Süsinik on süsinikuaatom. Süsiniku mass

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 05:24

Üks hämmastavamaid elemente, mis võivad moodustada tohutult erinevaid orgaanilisi ja anorgaanilisi ühendeid, on süsinik. See element on oma omaduste poolest nii ebatavaline, et isegi Mendelejev ennustas sellele suurt tulevikku, rääkides funktsioonidest, mida pole veel avalikustatud.

Hiljem sai see praktiliselt kinnitust. Sai teada, et see on meie planeedi peamine biogeenne element, mis on osa absoluutselt kõigist elusolenditest. Lisaks on see võimeline eksisteerima vormides, mis on igas mõttes radikaalselt erinevad, kuid koosnevad samal ajal ainult süsinikuaatomitest.

Üldiselt on sellel struktuuril palju funktsioone ja me püüame neid käsitleda artikli käigus.

Süsinik: valem ja asend elementide süsteemis

Perioodilises süsteemis asub element süsinik IV (uue mudeli järgi 14) rühmas, peamises alarühmas. Selle seerianumber on 6 ja aatommass on 12 011. Elemendi tähistus märgiga C näitab selle ladinakeelset nimetust - carboneum. Süsinik eksisteerib mitmel erineval kujul. Selle valem on seetõttu erinev ja sõltub konkreetsest modifikatsioonist.

Reaktsioonivõrrandite kirjutamisel on tähistus aga spetsiifiline,muidugi on. Üldiselt võetakse ainest rääkides puhtal kujul kasutusele süsiniku C molekulvalem, ilma indekseerimata.

Elementide avastamise ajalugu

See element ise on tuntud juba antiikajast. On ju üks olulisemaid mineraale looduses kivisüsi. Seetõttu ei olnud ta muistsete kreeklaste, roomlaste ja teiste rahvuste jaoks saladus.

Peale selle sordi kasutati ka teemante ja grafiiti. Viimasega oli pikka aega palju segaseid olukordi, kuna sageli võeti grafiidi jaoks selliseid ühendeid ilma koostist analüüsimata, näiteks:

• hõbedane plii;
• raudkarbiid;
• molübdeensulfiid.

Need olid kõik mustaks värvitud ja seetõttu peeti neid grafiidiks. Hiljem see arusaamatus lahenes ja sellest süsiniku vormist sai iseennast.

Alates 1725. aastast on teemantidel olnud suur kaubanduslik tähtsus ja 1970. aastal hakati omandama nende kunstliku saamise tehnoloogiat. Alates 1779. aastast on tänu Karl Scheele tööle uuritud süsiniku keemilisi omadusi. Sellest sai alguse rida olulisi avastusi selle elemendi valdkonnas ja see sai aluseks selle kõige ainulaadsemate omaduste väljaselgitamisel.

Süsiniku isotoobid ja levik looduses

Hoolimata asjaolust, et kõnealune element on üks olulisemaid biogeenseid elemente, on selle kogusisaldus maakoore massis 0,15%. See on tingitud asjaolust, et see allub pidevale tsirkulatsioonile, mis on looduse loomulik tsükkel.

Üldiselt on neid mitusüsinikku sisaldavad mineraalühendid. Need on sellised looduslikud tõud nagu:

• dolomiidid ja lubjakivid;
• antratsiit;
• põlevkivi;
• maagaas;
• kivisüsi;
• õli;
• ligniit;
• turvas;
• bituumen.

Peale selle ei tohiks me unustada elusolendeid, kes on vaid süsinikuühendite hoidla. Moodustasid nad ju valke, rasvu, süsivesikuid, nukleiinhappeid, mis tähendab kõige elutähtsamaid struktuurimolekule. Üldiselt langeb kuiva kehamassi teisendamisel 70 kg-ks puhtale elemendile 15. Ja nii on see kõigi inimestega, rääkimata loomadest, taimedest ja muudest olenditest.

