| Poster film Beauty and The Beast (Sumber) |
Anda pasti tahu film Beauty and The Beast kan?
Film animasi dari Walt Disney ini memang sangat melegenda.Berkisah mengenai cinta si cantik bernama Belle dengan Beast, si buruk rupa. Selain ada pada film, cerita tentang si cantik dan si buruk rupa juga ada dalam Ilmu Kimia. Lho kok ada? Iya beneran ada. Mungkin sudah banyak yang tahu bahwa ada dua benda yang sebenarnya tersusun dari atom-atom yang sama. Siapakah mereka?
Mereka adalah intan sebagai the beauty dan grafit sebagai the beast. Dua benda ini sama-sama tersusun dari atom karbon (atom C). Namun mereka adalah alotropi. Apa itu alotropi?
Mengenal Alotropi, Kembar Tapi Tak Sama
| Karbon dan grafit, salah satu bentuk alotropi (Sumber) |
Alotropi adalah bentuk modifikasi struktur yang berbeda dari unsur yang sama. Mudahnya, kalau di manusia alotropi adalah kembar tidak identik. Meskipun intan dan grafit sama-sama tersusun dari atom karbon, namun mereka membentuk susunan kristal yang berbeda. Di manakah bedanya?
Baca juga: Mengapa Namamu Omega -3?
Perhatikan gambar di bawah ini. Pada intan, atom karbon tersusun dengan bentuk tetrahedral. Bentuk tetrahedral ini merupakan bentuk yang juga terdapat pada gas CH4. Setiap atom karbon pada intan terikat secara kovalen dengan 4 atom lainnya. Bentuk berbeda terjadi pada grafit. Setiap atom karbon terikat dengan 3 atom karbon lainnya. Struktur yang terbentuk dari grafit adalah heksagonal belapis-lapis. Dengan perbedaan struktur ini, apa pengaruhnya terhadap sifat kedua jenis alotropi ini?
| Struktur intan (kiri) dan grafit (kanan) |
Perbedaan struktur intan dan grafit menyebabkan sifat fisika dan kimia mereka berbeda. Yang paling menonjol dari perbedaan itu adalah mengenai daya hantar listrik dan daya hantar logam. Intan merupakan isolator listrik yang baik sedangkan grafit merupakan konduktor listrik yang baik. Sebaliknya, intan merupakan konduktor panas yang baik sedangkan grafit merupakan isolator panas yang baik. Lho kok bisa kebalikan gitu, bagaimana ceritanya?
Beda Sifat Kelistrikan Intan dan Grafit
Kita tinjau dari daya hantar listrik dulu. Tadi telah disebutkan bahwa setiap atom karbon pada grafit terikat dengan tiga atom karbon lainnya membentuk susunan heksagonal belapis seperti pada kartu. Kita tahu bahwa atom karbon memiliki empat elektron valensi. Kalau digunakan tiga, berarti masih tinggal satu kan? Sisa satu elektron valensi ini yang dapat digunakan untuk menghantarkan arus listrik.Aliran awan elektron yang seperti sungai menyebabkan arus listrik bisa mengalir. Nah alasan ini yang menyebabkan grafit mampu menghantarkan listrik. Grafit sering digunakan sebagai elektrode pada saat elektrolisis. Selain itu, anda pasti tahu pensil 2B yang digunakan untuk LJK juga berasal dari karbon karena mampu dibaca oleh komputer.
Sebaliknya,atom karbon intan yang menggunakan semua elektron valensinya untuk berikatan menyebabkan tidak ada lagi elektron valensi yang tersisa. Akibatnya, intan tidak dapat menghantarkan arus listrik.
| Atom C pada Grafit (warna hijau) masih memiliki satu elektron valensi yang dapat digunakan untuk menghantarkan arus listrik (Wikipedia) |
| Atom Karbon pada intan (warna hitam) tidak memiliki elektron valensi sehingga tidak dapat menghantarkan arus listrik (Wikipedia) |
Beda Sifat Daya Hantar Panas Intan dan Grafit
Bagaimana dengan daya hantar panas? Alasannya hampir sama. Kita tahu tadi bahwa pada intan setiap atom karbon berikatan dengan empat atom karbon lainnya. Sebaliknya pada grafit hanya berikatan dengan 3 atom lainnya. Ikatan C-C (karbon-karbon) pada intan lebih kuat daripada grafit. Susunan intan lebih rapat daripada grafit.
Baca juga: Mekanisme Reaksi yang Menimbulkan Ledakan
Kita tahu bahwa perpindahan panas secara konduksi membutuhkan media. Semakin rapat media yang terdapat maka panas akan semakin mudah berpindah. Ibaratnya kalau kita naik mobil. Semakin rapat jalannya (semakin mulus) maka perjalanan kita akan semakin lancar dibanding jika jalan yang dilewati bolong-bolong (berlubang). Inilah yang menyebabkan intan merupakan konduktor panas yang baik sedangkan grafit tidak.
Nah kalau ada pertanyaan, mengapa meski keduanya tersusun dari atom karbon tapi warnanya kok sangat beda. Intan bisa berkilau dan memencarkan berbagai warna sedangakn grafit sangat hitam pekat dan menyedihkan. Oh mengapa ini bisa terjadi?Alasannya juga berasal dari susunan kristal keduanya. Sebelumnya, warna yang tampak oleh mata kita adalah warna komplemen. Warna komplemen ini merupakan warna yang berlawanan dengan warna yang diserap oleh suatu benda. Jadi, saat benda menyerap suatu warna, maka benda tersebut akan memantulkan warna yang berlawanan dengan warna yang diserapnya tadi.Kembali ke topik. Intan dapat mendispersikan (menguraikan) cahaya akibat strukturnya yang rapat. Anda masih ingat tentang peristiwa pelangi? Ya, pelangi yang kita lihat merupakan hasil penguraian cahaya monokromatik. Jika kita amati, berlian ini dapat berperan seperti titik-titik air hujan. Jadinya, intan terlihat tidak berwarna namun berkilau. Berbeda dengan intan, grafit menyerap semua warna yang diterimanya. Akibatnya, warna komplemen yang kita tangkap adalah hitam.Kalau ada pertanyaan lagi. Kenapa intan sulit sekali didapat sedangkan grafit mudah didapat? Kan kalau intan mudah didapat gak ada lagi orang miskin? Haha maunya.
Baca juga: Konsep Drug Design Menggunakan Komputasi
Alasannya, ada yang dinamakan kestabilan termodinamik. Ukuran ini dapat dijadikan patokan apakah suatu zat lebih stabil daripada zat yang lainnya. Kestabilan termodinamik dinyatakan dengan besaran energi bebas pembentukan standar (ΔGfo). Semakin kecil harga energi ini maka zat tersebut semakin stabil. Nilai (ΔGfo) untuk karbon adalah 0 sedangkan untuk intan adalah 2.900. Nah dari sini kita tahu bahwa grafit memiliki energi yang lebih rendah dibanding intan sehingga keberadannya lebih banyak.
Mengubah Grafit Menjadi Intan Menjadi Grafit
Pertanyaan terkahir. Apa bisa kita mengubah grafit menjadi intan? Kan enak juga kita bisa kaya?Jawabannya adalah bisa, tapi sangat sulit terjadi. Secara teori, sebenarnya reaksi pengubahan grafit menjadi intan adalah reaksi spontan atau reaksi yang kemungkinan bisa terjadi. Namun, meski bisa terjadi reaksi ini akan sangat lama sekali berlangsung. Ibaratnya, kalau kita ingin punya uang 1 Trilliun terus pekerjaan kita gajinya Cuma 2 juta, pasti lama dapat uang sebanyak itu. Bisa sih kalau tiba-tiba dapet hadiah atau………(silahkan isi sendiri). Intinya, tidak mustahil membuat the beast menjadi the beauty.Bagi yang penasaran, silahkan klik video di bawah ini yang menceritakan pengubahan karbon menjadi intan di bawah ini.
Sumber:
Wikipedia
(elektron pertama)
Karbon(simbol kimia C) unsur kimia dari kelompok ke-4 dari subkelompok utama periode ke-2 dari tabel periodik Mendeleev, nomor seri 6, massa atom dari campuran alami isotop 12,0107 g / mol.
Sejarah
Karbon dalam bentuk arang digunakan pada zaman dahulu untuk peleburan logam. Modifikasi alotropik karbon — berlian dan grafit — telah lama dikenal. Sifat dasar karbon ditetapkan oleh A. Lavoisier pada akhir tahun 1780-an.
asal nama
Nama internasional: carbō - batubara.
Properti fisik
Karbon ada dalam banyak modifikasi alotropik dengan sifat fisik yang sangat beragam. Variasi modifikasi ini disebabkan oleh kemampuan karbon untuk membentuk ikatan kimia dari berbagai jenis.
