un état d'oxydation de 4. L'existence d'associations avec le bore et le silicium est également possible. La propriété principale des carbures de certains métaux (aluminium, tungstène, titane, niobium, tantale, hafnium) est une résistance élevée et une excellente conductivité électrique. Le carbure de bore В₄С est l'une des substances les plus dures après le diamant (9,5 selon Mohs). Ces composés sont utilisés dans l'ingénierie, ainsi que dans l'industrie chimique, comme sources pour la production d'hydrocarbures (le carbure de calcium avec l'eau conduit à la formation d'acétylène et d'hydroxyde de calcium).

De nombreux alliages métalliques sont fabriqués à partir de carbone, ce qui augmente considérablement leur qualité et leurs caractéristiques techniques (l'acier est un alliage de fer et de carbone).

Une attention particulière mérite de nombreux composés organiques du carbone, dans lesquels il s'agit d'un élément fondamental capable de se combiner avec les mêmes atomes en longues chaînes de structures diverses. Ceux-ci incluent:

• alcanes;
• alcènes;
• arènes;
• protéines;
• glucides;
• acides nucléiques;
• alcools;
• acides carboxyliques et de nombreuses autres classes de substances.

Utilisation du carbone

L'importance des composés carbonés et de ses modifications allotropiques dans la vie humaine est très élevée. Vous pouvez nommer quelques-unes des industries les plus mondiales pour montrer clairement que c'est vrai.

1. Cet élément forme tous les types de combustibles fossiles à partir desquels une personne reçoit de l'énergie.
2. L'industrie métallurgique utilise le carbone comme agent réducteur le plus puissant pour obtenir des métaux à partir de leurs composés. Les carbonates sont également largement utilisés ici.
3. La construction et l'industrie chimique consomment d'énormes quantités de composés carbonés pour synthétiser de nouvelles substances et obtenir les produits nécessaires.

Vous pouvez également nommer ces secteurs de l'économie comme:

• industrie nucléaire;
• bijoux;
• équipements techniques (lubrifiants, creusets résistants à la chaleur, crayons, etc.);
• détermination de l'âge géologique des roches - traceur radioactif ¹⁴С;
• le carbone est un excellent adsorbant, ce qui le rend adapté à la fabrication de filtres.

Circulation dans la nature

La masse de carbone trouvée dans la nature est incluse dans un cycle constant qui tourne à chaque seconde autour du globe. Ainsi, la source atmosphérique de carbone - CO₂, est absorbéeplantes et est libéré par tous les êtres vivants dans le processus de respiration. Une fois dans l'atmosphère, il est à nouveau absorbé et le cycle ne s'arrête donc pas. Dans le même temps, la mort des résidus organiques entraîne la libération de carbone et son accumulation dans la terre, d'où il est ensuite à nouveau absorbé par les organismes vivants et rejeté dans l'atmosphère sous forme de gaz.