탄소 이외 인 - 화학적 인 심볼 C. 그 원자 다양한 구조를 정의 석탄, 식물 또는 광물, 이후라는 금속 화학 소자. 많은 저자들은 광범위한 유기 및 무기 화합물을 형성하고 상당한 수의 동소체에서 발생하기 때문에 원소의 왕으로 평가합니다.
그리고 이것이 특별한 요소로 언급하기에 충분하지 않다면 그것은 모든 살아있는 존재들에게서 발견됩니다. 모든 생체 분자는 CC 결합의 안정성과 강도와 높은 결합 경향에 의해 존재합니다. 탄소는 생명의 요소이며 원자와 함께 몸이 만들어집니다.
나무의 나무는 주로 탄소가 풍부한 많은 화합물 중 하나 인 탄수화물로 구성되어 있습니다. 출처 : Pexels.
생체 재료가 만들어지는 유기 화합물은 실질적으로 탄소 골격과 이종 원자로 구성됩니다. 이들은 나무의 나무에서 육안으로 볼 수 있습니다. 번개가 칠 때도 구워냅니다. 나머지 불활성 흑색 고체에도 탄소가 있습니다. 그러나 그것은 숯입니다.
따라서이 요소에는“죽은”현상이 있습니다. 산소가 부족한 환경에서 연소 된 산물 인 목탄; 지질 학적 과정의 산물 인 광물 석탄. 두 고체는 모두 닮았고 검은 색이며 열과 에너지를 생성하기 위해 타 오릅니다. 수율이 다르지만.
이 시점부터 탄소는 지각에서 15 번째로 가장 풍부한 원소입니다. 매년 수백만 톤의 석탄이 생산되는 것은 당연합니다. 이 광물은 불순물의 정도에 따라 특성이 달라 무연탄을 최고 품질의 광물 석탄으로 지정합니다.
지각은 미네랄 석탄뿐만 아니라 탄산염, 특히 석회암과 백운석도 풍부합니다. 그리고 우주에 관해서는 네 번째로 풍부한 요소입니다. 내 말은, 다른 행성에는 더 많은 탄소가 있습니다.
탄소 역사
회고
탄소는 지각 자체만큼 오래되었을 수 있습니다. 옛날부터 고대 문명은 그을음, 목탄, 목탄 또는 목탄, 다이아몬드, 흑연, 콜타르, 무연탄 등과 같은 많은 자연적인 표현에서이 요소를 접했습니다.
모든 고체는 어두운 색조 (다이아몬드 제외)를 공유했지만 나머지 물리적 특성과 구성은 현저하게 달랐습니다. 그 당시에는 그것들이 본질적으로 탄소 원자로 구성되어 있다고 주장하는 것은 불가능했습니다.
따라서 역사를 통틀어 석탄은 연소 및 열 공급 시점의 품질에 따라 분류되었습니다. 그리고 연소에 의해 형성된 가스와 함께 물 덩어리가 가열되어 터빈을 움직이는 증기를 생성하여 전류를 생성했습니다.
밀폐 된 공간이나 밀폐 된 공간에서 나무를 태워 생성 된 숯에는 의심 할 여지없이 탄소가 존재했습니다. 연필이 만들어진 흑연에서; 보석으로 사용되는 다이아몬드에서; 그는 강철의 경도를 담당했습니다.
그 역사는 목재, 화약, 도시 조명 가스, 기차 및 선박, 맥주, 윤활유 및 인류 발전을위한 기타 필수품과 밀접한 관련이 있습니다.
인식
과학자들은 어느 시점에서 탄소의 동소체와 미네랄을 동일한 원소와 연관시킬 수 있었습니까? 석탄은 광물로 보였고 주기율표에 합당한 화학 원소로 생각되지 않았습니다. 첫 번째 단계는이 모든 고체가 동일한 가스, 즉 이산화탄소, CO 2 로 변환되었음을 보여주는 것이어야합니다 .