Isotop karbon
Karbon alami terdiri dari dua isotop stabil - 12 (98,892%) dan 13 (1,108%) dan satu isotop radioaktif 14 (β-emitor, = 5730 tahun), terkonsentrasi di atmosfer dan bagian atas bumi. Kerak. Itu terus-menerus terbentuk di lapisan bawah stratosfer sebagai akibat dari aksi neutron radiasi kosmik pada inti nitrogen sesuai dengan reaksi: 14 N (n, p) 14 C, dan juga, sejak pertengahan 1950-an, sebagai produk buatan manusia dari operasi pembangkit listrik tenaga nuklir dan sebagai hasil dari pengujian bom hidrogen ...
Pembentukan dan peluruhan 14 C didasarkan pada metode penanggalan radiokarbon, yang banyak digunakan dalam geologi dan arkeologi Kuarter.
Modifikasi alotropik karbon
Diagram struktural dari berbagai modifikasi karbon
A: berlian, B: grafit, C: lonsdaleite
D: fullerene - bukyball C 60, e: fullerene C 540, F: fullerene C 70
G: karbon amorf, H: tabung nano karbon
lonsdaleite
fullerene
nanotube karbon
karbon amorf
Jelaga karbon hitam batubara
Orbital elektron atom karbon dapat memiliki geometri yang berbeda, tergantung pada tingkat hibridisasi orbital elektronnya. Ada tiga geometri utama untuk atom karbon.
Tetrahedral - dibentuk dengan mencampur satu s- dan tiga p-elektron (sp 3 -hibridisasi). Atom karbon terletak di tengah tetrahedron, dihubungkan oleh empat ikatan yang setara dengan atom karbon atau lainnya di simpul tetrahedron. Geometri atom karbon ini sesuai dengan modifikasi alotropik karbon, intan, dan lonsdaleit. Hibridisasi semacam itu dimiliki oleh karbon, misalnya, dalam metana dan hidrokarbon lainnya.
segitiga - dibentuk dengan mencampur satu s- dan dua orbital p-elektron (sp²-hibridisasi). Atom karbon memiliki tiga ikatan setara yang terletak di satu bidang pada sudut 120 ° satu sama lain. Orbital p yang tidak berpartisipasi dalam hibridisasi, terletak tegak lurus terhadap bidang ikatan , digunakan untuk membentuk ikatan dengan atom lain. Geometri karbon ini khas untuk grafit, fenol, dll.
Digonal - dibentuk dengan mencampur satu s- dan satu p-elektron (sp-hibridisasi). Dalam hal ini, dua awan elektron memanjang sepanjang satu arah dan memiliki bentuk halter asimetris. Dua elektron p lainnya memberikan ikatan . Karbon dengan geometri atom seperti itu membentuk modifikasi alotropik khusus - carbyne.
Grafit dan berlian
Modifikasi kristal karbon yang utama dan dipelajari dengan baik adalah berlian dan grafit. Dalam kondisi normal, hanya grafit yang stabil secara termodinamika, sedangkan berlian dan bentuk lain yang metastabil. Pada tekanan atmosfer dan suhu di atas 1200 K, berlian mulai berubah menjadi grafit; di atas 2100 K, transformasi terjadi dalam hitungan detik. 0 transisi - 1,898 kJ / mol. Di bawah tekanan normal, karbon menyublim pada 3780 K. Karbon cair hanya ada pada tekanan eksternal tertentu. Titik rangkap tiga: grafit-cair-uap = 4130 K, = 10,7 MPa. Transisi langsung grafit menjadi intan terjadi pada 3000 K dan tekanan 11-12 GPa.
Pada tekanan di atas 60 GPa, pembentukan modifikasi C III yang sangat padat (densitasnya 15-20% lebih tinggi dari berlian) dengan konduktivitas logam diasumsikan. Pada tekanan tinggi dan suhu yang relatif rendah (sekitar 1200 K), modifikasi heksagonal karbon dengan kisi kristal jenis wurtzite-lonsdaleite terbentuk dari grafit berorientasi tinggi (a = 0,252 nm, c = 0,412 nm, grup ruang P6 3 / mts), kepadatan 3,51 g / cm³, yaitu sama dengan berlian. Lonsdaleite juga ditemukan di meteorit.
Berlian sangat halus (nanodiamonds)
Pada tahun 1980-an. Di Uni Soviet, ditemukan bahwa dalam kondisi pemuatan dinamis bahan yang mengandung karbon, struktur seperti berlian, yang disebut berlian ultradispersi (UDD), dapat terbentuk. Saat ini, istilah "nanodiamonds" semakin sering digunakan. Ukuran partikel dalam bahan tersebut dalam urutan nanometer. Kondisi untuk pembentukan UDD dapat diwujudkan pada peledakan bahan peledak dengan keseimbangan oksigen negatif yang signifikan, misalnya, campuran TNT dengan RDX. Kondisi seperti itu juga dapat diwujudkan ketika benda langit menghantam permukaan bumi dengan adanya bahan yang mengandung karbon (bahan organik, gambut, batu bara, dll.). Jadi, di zona jatuhnya meteorit Tunguska, UDD ditemukan di lantai hutan.
Karbin
Modifikasi kristal dari karbon heksagonal dengan struktur molekul rantai disebut carbyne. Rantai memiliki struktur poliena (—C≡C—) atau polikumulen (= C = C =). Beberapa bentuk karbina dikenal, berbeda dalam jumlah atom dalam sel satuan, ukuran sel dan kepadatan (2,68-3,30 g / cm³). Karbina terjadi secara alami dalam bentuk mineral chaoite (garis-garis putih dan inklusi dalam grafit) dan diperoleh secara artifisial dengan dehidro-polikondensasi oksidatif asetilena, aksi radiasi laser pada grafit, dari hidrokarbon atau CCl 4 dalam plasma suhu rendah.
Carbyne adalah bubuk hitam kristal halus (densitas 1,9-2 g / cm³), memiliki sifat semikonduktor. Dibuat secara in vitro dari rantai panjang atom karbon diletakkan sejajar satu sama lain.
Carbyne adalah polimer karbon linier. Dalam molekul karbina, atom karbon dihubungkan dalam rantai secara bergantian baik dengan ikatan rangkap tiga dan tunggal (struktur poliena), atau secara permanen oleh ikatan rangkap (struktur polikumulen). Zat ini pertama kali diperoleh oleh ahli kimia Soviet V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin dan Yu.P. Kudryavtsev pada awal 60-an. v Institut Senyawa Organoelemen dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet Karabin memiliki sifat semikonduktor, dan di bawah pengaruh cahaya, konduktivitasnya sangat meningkat. Aplikasi praktis pertama, dalam fotosel, didasarkan pada sifat ini.
Fullerene dan karbon nanotube
Karbon juga dikenal dalam bentuk partikel cluster C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 dan sejenisnya (fullerene), serta graphenes dan nanotube.
Karbon amorf
Struktur karbon amorf didasarkan pada struktur grafit monokristalin (selalu mengandung pengotor) yang tidak teratur. Ini adalah batubara kokas, coklat dan bitumen, karbon hitam, jelaga, batubara aktif.
Berada di alam
Kandungan karbon di kerak bumi adalah 0,1% massa. Karbon bebas ditemukan secara alami dalam bentuk berlian dan grafit. Sebagian besar karbon dalam bentuk karbonat alami (batugamping dan dolomit), mineral yang mudah terbakar - antrasit (94-97% C), batubara coklat (64-80% C), batubara bitumen (76-95% C), serpih minyak (56- 78% C), minyak (82-87% C), gas alam yang mudah terbakar (hingga 99% metana), gambut (53-56% C), serta bitumen, dll. Di atmosfer dan hidrosfer adalah dalam bentuk karbon dioksida CO 2 , di udara 0,046% CO 2 secara massa, di perairan sungai, laut dan samudera ~ 60 kali lebih banyak. Karbon ditemukan pada tumbuhan dan hewan (~ 18%). Karbon masuk ke tubuh manusia dengan makanan (biasanya sekitar 300 g per hari). Total kandungan karbon dalam tubuh manusia mencapai sekitar 21% (15kg per 70kg berat badan). Karbon menyumbang 2/3 massa otot dan 1/3 massa tulang. Ini dikeluarkan dari tubuh terutama dengan udara yang dihembuskan (karbon dioksida) dan urin (urea)
Siklus karbon di alam meliputi siklus biologis, pelepasan CO2 ke atmosfer selama pembakaran bahan bakar fosil, dari gas vulkanik, mata air mineral panas, dari lapisan permukaan perairan laut, dll. Siklus biologis terdiri dari fakta bahwa karbon dalam bentuk CO2 diserap dari troposfer oleh tumbuhan... Kemudian kembali dari biosfer ke geosfer: dengan tumbuhan, karbon memasuki tubuh hewan dan manusia, dan kemudian, ketika hewan dan bahan tumbuhan membusuk, ke dalam tanah dan, dalam bentuk CO 2, ke atmosfer.