Kui arvestada õhu ja vee koostist, st hüdrosfääri tervikuna ja atmosfääri, siis on olemas süsiniku ja hapniku segu, mida väljendatakse valemiga CO_{2. Dioksiid või süsinikdioksiid on üks peamisi õhu moodustavaid gaase. Just sellisel kujul on süsiniku massiosa 0,046%. Ookeanide vetes lahustub veelgi rohkem süsihappegaasi.}

Süsiniku kui elemendi aatommass on 12,011. On teada, et see väärtus arvutatakse kõigi looduses esinevate isotoopliikide aatommasside aritmeetilise keskmisena, võttes arvesse nende levimust (protsendina). See kehtib ka kõnealuse aine kohta. On kolm peamist isotoopi, milles süsinikku leidub. See on:

• ¹²С – selle massiosa valdavas enamuses on 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C – radioaktiivne, poolestusaeg 5700 aastat, stabiilne beeta-emitter.

Proovide geokronoloogilise vanuse määramise praktikas kasutatakse laialdaselt radioaktiivset isotoopi ¹⁴С, mis on oma pika lagunemisperioodi tõttu näitajaks.

Elemendi allotroopsed modifikatsioonid

Süsinik on element, mis eksisteerib lihtsa ainena mitmel kujul. See tähendab, et see on võimeline moodustama suurima arvu tänapäeval teadaolevaid allotroopseid modifikatsioone.

1. Kristallilised variatsioonid - eksisteerivad tugevate struktuuridena, millel on korrapärased aatom-tüüpi võred. Sellesse rühma kuuluvad sellised sordid nagu:

• teemandid;
• fullerenes;
• grafiit;
• karabiinid;
• lonsdaleites;
• süsinikkiud ja torud.

Need kõik erinevad kristallvõre struktuuri poolest, mille sõlmedes on süsinikuaatom. Sellest tulenevad täiesti ainulaadsed ja erinevad omadused, nii füüsikalised kui keemilised.

2. Amorfsed vormid - need moodustuvad süsinikuaatomist, mis on osa mõnedest looduslikest ühenditest. See tähendab, et need ei ole puhtad sordid, vaid väikestes kogustes muude elementide lisanditega. Sellesse rühma kuuluvad:

• aktiivsüsi;
• kivi ja puit;
• tahm;
• süsinik nanovaht;
• antratsiit;
• klaasjas süsinik;
• tehnilist laadi aine.

Neid ühendavad ka omadusedkristallvõre struktuurid, selgitavad ja avaldavad omadusi.

3. Süsinikuühendid klastrite kujul. Selline struktuur, milles aatomid on seestpoolt suletud spetsiaalsesse konformatsiooniõõnsusse, täidetud veega või muude elementide tuumadega. Näited:

• süsinik-nanokoonused;
• astralens;
• dikarbon.

Amorfse süsiniku füüsikalised omadused

Allotroopsete modifikatsioonide laia valiku tõttu on süsiniku ühiseid füüsikalisi omadusi raske tuvastada. Lihtsam on rääkida konkreetsest vormist. Näiteks amorfsel süsinikul on järgmised omadused.

1. Kõigi vormide keskmes on peenkristallilised grafiidisordid.
2. Suur soojusmahtuvus.
3. Head juhtivusomadused.
4. Süsiniku tihedus on umbes 2 g/cm³.
5. Kuumutamisel üle 1600 ⁰C, toimub üleminek grafiidivormidele.

Tahma-, söe- ja kivisorte kasutatakse laialdaselt tööstuslikel eesmärkidel. Need ei ole puhtal kujul süsiniku modifitseerimise ilming, vaid sisaldavad seda väga suurtes kogustes.

Kristalne süsinik

On mitu võimalust, kus süsinik on aine, mis moodustab erinevat tüüpi regulaarseid kristalle, kus aatomid on ühendatud järjestikku. Selle tulemusena moodustuvad järgmised modifikatsioonid.