Antoine Lavoisier는 1772 년에 큰 렌즈가 달린 나무 프레임을 사용하여 목탄과 다이아몬드 샘플에 태양 광선을 집중 시켰습니다. 그는 그들 중 어느 것도 수증기를 형성하지 않고 CO 2를 생성한다는 것을 발견했습니다 . 그는 그을음으로도 똑같은 결과를 얻었습니다.
1779 년 Carl Wilhelm Scheele은 목탄과 흑연 사이의 화학적 관계를 발견했습니다. 즉, 두 고체는 동일한 원자로 구성되었습니다.
1797 년 스미스 슨 테넌트 및 윌리엄 하이드 울러 스턴이 방법론 CO 제조시 다이아몬드 탄소 실제로 이루어지는 것을 (반응을 통해) 확인 (2) 의 연소.
이러한 결과를 통해 곧 빛이 흑연과 다이아몬드, 탄소에 의해 형성된 고체, 따라서 고순도에 투사되었습니다. 석탄 및 기타 탄소 질 광물의 불순한 고체와는 달리.
속성
고체, 광물 또는 탄소 질 재료에서 발견되는 물리적 또는 화학적 특성은 많은 변수의 영향을받습니다. 그중에는 불순물의 조성이나 정도, 탄소 원자의 혼성화, 구조의 다양성, 기공의 형태 또는 크기가 있습니다.
탄소의 특성을 설명 할 때 대부분의 텍스트 또는 서지 출처는 흑연과 다이아몬드를 기반으로합니다.
왜? 이들은이 원소에 대해 가장 잘 알려진 동소체이고 고체 또는 고순도 물질을 나타 내기 때문입니다. 즉, 실질적으로 탄소 원자로 만 구성되어 있습니다 (구조는 다르지만 다음 섹션에서 설명합니다).
숯과 광물 석탄의 특성은 각각 기원이나 구성이 다릅니다. 예를 들어, 연료로서 갈탄 (저탄소)은 무연탄 (고 탄소)에 비해 크롤링합니다. 그리고 다른 동소체 (나노 튜브, 풀러렌, 그래 핀, 그래 핀 등)는 어떻습니까?
그러나 화학적으로 그들은 한 가지 공통점을 가지고 있습니다 : 그들은 CO 2 에서 과도한 산소로 산화됩니다 .
C + O 2 => CO 2
이제 산화에 필요한 속도 나 온도는 이러한 동소체 각각에 따라 다릅니다.
흑연 대 다이아몬드
이 두 동소체의 매우 다른 속성에 대해 여기서도 간단히 설명합니다.
탄소의 두 결정질 동소체의 일부 특성을 비교 한 표. 출처 : Gabriel Bolívar.
구조 및 전자 구성
혼성화
하이브리드 궤도와 가능한 탄소 구조 간의 관계. 출처 : Gabriel Bolívar.
탄소 원자의 전자 구성은 1s 2 2s 2 2p 2 이며 2s 2 2p 2 (상단 이미지) 로도 표기됩니다 . 이 표현은 기저 상태에 해당합니다. 탄소 원자는 다른 사람과 상호 작용할 수없는 진공 상태에서 분리되고 부유합니다.
2p 궤도 중 하나는 전자가 부족하여 전자 촉진을 통해 낮은 에너지 2s 궤도에서 전자를 받아들이는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 원자는 4 개의 sp 3 하이브리드 궤도를 통해 최대 4 개의 공유 결합을 형성하는 능력을 획득합니다 .
4 개의 sp 3 궤도 는 모두 에너지가 퇴화됩니다 (동일한 수준에 정렬 됨). 순수한 p 오비탈은 더 에너지가 넘치므로 다른 하이브리드 오비탈 위에 배치됩니다 (이미지 오른쪽).
3 개의 하이브리드 궤도가 있다면 그것은 하나의 하이브리드 화되지 않은 p 궤도가 남아 있기 때문입니다. 따라서 이들은 3 개의 sp 2 궤도 입니다. 그리고 이러한 하이브리드 오비탈 중 두 개가있을 때 두 개의 p 오비탈이 sp 탄소의 하이브리드 화인 이중 또는 삼중 결합을 형성하는 데 사용할 수 있습니다.