Dalam keadaan uap dan dalam bentuk senyawa dengan nitrogen dan hidrogen, karbon ditemukan di atmosfer Matahari, planet-planet, ditemukan di meteorit batu dan besi.
Sebagian besar senyawa karbon, dan di atas semua hidrokarbon, memiliki karakter senyawa kovalen yang jelas. Kekuatan ikatan sederhana, rangkap dua dan rangkap tiga atom C satu sama lain, kemampuan untuk membentuk rantai dan siklus yang stabil dari atom C menentukan keberadaan sejumlah besar senyawa yang mengandung karbon yang dipelajari oleh kimia organik.
Sifat kimia
Pada suhu biasa, karbon bersifat inert secara kimia; pada suhu yang cukup tinggi, karbon bergabung dengan banyak elemen dan menunjukkan sifat pereduksi yang kuat. Aktivitas kimia dari berbagai bentuk karbon berkurang dalam urutan berikut: karbon amorf, grafit, berlian, di udara mereka menyala pada suhu di atas 300-500 ° C, 600-700 ° C dan 850-1000 ° C, masing-masing.
Keadaan oksidasi +4, 4, jarang +2 (CO, karbida logam), +3 (C 2 N 2, sianin halogen); afinitas elektron 1,27 eV; energi ionisasi selama transisi berturut-turut dari C 0 ke C 4+ berturut-turut adalah 11,2604, 24,383, 47,871 dan 64,19 eV.
Senyawa anorganik
Karbon bereaksi dengan banyak unsur membentuk karbida.
Produk pembakaran adalah karbon monoksida CO dan karbon dioksida CO2. Juga dikenal oksida tidak stabil 3 2 (titik leleh 111 ° C, titik didih 7 ° C) dan beberapa oksida lainnya. Grafit dan karbon amorf mulai bereaksi dengan H 2 pada 1200 ° C, dengan F 2, masing-masing, pada 900 ° C.
CO 2 dengan air membentuk asam karbonat lemah - H 2 CO 3, yang membentuk garam - karbonat. Di Bumi, karbonat yang paling tersebar luas adalah kalsium (kapur, marmer, kalsit, batu kapur, dan mineral lainnya) dan magnesium (dolomit).
Grafit dengan halogen, logam alkali dan zat lain membentuk senyawa inklusi. Ketika pelepasan listrik dilewatkan antara elektroda karbon dalam lingkungan N2, sianogen terbentuk; pada suhu tinggi, asam hidrosianat diperoleh dengan interaksi karbon dengan campuran N2 dan N2. Dengan belerang, karbon memberikan karbon disulfida CS 2, CS dan C 3 S 2 juga dikenal. Dengan sebagian besar logam, boron dan silikon, karbon membentuk karbida. Reaksi karbon dengan uap air penting dalam industri: C + H 2 O = CO + H 2 (Gasifikasi bahan bakar padat). Ketika dipanaskan, karbon mereduksi oksida logam menjadi logam, yang banyak digunakan dalam metalurgi.
Senyawa organik
Karena kemampuan karbon untuk membentuk rantai polimer, ada kelas besar senyawa berbasis karbon, yang jumlahnya lebih banyak daripada senyawa anorganik, dan sedang dipelajari oleh kimia organik. Di antara mereka adalah kelompok yang paling luas: hidrokarbon, protein, lemak, dll.
Senyawa karbon membentuk dasar kehidupan di Bumi, dan sifat-sifatnya sangat menentukan kisaran kondisi di mana bentuk kehidupan seperti itu bisa ada. Dalam hal jumlah atom dalam sel hidup, proporsi karbon adalah sekitar 25%, dan dalam hal fraksi massa, sekitar 18%.
Aplikasi
Grafit digunakan dalam industri pensil. Ini juga digunakan sebagai pelumas pada suhu yang sangat tinggi atau rendah.
Berlian, karena kekerasannya yang luar biasa, merupakan bahan abrasif yang sangat diperlukan. Nozel gerinda bor memiliki debu berlian. Selain itu, berlian yang dipotong digunakan sebagai batu mulia dalam perhiasan. Karena kelangkaannya, kualitas dekoratif yang tinggi dan kebetulan dari keadaan sejarah, berlian selalu menjadi batu permata yang paling mahal. Konduktivitas termal berlian yang sangat tinggi (hingga 2000 W / m.K) menjadikannya bahan yang menjanjikan untuk teknologi semikonduktor sebagai substrat untuk prosesor. Namun harga yang relatif tinggi (sekitar $50/gram) dan kerumitan pemrosesan berlian membatasi penggunaannya di area ini.
Dalam farmakologi dan kedokteran, berbagai senyawa karbon banyak digunakan — turunan dari asam karbonat dan asam karboksilat, berbagai heterosiklik, polimer, dan senyawa lainnya. Dengan demikian, carbolene (karbon aktif) digunakan untuk menyerap dan membuang berbagai racun dari tubuh; grafit (dalam bentuk salep) - untuk pengobatan penyakit kulit; isotop radioaktif karbon - untuk penelitian ilmiah (analisis radiokarbon).
Karbon memainkan peran besar dalam kehidupan manusia. Aplikasinya beragam seperti elemen banyak sisi itu sendiri.
Karbon adalah dasar dari semua bahan organik. Setiap organisme hidup sebagian besar terdiri dari karbon. Karbon adalah dasar kehidupan. Sumber karbon untuk organisme hidup biasanya CO2 dari atmosfer atau air. Sebagai hasil fotosintesis, ia memasuki rantai makanan biologis, di mana makhluk hidup saling memakan atau sisa-sisa satu sama lain dan dengan demikian mengekstraksi karbon untuk membangun tubuh mereka sendiri. Siklus karbon biologis berakhir dengan oksidasi dan masuk kembali ke atmosfer, atau pembuangan dalam bentuk batu bara atau minyak.
Karbon dalam bentuk bahan bakar fosil: batu bara dan hidrokarbon (minyak, gas alam) - salah satu sumber energi terpenting bagi umat manusia.
Efek toksik
Karbon adalah bagian dari aerosol atmosfer, akibatnya iklim regional dapat berubah, jumlah hari yang cerah dapat berkurang. Karbon masuk ke lingkungan dalam bentuk jelaga dalam gas buang kendaraan, ketika batubara dibakar di pembangkit listrik termal, selama penambangan terbuka, gasifikasi bawah tanah, konsentrat batubara, dll. Konsentrasi karbon di atas sumber pembakaran adalah 100-400 g / m³, di kota-kota besar 2, 4-15,9 g / m³, di daerah pedesaan 0,5–0,8 g / m³. Dengan emisi gas-aerosol dari PLTN (6-15) .10 9 Bq / hari 14 2.
Tingginya kandungan karbon dalam aerosol atmosfer menyebabkan peningkatan kejadian penyakit pada penduduk, terutama pada saluran pernapasan bagian atas dan paru-paru. Penyakit akibat kerja terutama antrakosis dan bronkitis debu. Di udara area kerja MPC, mg / m³: intan 8.0, antrasit dan kokas 6.0, batubara 10.0, karbon hitam dan debu karbon 4.0; di udara atmosfer maksimum satu kali 0,15, rata-rata harian 0,05 mg / m³.
Efek toksik 14 C, termasuk dalam komposisi molekul protein (terutama dalam DNA dan RNA), ditentukan oleh efek radiasi partikel beta dan inti rekoil nitrogen (14 C (β) → 14 N) dan efek transmutasi - perubahan komposisi kimia molekul sebagai akibat dari transformasi atom C menjadi atom N. Konsentrasi yang diizinkan 14 C di udara area kerja DK A 1,3 Bq / l, di udara atmosfer DK B 4.4 Bq / l, dalam air 3.0.10 4 Bq / l, asupan maksimum yang diizinkan melalui sistem pernapasan 3 , 2.10 8 Bq / tahun.
informasi tambahan
- Senyawa karbon - Analisis radiokarbon
- Asam ortokarboksilat
Bentuk alotropik karbon:
berlian Grafena Grafit karbin lonsdaleite nanotube karbon
Fullerene
Bentuk amorf:
Jelaga Karbon hitam
Batu bara
Isotop karbon:
Tidak stabil (kurang dari sehari): 8C: Karbon-8, 9C: Karbon-9, 10C: Karbon-10, 11C: Karbon-11 Stabil: 12C: Karbon-12, 13C: Karbon-13 10-10.000 tahun: 14C: Karbon-14
Tidak stabil (kurang dari sehari): 15C: Carbon-15, 16C: Carbon-16, 17C: Carbon-17, 18C: Carbon-18, 19C: Carbon-19, 20C: Carbon-20, 21C: Carbon-21, 22C: Karbon-22
meja nuklida
Karbon, Karbon, C (6)
Karbon (English Carbon, French Carbone, German Kohlenstoff) dalam bentuk batubara, jelaga dan jelaga telah dikenal umat manusia sejak jaman dahulu; sekitar 100 ribu tahun yang lalu, ketika nenek moyang kita menguasai api, mereka berurusan dengan batu bara dan jelaga setiap hari. Mungkin, sejak awal, orang berkenalan dengan modifikasi alotropik karbon - berlian dan grafit, serta dengan batu bara fosil. Tidak mengherankan, pembakaran zat berkarbon adalah salah satu proses kimia pertama yang menarik minat manusia. Karena zat yang terbakar menghilang, dilahap oleh api, pembakaran dianggap sebagai proses penguraian zat, dan oleh karena itu batu bara (atau karbon) tidak dianggap sebagai unsur. Elemennya adalah api, sebuah fenomena yang menyertai pembakaran; dalam ajaran unsur jaman dahulu, api biasanya muncul sebagai salah satu unsurnya. Pada pergantian abad XVII - XVIII. muncul teori phlogiston, yang dikemukakan oleh Becher dan Stahl. Teori ini mengakui keberadaan di setiap benda yang mudah terbakar dari zat dasar khusus - cairan tanpa bobot - phlogiston, yang menguap selama pembakaran.