1. Teemant. Struktuur on kuubikujuline, milles on ühendatud neli tetraeedrit. Selle tulemusena tekivad iga aatomi kõik kovalentsed keemilised sidemedmaksimaalselt küllastunud ja vastupidav. See seletab füüsikalisi omadusi: süsiniku tihedus on 3300 kg/m³. Kõrge kõvadus, madal soojusmahtuvus, elektrijuhtivuse puudumine – kõik see on kristallvõre struktuuri tulemus. Seal on tehniliselt saadud teemante. Need tekivad grafiidi üleminekul järgmisele modifikatsioonile kõrge temperatuuri ja teatud rõhu mõjul. Üldiselt on teemandi sulamistemperatuur sama kõrge kui tugevus – umbes 3500 ⁰C.
2. Grafiit. Aatomid paiknevad sarnaselt eelmise aine struktuuriga, kuid küllastunud on vaid kolm sidet ning neljas muutub pikemaks ja nõrgemaks, see ühendab võre kuusnurksete rõngaste "kihte". Selle tulemusena selgub, et grafiit on katsudes pehme, rasvane must aine. Sellel on hea elektrijuhtivus ja kõrge sulamistemperatuur – 3525 ⁰C. Sublimatsioonivõimeline - sublimatsioon tahkest olekust gaasilisse olekusse, vedelast olekust mööda minnes (temperatuuril 3700 ⁰С). Süsiniku tihedus on 2,26 g/cm^3, , mis on palju väiksem kui teemandil. See seletab nende erinevaid omadusi. Tänu kristallvõre kihilisele struktuurile on võimalik kasutada grafiiti pliiatsijuhtmete valmistamiseks. Üle paberi pühkides kooruvad helbed maha ja jätavad paberile musta jälje.
3. Fullereenid. Need avati alles eelmise sajandi 80ndatel. Need on modifikatsioonid, milles süsinikud on omavahel ühendatud spetsiaalses kumeras suletud struktuuris, mille keskel ontühjus. Ja kristalli vorm - hulktahukas, õige organisatsioon. Aatomite arv on paaris. Fullereeni tuntuim vorm on С₆₀. Uurimise käigus leiti sarnase aine proove:

• meteoriidid;
• põhjasetted;
• folguriit;
• šungiit;
• välisruum, kus sisaldub gaaside kujul.

Kõik kristalse süsiniku liigid on väga praktilise tähtsusega, kuna neil on mitmeid tehnikas kasulikke omadusi.

Reaktiivsus

Molekulaarsel süsinikul on oma stabiilse konfiguratsiooni tõttu madal reaktsioonivõime. Seda saab reaktsioonidesse sundida ainult aatomile lisaenergiat andes ja välistasandi elektrone aurustuma sundides. Siinkohal on valents 4. Seetõttu on ühendites selle oksüdatsiooniaste + 2, + 4, -4.

Praktiliselt kõik reaktsioonid lihtainetega, nii metallide kui ka mittemetallidega, toimuvad kõrgete temperatuuride mõjul. Kõnealune element võib olla nii oksüdeerija kui ka redutseerija. Viimased omadused on selles aga eriti väljendunud ning see on aluseks selle kasutamisele metallurgia- ja muudes tööstusharudes.

Üldiselt sõltub keemiliste vastasmõjude tekkimise võimalus kolmest tegurist:

• süsiniku dispersioon;
• allotroopne modifikatsioon;
• reaktsioonitemperatuur.

Seega on mõnel juhul koostoime järgmistegaained:

• mittemetallid (vesinik, hapnik);
• metallid (alumiinium, raud, k altsium ja teised);
• metallioksiidid ja nende soolad.

Ei reageeri hapete ja leelistega, väga harva halogeenidega. Süsiniku omadustest on olulisim võime moodustada üksteisega pikki ahelaid. Nad võivad tsüklis sulgeda, moodustada oksi. Nii tekivad orgaanilised ühendid, mida tänapäeval on miljoneid. Nende ühendite aluseks on kaks elementi - süsinik, vesinik. Kaasata võib ka muid aatomeid: hapnik, lämmastik, väävel, halogeenid, fosfor, metallid ja teised.

Peamised ühendid ja nende omadused

Süsinikku sisaldavad palju erinevaid ühendeid. Neist kuulsaima valem on CO₂ - süsinikdioksiid. Kuid lisaks sellele oksiidile on olemas ka CO - monooksiid või süsinikmonooksiid, samuti suboksiid C₃O₂.