이러한 전자적 측면은 탄소가 동소체의 무한대에서 발견되는 이유를 이해하는 데 필수적입니다.
산화 번호
구조를 계속하기 전에 원자가 2s 2 2p 2 의 전자 구성이 주어지면 탄소는 +4, +2, 0, -2 및 -4와 같은 산화 수를 가질 수 있습니다.
왜? 이 숫자는 각각의 전하로 이온을 형성하는 이온 결합이 있다는 가정에 해당합니다. 즉, C 4+ , C 2+ , C 0 (중립), C 2- 및 C 4- .
탄소가 양의 산화수를 가지려면 전자를 잃어야합니다. 그리고 그렇게하기 위해서는 반드시 매우 전기 음성적인 원자 (산소와 같은)에 결합되어야합니다.
한편, 탄소가 음의 산화수를 가지려면 금속 원자에 결합하여 전자를 얻거나 그보다 전기 음성이 낮은 (예 : 수소)을 얻어야합니다.
첫 번째 산화수 +4는 탄소가 모든 원자가 전자를 잃었 음을 의미합니다. 2s 및 2p 궤도는 비어 있습니다. 2p 궤도가 2 개의 전자를 잃으면 탄소는 +2의 산화수를 갖게됩니다. 두 개의 전자를 얻으면 -2가됩니다. 원자가 옥텟을 완성하여 두 개의 전자를 더 얻으면 -4입니다.
예
예를 들어, CO에 대한 2 탄소의 산화수는 +4 (산소보다 전성이므로); CH 4의 경우 -4입니다 (수소가 전기 음성이 적기 때문에).
CH 3 OH의 경우 탄소의 산화수는 -2 (H는 +1, O는 -2)입니다. HCOOH의 경우 +2입니다 (합이 0인지 확인).
-3 및 +3과 같은 다른 산화 상태도 가능하며, 특히 유기 분자의 경우 더욱 그렇습니다. 예를 들어, 메틸기에서 -CH 3 .
분자 기하학
상단 이미지는 탄소 원자에 대한 궤도의 혼성화뿐만 아니라 여러 원자 (검은 색 구체)가 중앙 원자에 연결되었을 때 생성 된 분자 기하학을 보여줍니다. 이 중심 원자는 공간에서 특정 기하학적 환경을 갖기 위해이를 허용하는 각각의 화학적 혼성화를 가져야합니다.
예를 들어, 사면체의 경우 중앙 탄소는 sp 3 혼성화를 갖습니다 . 이것은 4 개의 sp 3 하이브리드 궤도에 대해 가장 안정적인 배열이기 때문 입니다. sp 2 탄소의 경우 이중 결합을 형성하고 삼각 평면 환경을 가질 수 있습니다. 이 삼각형은 완벽한 육각형을 정의합니다. 그리고 sp 혼성화의 경우 탄소는 선형 기하학을 채택합니다.
따라서 모든 동소체의 구조에서 관찰되는 기하학은 단순히 사면체 (sp 3 ), 육각형 또는 오각형 (sp 2 ) 및 선 (sp) 에 의해 지배됩니다 .
사면체는 3D 구조를 정의하고 육각형, 오각형 및 선, 3D 또는 2D 구조를 정의합니다. 후자는 벌집의 벽과 유사한 평면 또는 시트입니다.
sp2 탄소로 구성된 평면과 유사하게 벌집 모양의 육각형 디자인이있는 벽. 출처 : Pixabay.
그리고이 육각형 벽 (오각형 또는 혼합)을 접 으면 튜브 (나노 튜브) 또는 공 (풀러렌) 또는 다른 그림을 얻을 수 있습니다. 이 수치 사이의 상호 작용은 다른 형태를 발생시킵니다.
무정형 또는 결정질 고체
탄소의 가능한 구조의 기하학, 혼성화 또는 형태를 제쳐두고, 고체는 전 세계적으로 두 가지 유형으로 분류 될 수 있습니다 : 비정질 또는 결정질. 그리고이 두 분류 사이에 동소체가 분포되어 있습니다.