Ketika sejumlah besar batubara dibakar, hanya sedikit abu yang tersisa; phlogists percaya bahwa batubara hampir murni phlogiston. Ini menjelaskan, khususnya, efek "phlogistik" dari batu bara - kemampuannya untuk mereduksi logam dari "kapur" dan bijih. Ahli flogisme kemudian, Reaumur, Bergman, dan lainnya, sudah mulai memahami bahwa batu bara adalah zat dasar. Namun, untuk pertama kalinya Lavoisier diakui sebagai "batubara bersih", yang mempelajari proses pembakaran batubara dan zat lain di udara dan oksigen. Dalam buku Guiton de Morveaux, Lavoisier, Berthollet dan Furcroix "Method of chemical nomenclature" (1787), nama "karbon" (carbone) muncul alih-alih "batubara murni" Prancis (charbone pur). Dengan nama yang sama, karbon muncul di "Tabel Benda Sederhana" di "Buku Teks Dasar Kimia" Lavoisier. Pada tahun 1791 ahli kimia Inggris Tennant adalah orang pertama yang memperoleh karbon bebas; dia melewatkan uap fosfor di atas kapur yang dikalsinasi, menghasilkan pembentukan kalsium fosfat dan karbon. Sudah lama diketahui bahwa berlian terbakar tanpa residu ketika dipanaskan dengan kuat. Kembali pada tahun 1751, raja Prancis Franz I setuju untuk memberikan berlian dan rubi untuk eksperimen pembakaran, setelah itu eksperimen ini bahkan menjadi mode. Ternyata hanya berlian yang terbakar, dan ruby (aluminium oksida dengan campuran kromium) dapat menahan pemanasan yang lama pada fokus lensa pembakar tanpa kerusakan. Lavoisier membuat percobaan baru membakar berlian menggunakan mesin pembakar besar, sampai pada kesimpulan bahwa berlian adalah karbon kristal. Alotrop karbon kedua - grafit pada periode alkimia dianggap sebagai kilau timbal yang dimodifikasi dan disebut plumbago; baru pada tahun 1740 Pott menemukan tidak adanya pengotor timbal dalam grafit. Scheele menyelidiki grafit (1779) dan, sebagai phlogist, menganggapnya sebagai tubuh belerang dari jenis khusus, batu bara mineral khusus yang mengandung "asam udara" (CO2,) dan sejumlah besar flogiston.
Dua puluh tahun kemudian, Guiton de Morveaux, dengan pemanasan hati-hati, mengubah berlian menjadi grafit dan kemudian menjadi asam karbonat.
Nama internasional Carboneum berasal dari lat. karbo (batubara). Kata ini memiliki asal yang sangat kuno. Ini dibandingkan dengan cremare - untuk membakar; akar melorot, kal, gar Rusia, gal, gol, Sansekerta ratus berarti mendidih, mendidih. Kata "carbo" dikaitkan dengan nama-nama karbon dalam bahasa Eropa lainnya (karbon, charbone, dll.). Kohlenstoff Jerman berasal dari Kohle - batubara (kolo Jerman Kuno, kylla Swedia - untuk memanaskan). Ugorati Rusia kuno, atau ugarati (membakar, menghanguskan) memiliki akar kata gar, atau gunung, dengan kemungkinan transisi ke tujuan; batu bara dalam bahasa Rusia Kuno adalah yugl, atau batu bara, dengan asal yang sama. Kata berlian (Diamante) berasal dari bahasa Yunani kuno - tidak dapat dihancurkan, pantang menyerah, keras, dan grafit dari bahasa Yunani - saya menulis.
Pada awal abad XIX. kata lama batubara dalam literatur kimia Rusia kadang-kadang diganti dengan kata "ugletvor" (Sherer, 1807; Severgin, 1815); sejak 1824 Soloviev memperkenalkan nama karbon.
Struktur berlian (A) dan grafit (B)
Karbon(Latin Carboneum) - C, unsur kimia golongan IV dari sistem periodik Mendeleev, nomor atom 6, massa atom 12,011. Itu terjadi secara alami dalam bentuk kristal berlian, grafit atau fullerene dan bentuk lainnya dan merupakan bagian dari organik (batubara, minyak, organisme hewan dan tumbuhan, dll.) Dan zat anorganik (batu kapur, soda kue, dll.). Karbon tersebar luas, namun kandungannya di kerak bumi hanya 0,19%.
Karbon banyak digunakan dalam bentuk zat sederhana. Selain berlian berharga, yang merupakan subjek perhiasan, berlian industri sangat penting untuk pembuatan alat gerinda dan pemotong. Arang dan bentuk karbon amorf lainnya digunakan untuk penghilangan warna, pemurnian, adsorpsi gas, di bidang teknis di mana adsorben dengan permukaan yang dikembangkan diperlukan. Karbida, senyawa karbon dengan logam, serta dengan boron dan silikon (misalnya, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) dicirikan oleh kekerasan tinggi dan digunakan untuk pembuatan alat abrasif dan pemotong. Karbon ditemukan dalam baja dan paduan dalam keadaan unsur dan dalam bentuk karbida. Kejenuhan permukaan coran baja dengan karbon pada suhu tinggi (karburasi) secara signifikan meningkatkan kekerasan permukaan dan ketahanan aus.
Referensi sejarah
Grafit, berlian dan karbon amorf telah dikenal sejak jaman dahulu. Telah lama diketahui bahwa grafit dapat digunakan untuk menandai bahan lain, dan nama "grafit", berasal dari kata Yunani yang berarti "menulis", diusulkan oleh A. Werner pada tahun 1789. Namun, sejarah grafit bingung, seringkali zat dengan sifat fisik eksternal yang serupa diambil untuk itu misalnya molibdenit (molibdenum sulfida), pernah dianggap grafit. Nama lain untuk grafit termasuk timah hitam, besi karbida, dan timah perak.
Pada tahun 1779, K. Scheele menetapkan bahwa grafit dapat dioksidasi dengan udara untuk membentuk karbon dioksida. Untuk pertama kalinya, berlian digunakan di India, dan di Brasil, batu mulia menjadi penting secara komersial pada tahun 1725; deposit di Afrika Selatan ditemukan pada tahun 1867.
Pada abad ke-20. produsen berlian utama adalah Afrika Selatan, Zaire, Botswana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tanzania dan Rusia. Berlian buatan, teknologi yang dikembangkan pada tahun 1970, diproduksi untuk keperluan industri.
Properti
Empat modifikasi kristal karbon diketahui:
- grafit,
- berlian,
- karbina,
- lonsdaleit.
Grafit- abu-abu-hitam, buram, berminyak saat disentuh, bersisik, massa yang sangat lembut dengan kilau metalik. Pada suhu kamar dan tekanan normal (0,1 MN / m 2, atau 1 kgf / cm 2), grafit stabil secara termodinamika.
berlian- zat kristal yang sangat keras. Kristal memiliki kisi kubik berpusat muka. Pada suhu kamar dan tekanan normal, berlian bersifat metastabil. Transformasi nyata dari berlian menjadi grafit diamati pada suhu di atas 1400 ° C dalam ruang hampa atau dalam atmosfer inert. Pada tekanan atmosfer dan suhu sekitar 3700 ° C, grafit menyublim.
Karbon cair dapat diperoleh pada tekanan di atas 10,5 MN/m 2 (105 kgf/cm 2) dan suhu di atas 3700 °C. Karbon padat (kokas, jelaga, arang) juga dicirikan oleh keadaan dengan struktur yang tidak teratur - yang disebut karbon "amorf", yang tidak mewakili modifikasi independen; strukturnya didasarkan pada struktur grafit kristal halus. Pemanasan beberapa jenis karbon "amorf" di atas 1500-1600 ° C tanpa akses ke udara menyebabkan transformasinya menjadi grafit.