Seda elementi sisaldavate soolade hulgas on kõige levinumad k altsium- ja magneesiumkarbonaadid. Niisiis on k altsiumkarbonaadil nimes mitu sünonüümi, kuna see esineb looduses kujul:

• kriit;
• marmor;
• lubjakivi;
• dolomiit.

Leelismuldmetallide karbonaatide tähtsus väljendub selles, et nad osalevad aktiivselt stalaktiitide ja stalagmiitide, aga ka põhjavee moodustumisel.

Süsinikhape on teine ühend, mis moodustab süsinikku. Selle valem onH₂CO₃. Tavalisel kujul on see aga äärmiselt ebastabiilne ja laguneb lahuses kohe süsihappegaasiks ja veeks. Seetõttu on lahusena teada ainult selle soolad, mitte iseennast.

Süsinikhalogeniidid – saadakse peamiselt kaudselt, kuna otsene süntees toimub ainult väga kõrgetel temperatuuridel ja toote madala saagisega. Üks levinumaid - CCL₄ - süsiniktetrakloriid. Mürgine ühend, mis võib sissehingamisel põhjustada mürgistust. Saadakse vesinikuaatomite radikaalse fotokeemilise asendamise reaktsioonil metaanis.

Metallkarbiidid on süsinikuühendid, mille oksüdatsiooniaste on 4. Võimalik on ka seoste olemasolu boori ja räniga. Mõnede metallide (alumiinium, volfram, titaan, nioobium, tantaal, hafnium) karbiidide peamine omadus on kõrge tugevus ja suurepärane elektrijuhtivus. Boorkarbiid В₄С on teemandi järel üks kõvemaid aineid (Mohsi järgi 9,5). Neid ühendeid kasutatakse nii inseneri- kui ka keemiatööstuses süsivesinike tootmise allikatena (k altsiumkarbiid koos veega põhjustab atsetüleeni ja k altsiumhüdroksiidi moodustumist).

Paljude metallisulamite valmistamisel kasutatakse süsinikku, parandades seeläbi oluliselt nende kvaliteeti ja tehnilisi omadusi (teras on raua ja süsiniku sulam).

Erilist tähelepanu väärivad arvukad süsiniku orgaanilised ühendid, milles see on põhielement, mis on võimeline ühinema samade aatomitega mitmesuguse struktuuriga pikkadeks ahelateks. Nende hulka kuuluvad:

• alkaanid;
• alkeenid;
• arenas;
• valgud;
• süsivesikud;
• nukleiinhapped;
• alkoholid;
• karboksüülhapped ja paljud teised aineklassid.

Süsiniku kasutamine

Süsinikuühendite ja selle allotroopsete modifikatsioonide tähtsus inimelus on väga suur. Võite nimetada mõned kõige globaalsemad tööstusharud, et teha selgeks, et see tõsi on.

1. See element moodustab igat tüüpi fossiilkütuseid, millest inimene energiat saab.
2. Metallurgiatööstus kasutab süsinikku kõige tugevama redutseerijana metallide saamiseks nende ühenditest. Siin kasutatakse laialdaselt ka karbonaate.
3. Ehitus ja keemiatööstus tarbivad tohutul hulgal süsinikuühendeid, et sünteesida uusi aineid ja saada vajalikke tooteid.

Võite nimetada ka selliseid majandussektoreid nagu:

• tuumatööstus;
• ehted;
• tehnilised seadmed (määrdeained, kuumakindlad tiiglid, pliiatsid jne);
• kivimite geoloogilise vanuse määramine - radioaktiivne märgistusaine ¹⁴С;
• süsinik on suurepärane adsorbent, mistõttu sobib see filtrite valmistamiseks.

Tsirkulatsioon looduses

Looduses leiduv süsiniku mass sisaldub pidevas tsüklis, mis ringleb iga sekund ümber maakera. Seega neeldub atmosfääri süsinikuallikas CO₂taimed ja seda vabastavad kõik elusolendid hingamise käigus. Atmosfääri sattudes imendub see uuesti ja seega tsükkel ei peatu. Samal ajal põhjustab orgaaniliste jääkide surm süsiniku eraldumist ja selle kogunemist maapinnale, kust see seejärel taas elusorganismide poolt neeldub ja gaasi kujul atmosfääri paisatakse.