무정형 탄소는 단순히 사면체, 육각형 또는 선의 임의의 혼합을 나타내는 것이며 구조적 패턴을 설정할 수 없습니다. 석탄, 목탄 또는 활성탄, 코크스, 그을음 등의 경우입니다.
결정질 탄소는 제안 된 기하학으로 구성된 구조적 패턴으로 구성됩니다. 예를 들어 다이아몬드 (사면체의 3 차원 네트워크)와 흑연 (6 각형 시트 적층)이 있습니다.
구하기
탄소는 흑연이나 다이아몬드처럼 순수 할 수 있습니다. 이들은 전 세계와 다른 국가에 흩어져있는 각각의 광물 매장지에서 발견됩니다. 그렇기 때문에 일부 국가는 이러한 광물 중 하나를 다른 국가보다 더 많이 수출합니다. 요컨대, 탄소를 얻으려면 "당신은 땅을 파야합니다".
광물 석탄과 그 유형에도 동일하게 적용됩니다. 그러나 이것은 숯의 경우가 아닙니다. 탄소가 풍부한 몸은 불이나 번개 아래서 먼저 "멸망"해야하기 때문입니다. 물론, 산소의 부재에, 그렇지 않으면 CO 2가 출시 될 것입니다 .
숲 전체는 숯과 같은 탄소원입니다. 나무뿐만 아니라 동물 군도 마찬가지입니다.
일반적으로 탄소가 포함 된 샘플은 일부 불순물을 가스로 방출하기 위해 열분해 (산소가없는 상태에서 연소)를 거쳐야합니다. 따라서 탄소가 풍부한 고체 (무정형 또는 결정질)는 잔류 물로 남아 있습니다.
응용
다시 말하지만, 특성 및 구조와 마찬가지로 용도 또는 적용은 동소체 또는 탄소의 광물 학적 형태와 일치합니다. 그러나 몇 가지 잘 알려진 요점 외에도 언급 할 수있는 특정 일반 사항이 있습니다. 다음과 같습니다.
-탄소는 순수한 금속을 얻기 위해 미네랄 환원제로 오랫동안 사용되었습니다. 예를 들어 철, 실리콘 및 인 등이 있습니다.
-생명의 초석이며 유기 화학과 생화학이 이러한 성찰의 연구입니다.
-또한 최초의 기계가 기어를 시동 할 수있게 해주는 화석 연료였습니다. 같은 방식으로 오래된 조명 시스템의 탄소 가스를 얻었습니다. 석탄은 빛, 열, 에너지의 대명사였습니다.
-철과 다른 비율의 첨가제를 혼합하여 강의 발명과 개선을 가능하게했습니다.
-흑색은 예술, 특히 흑연과 그 선으로 만든 모든 글에서 발생했습니다.
위험 및 예방 조치
탄소와 그 고체는 건강상의 위험을 초래하지 않습니다. 누가 숯 봉지에 관심이 있습니까? 그들은 일부 시장의 통로 내에서 떼로 판매되며 근처에 불이 없으면 검은 색 블록이 타지 않습니다.
반면에 코크스는 유황 함량이 높으면 위험 할 수 있습니다. 태우면 유황 가스가 방출되어 독성이있을뿐만 아니라 산성비를 유발합니다. CO 비록 2 작은 양이 우리를 질식 수 없다, 그것은 온실 가스와 환경에 큰 영향을 미칠 않습니다.
이러한 관점에서 탄소는 연소가 지구의 기후를 변화시키기 때문에“장기적인”위험입니다.
그리고 좀 더 물리적 인 의미에서 고체 또는 탄소 질 물질은 분쇄되면 기류에 의해 쉽게 운반됩니다. 결과적으로 폐에 직접 도입되어 돌이킬 수없는 손상을 입힐 수 있습니다.
나머지는 어떤 음식을 조리 할 때 "숯"을 섭취하는 것이 매우 일반적입니다.
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