Sifat fisik karbon "amorf" sangat bergantung pada ukuran partikel dan keberadaan pengotor. Kepadatan, kapasitas panas, konduktivitas termal dan konduktivitas listrik karbon "amorf" selalu lebih tinggi daripada grafit.
Karbin diperoleh secara artifisial. Ini adalah bubuk hitam kristal halus (kepadatan 1,9-2 g / cm 3). Dibangun dari rantai panjang atom DENGAN diletakkan sejajar satu sama lain.
lonsdaleite ditemukan di meteorit dan diperoleh secara artifisial; struktur dan sifat-sifatnya belum ditetapkan secara pasti.
| 6 |
| 12,011 |
| 12, 13 |
| 8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 |
| 3550 ° C |
| 4200 ° C |
| 1,9-2,3 g / cm 3 (grafit) 3,5-3,53 g / cm 3 (berlian) |
| 1-2 |
| 0,19% |
| -4; +2; +4 |
Paduan
Baja
Kokas digunakan dalam metalurgi sebagai zat pereduksi. Arang - di tempa, untuk produksi bubuk mesiu (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), untuk penyerapan gas (adsorpsi), serta dalam kehidupan sehari-hari. Jelaga digunakan sebagai pengisi karet, untuk pembuatan cat hitam - tinta cetak dan tinta, serta dalam sel elektrokimia kering. Karbon kaca digunakan untuk pembuatan peralatan untuk lingkungan yang sangat korosif, serta dalam penerbangan dan astronotika.
Karbon aktif menyerap zat berbahaya dari gas dan cairan: diisi dengan masker gas, sistem pemurnian, digunakan dalam pengobatan untuk keracunan.
Karbon adalah dasar dari semua bahan organik. Setiap organisme hidup sebagian besar terdiri dari karbon. Karbon adalah dasar kehidupan. Sumber karbon untuk organisme hidup biasanya CO2 dari atmosfer atau air. Sebagai hasil fotosintesis, ia memasuki rantai makanan biologis, di mana makhluk hidup memakan satu sama lain atau sisa-sisa satu sama lain dan dengan demikian mengekstraksi karbon untuk membangun tubuh mereka sendiri. Siklus karbon biologis berakhir dengan oksidasi dan masuk kembali ke atmosfer, atau pembuangan dalam bentuk batu bara atau minyak.
Penggunaan isotop radioaktif 14 C berkontribusi pada kemajuan biologi molekuler dalam studi mekanisme biosintesis protein dan transmisi informasi herediter. Penentuan aktivitas spesifik 14 C dalam residu organik yang mengandung karbon memungkinkan untuk menilai usia mereka, yang digunakan dalam paleontologi dan arkeologi.
Sumber dari
Isi artikel
KARBON, C (carboneum), unsur kimia non-logam golongan IVA (C, Si, Ge, Sn, Pb) dari tabel periodik unsur. Itu terjadi secara alami dalam bentuk kristal berlian (Gbr. 1), grafit atau fullerene dan bentuk lainnya dan merupakan bagian dari organik (batubara, minyak, organisme hewan dan tumbuhan, dll.) Dan zat anorganik (batu kapur, soda kue, dll.) .).
Karbon tersebar luas, namun kandungannya di kerak bumi hanya 0,19%.
Karbon banyak digunakan dalam bentuk zat sederhana. Selain berlian berharga, yang merupakan subjek perhiasan, berlian industri sangat penting untuk pembuatan alat gerinda dan pemotong.
Arang dan bentuk karbon amorf lainnya digunakan untuk penghilangan warna, pemurnian, adsorpsi gas, di bidang teknis di mana adsorben dengan permukaan yang dikembangkan diperlukan. Karbida, senyawa karbon dengan logam, serta dengan boron dan silikon (misalnya, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) dicirikan oleh kekerasan tinggi dan digunakan untuk pembuatan alat abrasif dan pemotong. Karbon ditemukan dalam baja dan paduan dalam keadaan unsur dan dalam bentuk karbida. Kejenuhan permukaan coran baja dengan karbon pada suhu tinggi (karburasi) secara signifikan meningkatkan kekerasan permukaan dan ketahanan aus. Lihat juga PADUAN.
Ada banyak bentuk grafit yang berbeda di alam; beberapa diperoleh secara artifisial; ada bentuk amorf (misalnya, kokas dan arang). Jelaga, arang tulang, jelaga lampu, jelaga asetilena terbentuk ketika hidrokarbon dibakar dengan kekurangan oksigen. Disebut karbon putih diperoleh dengan sublimasi grafit pirolitik pada tekanan rendah - ini adalah kristal transparan terkecil dari lembaran grafit dengan tepi runcing.
Referensi sejarah.
Grafit, intan, dan karbon amorf telah dikenal sejak zaman kuno. Telah lama diketahui bahwa grafit dapat digunakan untuk menandai bahan lain, dan nama "grafit", berasal dari kata Yunani yang berarti "menulis", diusulkan oleh A. Werner pada tahun 1789. Namun, sejarah grafit bingung, seringkali zat dengan sifat fisik eksternal yang serupa diambil untuk itu misalnya molibdenit (molibdenum sulfida), pernah dianggap grafit. Nama lain untuk grafit termasuk timah hitam, besi karbida, dan timah keperakan. Pada tahun 1779, K. Scheele menetapkan bahwa grafit dapat dioksidasi dengan udara untuk membentuk karbon dioksida.
Untuk pertama kalinya, berlian digunakan di India, dan di Brasil, batu mulia menjadi penting secara komersial pada tahun 1725; deposit di Afrika Selatan ditemukan pada tahun 1867. Pada abad ke-20. produsen berlian utama adalah Afrika Selatan, Zaire, Botswana, Namibia, Angola, Sierra Leone, Tanzania dan Rusia. Berlian buatan, teknologi yang dikembangkan pada tahun 1970, diproduksi untuk keperluan industri.
Alotropi.
Jika unit struktural suatu zat (atom untuk unsur monoatomik atau molekul untuk unsur dan senyawa poliatomik) dapat bergabung satu sama lain dalam lebih dari satu bentuk kristal, fenomena ini disebut alotropi. Karbon memiliki tiga modifikasi alotropik - berlian, grafit dan fullerene. Dalam intan, setiap atom karbon memiliki 4 tetangga yang terletak secara tetrahedral, membentuk struktur kubik (Gbr. 1, A). Struktur ini sesuai dengan kovalen ikatan maksimum, dan semua 4 elektron dari setiap atom karbon membentuk ikatan C – C berkekuatan tinggi; tidak ada elektron konduksi dalam struktur. Oleh karena itu, berlian dicirikan oleh tidak adanya konduktivitas, konduktivitas termal rendah, kekerasan tinggi; itu adalah zat yang paling sulit diketahui (Gbr. 2). Pembelahan ikatan C – C (panjang ikatan adalah 1,54 , maka jari-jari kovalen 1,54 / 2 = 0,77 ) dalam struktur tetrahedral membutuhkan biaya energi yang tinggi, oleh karena itu, berlian, bersama dengan kekerasan yang luar biasa, dicirikan oleh tinggi titik leleh (3550 ° C).
Bentuk alotropik karbon lainnya adalah grafit, yang sangat berbeda dari sifat intan. Grafit adalah zat hitam lembut yang terbuat dari kristal yang mudah terkelupas, ditandai dengan konduktivitas listrik yang baik (hambatan listrik 0,0014 Ohm · cm). Oleh karena itu, grafit digunakan dalam lampu busur dan tungku (Gbr. 3), di mana perlu untuk menciptakan suhu tinggi. Grafit dengan kemurnian tinggi digunakan dalam reaktor nuklir sebagai moderator neutron. Titik lelehnya pada tekanan tinggi adalah 3527 ° C. Pada tekanan normal, grafit menyublim (berubah dari padat menjadi gas) pada 3780 ° C.
Struktur grafit (Gbr. 1, B) adalah sistem cincin heksagonal terkondensasi dengan panjang ikatan 1,42 (jauh lebih pendek daripada intan), tetapi setiap atom karbon memiliki tiga (dan bukan empat, seperti pada intan) ikatan kovalen dengan tiga tetangga, dan ikatan keempat ( 3,4 ) terlalu panjang untuk ikatan kovalen dan secara lemah mengikat lapisan grafit yang diletakkan sejajar satu sama lain. Ini adalah elektron karbon keempat yang menentukan konduktivitas termal dan listrik grafit - ikatan yang lebih lama dan kurang kuat ini membentuk grafit yang kurang kompak, yang tercermin dalam kekerasannya yang lebih rendah dibandingkan dengan berlian (kerapatan grafit 2,26 g / cm 3, berlian - 3,51 g / cm 3). Untuk alasan yang sama, grafit licin saat disentuh dan dengan mudah memisahkan serpihan zat, yang digunakan untuk membuat pelumas dan pensil. Kilauan timbal dari timbal terutama disebabkan oleh adanya grafit.
Serat karbon sangat tahan lama dan dapat digunakan untuk membuat rayon atau benang karbon tinggi lainnya.
Pada tekanan dan suhu tinggi, dengan adanya katalis seperti besi, grafit dapat diubah menjadi intan. Proses ini telah diterapkan untuk produksi industri berlian buatan. Kristal berlian tumbuh di permukaan katalis. Grafit-berlian kesetimbangan ada pada 15.000 atm dan 300 K atau pada 4000 atm dan 1500 K. Berlian buatan juga dapat diperoleh dari hidrokarbon.
Bentuk karbon amorf yang tidak membentuk kristal termasuk arang yang diperoleh dengan memanaskan kayu tanpa akses udara, jelaga lampu dan gas yang terbentuk selama pembakaran hidrokarbon suhu rendah dengan kekurangan udara dan terkondensasi pada permukaan yang dingin, arang tulang - campuran dari kalsium fosfat dalam proses penghancuran tulang kain, serta batubara (zat alami dengan kotoran) dan kokas, residu kering yang diperoleh dengan bahan bakar kokas dengan distilasi kering batubara atau residu minyak (batubara bituminous), mis. pemanasan tanpa akses udara. Kokas digunakan untuk peleburan besi kasar, dalam metalurgi besi dan non-ferro. Selama kokas, produk gas juga terbentuk - gas oven kokas (H 2, CH 4, CO, dll.) Dan produk kimia yang merupakan bahan baku untuk produksi bensin, cat, pupuk, obat-obatan, plastik, dll. Diagram peralatan utama untuk produksi kokas - oven kokas - ditunjukkan pada Gambar. 3.
Berbagai jenis batubara dan jelaga dicirikan oleh permukaan yang berkembang dan oleh karena itu digunakan sebagai adsorben untuk pemurnian gas, cairan, dan juga sebagai katalis. Untuk mendapatkan berbagai bentuk karbon, metode khusus teknologi kimia digunakan. Grafit buatan diperoleh dengan mengkalsinasi antrasit atau kokas minyak bumi antara elektroda karbon pada 2260 ° C (proses Acheson) dan digunakan dalam produksi pelumas dan elektroda, khususnya untuk produksi elektrolitik logam.
Struktur atom karbon.
Inti dari isotop karbon paling stabil dengan massa 12 (kelimpahan 98,9%) memiliki 6 proton dan 6 neutron (12 nukleon) yang disusun dalam tiga kuartet, masing-masing berisi 2 proton dan dua neutron, mirip dengan inti helium. Isotop karbon stabil lainnya adalah 13 C (sekitar 1,1%), dan dalam jumlah kecil terdapat di alam isotop tidak stabil 14 C dengan waktu paruh 5730 tahun, yang memiliki B-radiasi. Ketiga isotop dalam bentuk CO2 berpartisipasi dalam siklus karbon normal materi hidup. Setelah kematian organisme hidup, konsumsi karbon berhenti dan benda-benda yang mengandung C dapat ditentukan tanggalnya dengan mengukur tingkat radioaktivitas 14 C. Penurunan B-radiasi 14 CO2 sebanding dengan waktu yang berlalu sejak kematian. Pada tahun 1960 W. Libby dianugerahi Hadiah Nobel untuk penelitian dengan karbon radioaktif.
Pada keadaan dasar, 6 elektron karbon membentuk konfigurasi elektron 1 S 2 2S 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0. Empat elektron dari tingkat kedua adalah valensi, yang sesuai dengan posisi karbon dalam kelompok IVA dari sistem periodik ( cm... SISTEM ELEMEN PERIODIK). Karena pelepasan elektron dari atom dalam fase gas membutuhkan energi tinggi (sekitar 1070 kJ / mol), karbon tidak membentuk ikatan ionik dengan elemen lain, karena ini akan membutuhkan pelepasan elektron dengan pembentukan ion positif. Memiliki elektronegativitas sama dengan 2,5, karbon tidak menunjukkan afinitas yang kuat untuk elektron, dan karenanya bukan akseptor elektron aktif. Oleh karena itu, tidak cenderung untuk membentuk partikel dengan muatan negatif. Tetapi dengan sifat ikatan sebagian ionik, beberapa senyawa karbon ada, misalnya karbida. Dalam senyawa, karbon menunjukkan keadaan oksidasi 4. Agar empat elektron dapat berpartisipasi dalam pembentukan ikatan, perlu untuk mengukus 2 S-elektron dan lompatan salah satu elektron ini sebesar 2 p z-orbit; dalam hal ini, 4 ikatan tetrahedral terbentuk dengan sudut di antara mereka 109 °. Dalam senyawa, elektron valensi karbon hanya sebagian ditarik darinya; oleh karena itu, karbon membentuk ikatan kovalen yang kuat antara atom tetangga tipe C – C dengan bantuan pasangan elektron yang sama. Energi putus dari ikatan tersebut adalah 335 kJ / mol, sedangkan untuk ikatan Si – Si hanya 210 kJ / mol, sehingga rantai panjang –Si – Si– tidak stabil. Sifat kovalen ikatan dipertahankan bahkan dalam senyawa halogen yang sangat reaktif dengan karbon, CF 4 dan CCl 4. Atom karbon mampu menyediakan lebih dari satu elektron dari setiap atom karbon untuk pembentukan ikatan; ini adalah bagaimana ikatan rangkap C = C dan rangkap tiga CєC terbentuk. Unsur-unsur lain juga membentuk ikatan antara atom-atomnya, tetapi hanya karbon yang mampu membentuk rantai panjang. Oleh karena itu, ribuan senyawa dikenal dengan karbon, yang disebut hidrokarbon, di mana karbon terikat pada hidrogen dan atom karbon lainnya untuk membentuk rantai panjang atau struktur cincin. cm... KIMIA ORGANIK.
Dalam senyawa ini, dimungkinkan untuk mengganti hidrogen dengan atom lain, paling sering oksigen, nitrogen, dan halogen, dengan pembentukan banyak senyawa organik. Hidrokarbon - hidrokarbon di mana hidrogen digantikan oleh fluor - sangat penting di antara mereka. Senyawa tersebut sangat lembam, dan mereka digunakan sebagai plastik dan pelumas (fluorokarbon, yaitu hidrokarbon di mana semua atom hidrogen digantikan oleh atom fluor) dan sebagai pendingin suhu rendah (freon, atau freon, fluoroklorokarbon).
Pada 1980-an, fisikawan di Amerika Serikat menemukan senyawa karbon yang sangat menarik, di mana atom karbon terhubung dalam 5- atau 6-gon, membentuk molekul C 60 dalam bentuk bola berongga, yang memiliki simetri sempurna seperti bola. bola. Karena desain ini merupakan inti dari "kubah geodesik" yang ditemukan oleh arsitek dan insinyur Amerika Buckminster Fuller, kelas senyawa baru diberi nama "Buckminsterfullerene" atau "Fullerenes" (dan juga lebih singkatnya, "Faziboles" atau "Buckyballs" ). Fullerene - modifikasi ketiga dari karbon murni (kecuali berlian dan grafit), yang terdiri dari 60 atau 70 (dan bahkan lebih) atom - diperoleh dengan aksi radiasi laser pada partikel karbon terkecil. Fullerene dengan bentuk yang lebih kompleks terdiri dari beberapa ratus atom karbon. Diameter molekul C adalah 60 ~ 1nm. Ada cukup ruang di tengah molekul seperti itu untuk menampung atom uranium besar.
Massa atom standar.
Pada tahun 1961, International Unions of Theoretical and Applied Chemistry (IUPAC) dan fisika mengadopsi massa isotop karbon 12 C sebagai satuan massa atom, menghapus skala oksigen massa atom yang ada sebelumnya. Massa atom karbon dalam sistem ini adalah 12,011, karena ini adalah rata-rata untuk tiga isotop alami karbon, dengan mempertimbangkan kelimpahannya di alam. cm... MASSA ATOM.
Sifat kimia karbon dan beberapa senyawanya.
Beberapa sifat fisik dan kimia karbon diberikan dalam artikel ELEMEN KIMIA. Reaktivitas karbon tergantung pada modifikasi, suhu, dan dispersinya. Pada suhu rendah, semua bentuk karbon cukup lembam, tetapi ketika dipanaskan, mereka teroksidasi oleh oksigen atmosfer, membentuk oksida:
Karbon yang terdispersi halus dalam kelebihan oksigen dapat meledak ketika dipanaskan atau dari percikan api. Selain oksidasi langsung, ada metode yang lebih modern untuk memproduksi oksida.
Karbon suboksida
C 3 O 2 dibentuk oleh dehidrasi asam malonat di atas P 4 O 10:
C 3 O 2 memiliki bau yang tidak sedap, mudah terhidrolisis, lagi-lagi membentuk asam malonat.
Karbon monoksida (II) CO terbentuk selama oksidasi modifikasi karbon dalam kondisi kekurangan oksigen. Reaksi eksotermik, 111,6 kJ / mol dilepaskan. Kokas pada panas putih bereaksi dengan air: C + H 2 O = CO + H 2; campuran gas yang dihasilkan disebut "gas air" dan merupakan bahan bakar gas. CO juga terbentuk selama pembakaran tidak sempurna produk minyak bumi, ditemukan dalam jumlah yang nyata di knalpot mobil, diperoleh dengan disosiasi termal asam format:
Keadaan oksidasi karbon dalam CO adalah +2, dan karena karbon lebih stabil dalam keadaan oksidasi +4, CO mudah dioksidasi oleh oksigen menjadi CO 2: CO + O 2 → CO 2, reaksi ini sangat eksotermis (283 kJ /mol). CO digunakan dalam industri dalam campuran dengan H2 dan gas mudah terbakar lainnya sebagai bahan bakar atau zat pereduksi gas. Ketika dipanaskan sampai 500 ° C, CO membentuk C dan CO 2 sampai batas tertentu, tetapi pada 1000 ° C kesetimbangan terbentuk pada konsentrasi CO2 yang rendah. CO bereaksi dengan klorin, membentuk fosgen - COCl 2, reaksi dengan halogen lain berlangsung dengan cara yang sama, dalam reaksi dengan sulfur karbonil sulfida COS diperoleh, dengan logam (M) CO membentuk karbonil dari berbagai komposisi M (CO) x, yang merupakan senyawa kompleks. Besi karbonil dibentuk oleh interaksi hemoglobin darah dengan CO, mencegah reaksi hemoglobin dengan oksigen, karena besi karbonil adalah senyawa yang lebih kuat. Akibatnya, fungsi hemoglobin sebagai pembawa oksigen ke sel terhambat, yang dalam hal ini mati (dan terutama sel-sel otak yang terpengaruh). (Oleh karena itu nama lain untuk CO - "karbon monoksida"). Sudah 1% (vol.) CO di udara berbahaya bagi seseorang jika dia berada di atmosfer seperti itu selama lebih dari 10 menit. Beberapa sifat fisik CO diberikan dalam tabel.
Karbon dioksida, atau karbon monoksida (IV) CO2 terbentuk dari pembakaran unsur karbon dengan oksigen berlebih dengan pelepasan panas (395 kJ/mol). CO2 (nama sepelenya adalah "karbon dioksida") juga terbentuk selama oksidasi lengkap CO, produk minyak bumi, bensin, minyak dan senyawa organik lainnya. Ketika karbonat dilarutkan dalam air, CO2 juga dilepaskan sebagai hasil hidrolisis:
Reaksi ini sering digunakan dalam praktek laboratorium untuk mendapatkan CO2. Gas ini juga dapat diperoleh dengan mengkalsinasi bikarbonat logam:
dalam kasus interaksi fase gas dari uap super panas dengan CO:
ketika membakar hidrokarbon dan turunan oksigennya, misalnya:
Demikian pula, produk makanan dalam organisme hidup dioksidasi dengan pelepasan panas dan jenis energi lainnya. Dalam hal ini, oksidasi berlangsung dalam kondisi ringan melalui tahap perantara, tetapi produk akhirnya adalah sama - CO 2 dan H 2 O, seperti, misalnya, selama penguraian gula di bawah aksi enzim, khususnya selama fermentasi glukosa:
Produksi karbon dioksida dan oksida logam dalam skala besar dilakukan di industri dengan dekomposisi termal karbonat:
CaO digunakan dalam jumlah besar dalam teknologi produksi semen. Stabilitas termal karbonat dan konsumsi panas untuk penguraiannya menurut skema ini meningkat dalam seri CaCO 3 ( Lihat juga PENCEGAHAN KEBAKARAN DAN PERLINDUNGAN KEBAKARAN).
Struktur elektronik oksida karbon.
Struktur elektronik dari setiap karbon monoksida dapat dijelaskan oleh tiga rangkaian yang dapat dipersamakan dengan posisi pasangan elektron yang berbeda - tiga bentuk resonansi:
Semua oksida karbon adalah linier.
Asam karbonat.
Ketika CO2 berinteraksi dengan air, asam karbonat H2CO3 terbentuk. Dalam larutan jenuh CO2 (0,034 mol/l), hanya sebagian molekul yang membentuk H2CO3, dan sebagian besar CO2 berada dalam keadaan terhidrasi CO2CHH2O.
Karbonat.
Karbonat terbentuk dari interaksi oksida logam dengan CO 2, misalnya Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3.
Dengan pengecualian karbonat logam alkali, sisanya praktis tidak larut dalam air, dan kalsium karbonat sebagian larut dalam asam karbonat atau larutan CO2 dalam air di bawah tekanan:
Proses ini berlangsung di air tanah yang mengalir melalui lapisan batugamping. Di bawah tekanan rendah dan kondisi penguapan, CaCO 3 mengendap dari air tanah yang mengandung Ca (HCO 3) 2. Beginilah cara stalaktit dan stalagmit tumbuh di dalam gua. Warna formasi geologi yang menarik ini dijelaskan oleh adanya pengotor ion besi, tembaga, mangan, dan kromium di dalam perairan. Karbon dioksida bereaksi dengan hidroksida logam dan larutannya untuk membentuk hidrokarbonat, misalnya:
CS 2 + 2Cl 2 ® CCl 4 + 2S
Tetraklorida CCl 4 adalah zat yang tidak mudah terbakar, digunakan sebagai pelarut dalam proses pembersihan kering, tetapi tidak disarankan untuk menggunakannya sebagai arester api, karena pada suhu tinggi terbentuk fosgen beracun (zat beracun berupa gas). CCl 4 sendiri juga beracun dan, jika terhirup dalam jumlah yang cukup, dapat menyebabkan keracunan hati. Cl 4 juga dibentuk oleh reaksi fotokimia antara metana H 4 dan l 2; dalam hal ini, pembentukan produk klorinasi metana yang tidak lengkap - CHCl 3, CH 2 Cl 2 dan CH 3 Cl dimungkinkan. Reaksi dengan halogen lain berjalan dengan cara yang sama.
Reaksi grafit.
Grafit, sebagai modifikasi karbon, dicirikan oleh jarak yang jauh antara lapisan cincin heksagonal, masuk ke dalam reaksi yang tidak biasa, misalnya, logam alkali, halogen dan beberapa garam (FeCl 3) menembus di antara lapisan, membentuk senyawa seperti KC 8, KC 16 (disebut senyawa interstisial, inklusi atau klatrat). Oksidan kuat seperti KClO 3 dalam media asam (asam sulfat atau nitrat) membentuk zat dengan volume kisi kristal yang besar (hingga 6 di antara lapisan), yang dijelaskan oleh pengenalan atom oksigen dan pembentukan senyawa pada permukaan yang gugus karboksil (–СООН ) - senyawa dari jenis grafit teroksidasi atau asam melitik (benzenehexacarboxylic) 6 (COOH) 6. Dalam senyawa ini, rasio C:O dapat bervariasi dari 6:1 hingga 6:2,5.
Karbida.
Karbon membentuk berbagai senyawa yang disebut karbida dengan logam, boron dan silikon. Logam yang paling aktif (subkelompok IA – IIIA) membentuk karbida seperti garam, misalnya Na 2 C 2, CaC 2, Mg 4 C 3, Al 4 C 3. Dalam industri, kalsium karbida diperoleh dari kokas dan batu kapur dengan reaksi berikut:
Karbida bersifat non-konduktif, hampir tidak berwarna, dihidrolisis untuk membentuk hidrokarbon, misalnya
CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca (OH) 2
Asetilena C 2 H 2 yang dibentuk oleh reaksi berfungsi sebagai bahan baku dalam produksi banyak zat organik. Proses ini menarik karena merupakan transisi dari bahan mentah yang bersifat anorganik ke sintesis senyawa organik. Karbida yang membentuk asetilena selama hidrolisis disebut asetilenida. Dalam silikon dan boron karbida (SiC dan B 4 C), ikatan antar atom bersifat kovalen. Logam transisi (elemen subkelompok B), ketika dipanaskan dengan karbon, juga membentuk karbida dengan komposisi variabel dalam retakan pada permukaan logam; ikatan di dalamnya dekat dengan logam. Beberapa karbida jenis ini, misalnya WC, W 2 C, TiC dan SiC, dibedakan oleh kekerasan dan refraktori yang tinggi, serta memiliki konduktivitas listrik yang baik. Misalnya, NbC, TaC dan HfC adalah zat yang paling tahan api (mp = 4000–4200 ° C), diniobium karbida Nb 2 C adalah superkonduktor pada 9,18 K, TiC dan W 2 C mendekati kekerasan intan, dan kekerasan B 4 C (analog struktural berlian) adalah 9,5 pada skala Mohs ( cm... Nasi. 2). Karbida inert terbentuk jika jari-jari logam transisi
Turunan nitrogen dari karbon.
Golongan ini termasuk urea NH 2 CONH 2 - pupuk nitrogen yang digunakan dalam bentuk larutan. Urea diperoleh dari NH3 dan CO2 dengan pemanasan di bawah tekanan:
Dicyan (CN) 2 mirip dalam banyak sifat dengan halogen dan sering disebut sebagai pseudohalogen. Disian diperoleh dengan oksidasi ringan ion sianida dengan oksigen, hidrogen peroksida atau ion Cu 2+: 2CN - ® (CN) 2 + 2e.
Ion sianida, sebagai donor elektron, dengan mudah membentuk senyawa kompleks dengan ion logam transisi. Seperti CO, ion sianida adalah racun, mengikat senyawa besi vital dalam organisme hidup. Ion kompleks sianida memiliki rumus umum -0,5 x, di mana NS- bilangan koordinasi logam (zat pengompleks), secara empiris sama dengan nilai dua kali lipat bilangan oksidasi ion logam. Contoh ion kompleks tersebut adalah (struktur beberapa ion diberikan di bawah) tetrasianon nikelat (II) -ion 2–, heksasianoferat (III) 3–, disianoargentat -:
Karbonil.
Karbon monoksida dapat bereaksi langsung dengan banyak logam atau ion logam, membentuk senyawa kompleks yang disebut karbonil, misalnya Ni (CO) 4, Fe (CO) 5, Fe 2 (CO) 9, 3, Mo (CO) 6, 2 . Ikatan dalam senyawa ini mirip dengan ikatan dalam kompleks siano yang dijelaskan di atas. Ni (CO) 4 adalah zat yang mudah menguap yang digunakan untuk memisahkan nikel dari logam lain. Kemunduran struktur besi tuang dan baja dalam struktur sering dikaitkan dengan pembentukan karbonil. Hidrogen dapat menjadi bagian dari karbonil, membentuk karbonil hidrida seperti H 2 Fe (CO) 4 dan HCo (CO) 4, yang menunjukkan sifat asam dan bereaksi dengan alkali:
H 2 Fe (CO) 4 + NaOH → NaHFe (CO) 4 + H 2 O
Karbonil halida juga dikenal, misalnya Fe (CO) X 2, Fe (CO) 2 X 2, Co (CO) I 2, Pt (CO) Cl 2, di mana X adalah halogen apa pun.
Hidrokarbon.
Sejumlah besar senyawa karbon dengan hidrogen diketahui
Karbon (C) adalah unsur keenam dari tabel periodik dengan berat atom 12. Unsur tersebut termasuk non-logam dan memiliki isotop 14 C. Struktur atom karbon mendasari semua kimia organik, karena semua zat organik termasuk molekul karbon.
atom karbon
Posisi karbon dalam tabel periodik Mendeleev:
- nomor urut keenam;
- kelompok keempat;
- periode kedua.
Beras. 1. Posisi karbon dalam tabel periodik.
Berdasarkan data dari tabel, kita dapat menyimpulkan bahwa struktur atom unsur karbon mencakup dua kulit, di mana enam elektron berada. Valensi karbon, yang merupakan bagian dari zat organik, adalah konstan dan sama dengan IV. Ini berarti bahwa ada empat elektron di tingkat elektronik terluar, dan dua di tingkat elektronik dalam.
Dari empat elektron, dua menempati orbital 2s bola, dan dua sisanya menempati orbital berbentuk halter 2p. Dalam keadaan tereksitasi, satu elektron dari orbital 2s dipindahkan ke salah satu orbital 2p. Ketika sebuah elektron bergerak dari satu orbital ke orbital lain, energi dikeluarkan.
Jadi, atom karbon yang tereksitasi memiliki empat elektron yang tidak berpasangan. Konfigurasinya dapat dinyatakan dengan rumus 2s 1 2p 3. Hal ini memungkinkan untuk membentuk empat ikatan kovalen dengan unsur lain. Misalnya, dalam molekul metana (CH 4), karbon membentuk ikatan dengan empat atom hidrogen - satu ikatan antara orbital s hidrogen dan karbon dan tiga ikatan antara orbital p karbon dan orbital s hidrogen.
Diagram struktur atom karbon dapat direpresentasikan sebagai + 6C) 2) 4 atau 1s 2 2s 2 2p 2.
Beras. 2. Struktur atom karbon.
Properti fisik
Karbon terjadi secara alami dalam bentuk batuan. Beberapa modifikasi alotropik karbon diketahui:
- grafit;
- berlian;
- karabin;
- batu bara;
- jelaga.
Semua zat ini berbeda dalam struktur kisi kristal. Zat yang paling keras, berlian, memiliki karbon berbentuk kubik. Pada suhu tinggi, berlian berubah menjadi grafit dengan struktur heksagonal.
Beras. 3. Kisi kristal grafit dan berlian.
Sifat kimia
Struktur atom karbon dan kemampuannya untuk mengikat empat atom zat lain menentukan sifat kimia unsur tersebut. Karbon bereaksi dengan logam untuk membentuk karbida:
- Ca + 2C → CaC 2;
- Cr + C → CrC;
- 3Fe + C → Fe 3 C.
Juga bereaksi dengan oksida logam:
- 2ZnO + C → 2Zn + CO2;
- PbO + C → Pb + CO;
- SnO 2 + 2C → Sn + 2CO.
Pada suhu tinggi, karbon bereaksi dengan non-logam, khususnya dengan hidrogen, membentuk hidrokarbon:
C + 2H 2 → CH 4.
Dengan oksigen, karbon membentuk karbon dioksida dan karbon monoksida:
- C + O 2 → CO 2;
- 2С + 2 → 2СО.
Karbon monoksida juga terbentuk ketika berinteraksi dengan air.
Dalam buku ini, kata "karbon" cukup sering muncul: dalam cerita tentang daun hijau dan tentang besi, tentang plastik dan kristal, dan banyak lainnya. Karbon - "batubara melahirkan" - adalah salah satu unsur kimia yang paling menakjubkan. Sejarahnya adalah sejarah asal usul dan perkembangan kehidupan di Bumi, karena merupakan bagian dari seluruh Bumi yang hidup.
Seperti apa bentuk karbon?
Mari kita lakukan beberapa eksperimen. Ambil gula dan panaskan tanpa udara. Ini pertama akan meleleh, berubah menjadi coklat, dan kemudian menghitam dan berubah menjadi arang, melepaskan air. Jika Anda sekarang memanaskan batu bara ini di hadapannya, ia akan terbakar tanpa residu dan berubah menjadi. Oleh karena itu, gula terdiri dari batu bara dan air (omong-omong, gula disebut karbohidrat), dan batu bara "gula" tampaknya adalah karbon murni, karena karbon dioksida adalah kombinasi karbon dengan oksigen. Jadi karbon adalah bubuk hitam yang lembut.
Mari kita ambil grafit batu lunak abu-abu, yang akrab bagi Anda berkat pensil. Jika dipanaskan dalam oksigen, ia juga akan terbakar tanpa residu, meskipun sedikit lebih lambat dari batu bara, dan karbon dioksida akan tetap berada di perangkat tempat ia terbakar. Jadi grafit juga karbon murni? Tentu saja, tapi itu tidak semua.
Jika berlian, permata transparan dan berkilau, yang paling keras dari semua mineral, dipanaskan dalam oksigen dalam peralatan yang sama, ia juga terbakar, berubah menjadi karbon dioksida. Jika berlian dipanaskan tanpa oksigen, ia akan berubah menjadi grafit, dan pada tekanan dan suhu yang sangat tinggi, berlian dapat diperoleh dari grafit.
Jadi, batu bara, grafit, dan berlian adalah bentuk keberadaan yang berbeda dari unsur yang sama - karbon.
Yang lebih menakjubkan lagi adalah kemampuan karbon untuk "mengambil bagian" dalam berbagai macam senyawa (itulah sebabnya kata "karbon" begitu sering muncul dalam buku ini).
104 elemen dari tabel periodik membentuk lebih dari empat puluh ribu senyawa yang dipelajari. Dan lebih dari satu juta senyawa berdasarkan karbon sudah diketahui!
Alasan keragaman ini terletak pada kenyataan bahwa atom karbon dapat mengikat satu sama lain dan dengan atom lain dengan ikatan yang kuat, membentuk yang kompleks dalam bentuk rantai, cincin, dan bentuk lainnya. Tidak ada unsur lain dalam tabel selain karbon yang mampu melakukan ini.
Ada jumlah tak terbatas bentuk yang dapat dibangun dari atom karbon, dan karena itu jumlah senyawa yang mungkin tak terbatas. Ini bisa menjadi zat yang sangat sederhana, misalnya, gas metana bercahaya, dalam molekul yang empat atomnya terikat pada satu atom karbon, dan begitu kompleks sehingga struktur molekulnya belum ditetapkan. Zat-zat tersebut antara lain: