Hiili

Tämän alkuaineen kolme isotooppia löytyy ympäröivästä maailmasta. Isotoopit 12 C ja 13 C ovat stabiileja, kun taas 14 C on radioaktiivinen (tämän isotoopin puoliintumisaika on 5730 vuotta ). Hiili on tunnettu muinaisista ajoista lähtien.

Hiilen kyky muodostaa polymeeriketjuja synnyttää valtavan luokan hiilipohjaisia yhdisteitä, joita kutsutaan orgaanisiksi ja joita on paljon enemmän kuin epäorgaanisia ja jotka ovat orgaanisen kemian tutkimus .

Historia

Hiiltä hiilen muodossa käytettiin antiikin aikana metallien sulattamiseen . Hiilen allotrooppiset muunnelmat ovat olleet tiedossa jo pitkään : timantti ja grafiitti .

XVII-XVIII vuosisatojen vaihteessa. Johann Becherin ja Georg Stahlin esittämä flogistonteoria syntyi . Tämä teoria tunnisti jokaisessa palavassa kappaleessa erityisen perusaineen - painottoman nesteen - flogistonin, joka haihtuu palamisen aikana. Koska vain pieni määrä tuhkaa jää jäljelle poltettaessa suurta määrää hiiltä, flogistiikka uskoi, että kivihiili oli melkein puhdasta flogistonia. Tämä oli selitys erityisesti hiilen "flogistiselle" vaikutukselle, sen kyvylle palauttaa metalleja "kalkista" ja malmeista. Myöhemmin flogistiikka ( Reaumur , Bergman ym.) oli jo alkanut ymmärtää, että kivihiili on alkuaine. Ensimmäistä kertaa "puhtaan hiilen" tunnusti kuitenkin Antoine Lavoisier , joka tutki hiilen ja muiden aineiden polttoprosessia ilmassa ja hapessa. Guiton de Morveaun , Lavoisier'n, Berthollet'n ja Fourcroix'n menetelmässä Chemical Nomenclature (1787) nimi "hiili" (carbone) esiintyi ranskalaisen "pure coal" (charbone pur) sijaan. Samalla nimellä hiili esiintyy "Yksinkertaisten kappaleiden taulukossa" Lavoisier'n "Kemian alkeisoppikirjassa".

Vuonna 1791 englantilainen kemisti Tennant sai ensimmäisenä vapaan hiilen; hän kuljetti fosforihöyryä kalsinoidun liidun yli, mikä johti kalsiumfosfaatin ja hiilen muodostumiseen. Se, että timantti palaa ilman jäännöstä voimakkaasti kuumennettaessa, on ollut tiedossa pitkään. Jo vuonna 1751 Saksan keisari Franz I suostui antamaan timantin ja rubiinin polttokokeita varten, minkä jälkeen näistä kokeista tuli jopa muotia. Kävi ilmi, että vain timantti palaa, ja rubiini (alumiinioksidi kromisekoituksella) kestää pitkäaikaista kuumenemista sytytyslinssin kohdalta ilman vaurioita. Lavoisier perusti uuden kokeen polttaa timanttia suurella sytytyskoneella ja tuli siihen tulokseen, että timantti on kiteistä hiiltä. Toista hiilen allotrooppia - grafiittia - pidettiin alkemiallisella kaudella modifioituna lyijykiillona ja sitä kutsuttiin plumbagoksi; vasta vuonna 1740 Pott havaitsi, ettei grafiitissa ollut lyijy-epäpuhtauksia. Scheele opiskeli grafiittia (1779) ja flogistikkona piti sitä erityislaatuisena rikkipitoisena kappaleena, erikoisena mineraalihiilenä, joka sisälsi sidottua "ilmahappoa" (CO 2 ) ja suuren määrän flogistonia.

Kaksikymmentä vuotta myöhemmin Guiton de Morvo muutti timantin grafiitiksi ja sitten hiilihapoksi hellävaraisella kuumentamalla [8] .

Nimen alkuperä

1600-1800-luvuilla termiä "hiili" käytettiin joskus venäläisessä kemian- ja erikoiskirjallisuudessa (Schlatter, 1763; Scherer, 1807; Severgin , 1815); vuodesta 1824 lähtien Solovjov otti käyttöön nimen "hiili". Hiiliyhdisteiden nimessä on osa hiilidioksidia (n) - lat. carbō (gen. p. carbōnis ) "hiili".

Fysikaaliset ominaisuudet

Hiiltä esiintyy monissa allotrooppisissa muunnelmissa, joilla on hyvin erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia. Modifikaatioiden moninaisuus johtuu hiilen kyvystä muodostaa erityyppisiä kovalenttisia kemiallisia sidoksia .

Hiilen isotoopit

Luonnonhiili koostuu kahdesta stabiilista isotoopista - 12 C (98,93 %) ja 13 C (1,07 %) sekä yhdestä radioaktiivisesta isotoopista 14 C (β-emitteri, T ½ = 5730 vuotta), jotka ovat keskittyneet ilmakehään ja maan yläosaan. haukkua. Sitä muodostuu jatkuvasti stratosfäärin alemmissa kerroksissa kosmisen säteilyn neutronien vaikutuksesta typen ytimiin reaktion seurauksena: 14 N (n, p) 14 C, ja myös 1950-luvun puolivälistä lähtien ihmisenä -valmistettu ydinvoimaloiden ja vetypommien testauksen tuloksena .

14 C :n muodostuminen ja hajoaminen on kvaternaarigeologiassa ja arkeologiassa laajalti käytetyn radiohiiliajoitusmenetelmän perusta .

Hiilen allotrooppiset modifikaatiot

Kiteinen hiili

Amorfinen hiili

Aktiivihiili
Puuhiili
Fossiilinen kivihiili: antrasiitti ja fossiilinen kivihiili .
Hiilekoksi , maaöljykoksi jne .
lasimainen hiili
Hiilenmusta
Noki
Hiilen nanovaahto

Käytännössä edellä luetellut amorfiset muodot ovat yleensä korkean hiilipitoisuuden omaavia kemiallisia yhdisteitä eivätkä puhdasta allotrooppista hiilen muotoa.

Klusterimuodot

Rakenne

Hiiliatomin elektroniradat voivat olla eri muotoisia riippuen sen elektroniradan hybridisaatioasteesta . Hiiliatomilla on kolme pääkonfiguraatiota:

tetraedrinen , muodostuu sekoittamalla yksi s- ja kolme p-elektronia (sp 3 -hybridisaatio). Hiiliatomi sijaitsee tetraedrin keskellä, ja se on yhdistetty neljällä ekvivalentilla σ-sidoksella hiiliatomeihin tai muihin tetraedrin huipuissa sijaitseviin hiiliatomeihin. Tämä hiiliatomin geometria vastaa hiilitimantin ja lonsdaleiitin allotrooppisia muunnelmia . Hiilellä on tällainen hybridisaatio esimerkiksi metaanissa ja muissa hiilivedyissä.
trigonaalinen, muodostettu sekoittamalla yksi s- ja kaksi p-elektroniorbitaalia (sp 2 -hybridisaatio). Hiiliatomissa on kolme ekvivalenttia σ-sidosta, jotka sijaitsevat samassa tasossa 120° kulmassa toisiinsa nähden. p-orbitaalia, joka ei osallistu hybridisaatioon ja joka sijaitsee kohtisuorassa σ-sidosten tasoon nähden , käytetään muodostamaan π-sidoksia muiden atomien kanssa. Tämä hiilen geometria on tyypillinen grafiitille , fenolille jne.
digonaali, muodostuu sekoittamalla yksi s- ja yksi p-elektroni (sp-hybridisaatio). Tässä tapauksessa kaksi elektronipilveä on pidennetty samaan suuntaan ja näyttävät epäsymmetrisiltä käsipainoilta. Kaksi muuta p-elektronia muodostavat π-sidoksia. Hiili, jolla on tällainen atomigeometria, muodostaa erityisen allotrooppisen modifikaatio- karbiinin .

Grafiitti ja timantti

Tärkeimmät ja hyvin tutkitut hiilen allotrooppiset modifikaatiot ovat timantti ja grafiitti . Grafiitti-timantti-tasapainoviivan termodynaamisen laskennan faasi p ,  T -kaaviossa suoritti vuonna 1939 O. I. Leipunsky [9] . Normaaleissa olosuhteissa vain grafiitti on termodynaamisesti stabiilia, kun taas timantti ja muut muodot ovat metastabiileja . Ilmakehän paineessa ja yli 1200 K lämpötiloissa timantti alkaa muuttua grafiitiksi; 2100 K:n yläpuolella muutos tapahtuu hyvin nopeasti [10] [11] [12] . ΔH 0 -siirtymä - 1,898 kJ / mol. Grafiitin suora siirtyminen timantiksi tapahtuu 3000 K:n lämpötilassa ja 11–12 GPa:n paineessa. Normaalipaineessa hiili sublimoituu 3780 K:n lämpötilassa.

Nestemäinen hiili

Nestemäistä hiiltä on olemassa vain tietyssä ulkoisessa paineessa. Kolmoispisteet: grafiitti–neste–höyry T = 4130 K, p = 10,7 MPa ja grafiitti–timantti–neste T ≈ 4000 K, p ≈ 11 GPa. Grafiitti-neste-tasapainoviivalla vaiheen p ,  T - diagrammissa on positiivinen kulmakerroin, joka lähestyessään grafiitti-timantti-neste-kolmiopistettä muuttuu negatiiviseksi, mikä liittyy hiiliatomien ainutlaatuisiin ominaisuuksiin hiilimolekyylejä luomiseksi. joka koostuu eri määrästä atomeja (kahdesta seitsemään). Timantti-neste-tasapainoviivan kaltevuus, ilman suoria kokeita erittäin korkeissa lämpötiloissa (yli 4000–5000 K) ja paineissa (yli 10–20 GPa), katsottiin negatiiviseksi monta vuotta. Japanilaisten tutkijoiden suorittamat suorat kokeet [13] ja saatujen kokeellisten tietojen käsittely ottaen huomioon timantin poikkeava korkean lämpötilan lämpökapasiteetti [14] [15] osoittivat, että timantti-neste-tasapainoviivan kaltevuus on positiivinen, eli timantti on tiheämpää kuin nestemäinen hiili (se uppoaa sulassa ja kelluu kuin jää vedessä).

Physical Review Letters -lehti julkaisi toukokuussa 2019 Venäjän tiedeakatemian Joint Institute for High Temperatures -instituutin venäläisten tutkijoiden A. M. Kondratievin ja A. D. Rachelin työn, jossa fyysikot ensimmäistä kertaa maailmassa tutkivat ja mittasivat sen ominaisuuksia. hiilen nestemäinen muoto yksityiskohtaisesti. Fyysisen kokeen tulokset mahdollistivat uuden tiedon saamisen, joka ei ollut tutkijoiden saatavilla tietokonesimuloinnin olosuhteissa. Ohut erittäin orientoitunutta pyrolyyttistä grafiittia oleva levy, jonka kuusikulmainen akseli oli kohtisuorassa sen pintaan nähden, asetettiin kahden erikoismateriaalilevyn väliin ja kuumennettiin 0,3 - 2,0 GPa:n paineeseen. Kävi ilmi, että grafiitin sulamislämpötila näissä olosuhteissa on 6300-6700 K , mikä on yli 1000 K korkeampi kuin teoreettisesti ja matemaattisilla malleilla ennustetut arvot. Ensimmäistä kertaa maailmassa tutkijat mittasivat tarkasti hiilen sulamisprosessin fysikaaliset parametrit ja sen nestefaasin ominaisuudet (ominaisvastus, sulamisentalpia , isokorinen lämpökapasiteetti ja monet muut tämän aineen indikaattorit [16] . havaitsi, että äänen nopeus nestemäisessä hiilessä kasvaa tiheyden pienentyessä [16] [17] [18] [19] .

Carbon III

Yli 60 GPa :n paineissa oletetaan muodostuvan erittäin tiheä C III: n modifikaatio (tiheys on 15–20 % suurempi kuin timantin tiheys), jolla on metallinjohtavuus. Korkeissa paineissa ja suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa (noin 1200 K) erittäin orientoituneesta grafiitista - lonsdaleiitista muodostuu kuusikulmainen hiilen muunnos wurtsiittityyppisellä kidehilalla ( a = 0,252 nm, c = 0,412 nm, avaruusryhmä Р 6 3 / mmc ), tiheys 3, 51 g / cm³, eli sama kuin timantilla. Lonsdaleiittia löytyy myös meteoriiteista .

Ultrahienot timantit (nanotimantit)

1980-luvulla Neuvostoliitossa havaittiin, että hiiltä sisältävien materiaalien dynaamisen kuormituksen olosuhteissa voi muodostua timanttimaisia rakenteita, joita kutsutaan ultrahienoksi timantiksi (UDD). Tällä hetkellä termiä " nanotimantit " käytetään yhä enemmän. Tällaisten materiaalien hiukkaskoko on muutama nanometri. Olosuhteet UDD:n muodostumiselle voidaan toteuttaa räjähteissä , joissa on merkittävä negatiivinen happitasapaino , esimerkiksi TNT :n ja RDX :n seokset . Tällaiset olosuhteet voivat myös toteutua, kun taivaankappaleet osuvat maan pintaan hiiltä sisältävien materiaalien (orgaaniset aineet, turve , kivihiili jne.) läsnä ollessa. Siten Tunguskan meteoriitin putoamisvyöhykkeellä UDD:itä löydettiin metsäpeiikoista.

Carbin

Heksagonaalisen syngonian hiilen kiteistä modifikaatiota, jossa on molekyylien ketjurakenne, kutsutaan karbiiniksi . Ketjut ovat joko polyeeniä (−C≡C−) tai polykumileeniä (=C=C=). Karbiinien tunnetaan useita muotoja, jotka eroavat toisistaan yksikkösolun atomien lukumäärän, solukoon ja tiheyden (2,68–3,30 g/cm³) suhteen. Karbiinia esiintyy luonnossa mineraalin kaoiitin muodossa (valkoiset suonet ja täplät grafiitissa) ja sitä saadaan keinotekoisesti - asetyleenin oksidatiivisella dehydropolykondensaatiolla , lasersäteilyn vaikutuksesta grafiittiin, hiilivedyistä tai CCl 4 :stä matalan lämpötilan plasmassa.

Carbyne on musta hienorakeinen jauhe (tiheys 1,9–2 g/cm³), jolla on puolijohtavia ominaisuuksia. Saatu keinotekoisissa olosuhteissa pitkistä hiiliatomiketjuista, jotka on pinottu rinnakkain toistensa kanssa.

Carbyne on lineaarinen hiilen polymeeri. Karbiinimolekyylissä hiiliatomit liittyvät ketjuihin vuorotellen joko kolmois- ja yksinkertaisilla sidoksilla (polyeenirakenne) tai pysyvästi kaksoissidoksilla (polykumuleenirakenne). Tämän aineen saivat ensimmäisen kerran Neuvostoliiton kemistit V. V. Korshak , A. M. Sladkov, V. I. Kasatotshkin ja Yu. P. Kudrjavtsev 1960-luvun alussa Neuvostoliiton tiedeakatemian organoelementtiyhdisteiden instituutista [20] . Karbiinilla on puolijohdeominaisuuksia , ja valon vaikutuksesta sen johtavuus kasvaa huomattavasti. Ensimmäinen käytännön sovellus perustuu tähän ominaisuuteen - valokennoissa .

Fullereenit ja hiilinanoputket

Hiili tunnetaan myös klusterihiukkasina C 60 , C 70 , C 80 , C 90 , C 100 ja vastaavina ( fullereeneinä ) sekä grafeeneina , nanoputkina ja monimutkaisina rakenteina - astraleeneina .

Amorfinen hiili (rakenne)

Amorfisen hiilen rakenne perustuu yksikiteisen (aina epäpuhtauksia sisältävän) grafiitin epäjärjestyneeseen rakenteeseen. Näitä ovat koksi , ruskea ja kivihiili, hiilimusta , noki , aktiivihiili .

Grafeeni

Grafeeni on kaksiulotteinen allotrooppinen hiilen modifikaatio, jonka muodostaa yhden atomin paksuinen hiiliatomikerros, joka on yhdistetty sp²-sidoksilla kuusikulmaiseksi kaksiulotteiseksi kidehilaksi.

Hiilirengas

Vuonna 2019 syntetisoitiin ensimmäistä kertaa yksi kopio molekyylistä, joka on 18 hiiliatomin rengas. Se vuorottelee yksittäisiä ja kolmoiskemiallisia sidoksia [21] [22] .

Luonnossa oleminen

On arvioitu, että maapallo kokonaisuudessaan koostuu 730 ppm hiilestä, josta 2000 ppm ytimessä ja 120 ppm vaipassa ja kuoressa [23] . Maan massa on 5,972⋅10 24 kg , mikä tarkoittaa 4360 miljoonan gigatonnnin hiiltä.

Vapaata hiiltä löytyy luonnosta timantin ja grafiitin muodossa. Hiilen päämassa luonnollisten karbonaattien ( kalkkikivet ja dolomiitit ), fossiilisten polttoaineiden - antrasiitti (94-97% C), ruskohiili (64-80% C), musta kivihiili (76-95% C), öljy liuske (56-78 % C), öljy (82-87 % C), palavat maakaasut (jopa 99 % metaania ), turve (53-56 % C), sekä bitumi jne. Ilmakehässä ja hydrosfäärissä on hiilidioksidin muodossa CO 2 , ilmassa 0,046 % CO 2 massasta, jokien, merien ja valtamerien vesissä ~ 60 kertaa enemmän. Hiili on osa kasveja ja eläimiä (~17,5%).

Hiili pääsee ihmiskehoon ruoan mukana (normaalisti noin 300 g päivässä). Kokonaishiilipitoisuus ihmiskehossa on noin 21 % (15 kg 70 painokiloa kohti). Hiili muodostaa 2/3 lihasmassasta ja 1/3 luumassasta. Se erittyy elimistöstä pääasiassa uloshengitetyn ilman ( hiilidioksidi ) ja virtsan ( urea ) mukana.

Hiilen kiertokulku luonnossa sisältää biologisen kierron, CO 2 :n vapautumisen ilmakehään fossiilisten polttoaineiden palamisen aikana , tulivuoren kaasuista, kuumista mineraalilähteistä, merivesien pintakerroksista sekä hengityksen, käymisen, hajoamisen aikana . Biologinen kierto koostuu siitä, että kasvit absorboivat troposfääristä fotosynteesin aikana hiiltä hiilidioksidin muodossa . Sitten se palaa biosfääristä jälleen geosfääriin , osittain eläinten ja ihmisten organismien kautta ja CO 2 -muodossa ilmakehään.

Höyrytilassa ja typen ja vedyn kanssa muodostuneiden yhdisteiden muodossa hiiltä löytyy Auringon ilmakehästä , planeetoista, sitä löytyy kivi- ja rautameteoriiteista .

Useimmilla hiiliyhdisteillä ja ennen kaikkea hiilivedyillä on kovalenttisten yhdisteiden luonne. C-atomien yksinkertaisten, kaksois- ja kolmoissidosten vahvuus keskenään, kyky muodostaa stabiileja ketjuja ja syklejä C-atomeista määräävät valtavan määrän orgaanisen kemian tutkimia hiiltä sisältäviä yhdisteitä .

Luonnossa esiintyy šungiittimineraalia , joka sisältää sekä kiinteää hiiltä (≈25 %) että merkittäviä määriä piidioksidia (≈35 %).

Kemialliset ominaisuudet

Tavallisissa lämpötiloissa hiili on kemiallisesti inerttiä, riittävän korkeissa lämpötiloissa se yhdistyy moniin alkuaineisiin ja sillä on voimakkaita pelkistäviä ominaisuuksia. Hiilen eri muotojen kemiallinen aktiivisuus laskee sarjassa: amorfinen hiili, grafiitti, timantti, ilmassa ne syttyvät yli 300–501 °C, 600–700 °C ja 800–1000 °C lämpötiloissa.

Hapetusaste vaihtelee välillä −4 - +4. elektroniaffiniteetti 1,27 eV ; ionisaatioenergia peräkkäisen siirtymän aikana C0 : sta C4 +:aan on 11,2604 , 24,383, 47,871 ja 64,19 eV, vastaavasti.

Epäorgaaniset yhdisteet

Hiili reagoi ei-metallien kanssa kuumennettaessa.

Reaktiot ei-metallien kanssa

Reagenssi	Yhtälö	Kuvaus
${\ce {O2}}$	${\ce {2C + O2 ->[t] 2CO ^}}$ ${\ce {2CO + O2 ->[t] 2CO2 ^}}$	Hiilen palamistuotteet ovat CO ja CO 2 ( hiilimonoksidi ja hiilidioksidi, vastaavasti). Tunnetaan myös epästabiili hiilisuboksidi C 3 O 2 (sulamispiste -111 °C, kiehumispiste 7 °C) ja joitain muita oksideja (esimerkiksi C 12 O 9 , C 5 O 2 , C 12 O 12 ). Hiilidioksidi reagoi veden kanssa muodostaen heikkoa hiilihappoa - H 2 CO 3 , joka muodostaa suoloja - karbonaatteja . ${\ce {CO2 + H2O <=> H2CO3}}$ Maapallolla yleisimmät karbonaatit ovat kalsium (mineraalimuodot - liitu , marmori , kalsiitti , kalkkikivi jne.) ja magnesium (mineraalimuoto dolomiitti ).
${\ce {S))$ ${\ce {Se}}$	${\ce {C + 2S ->[t]CS2}}$ ${\ce {C + 2Se ->[t] CSe2}}$	Kun hiili reagoi rikin kanssa, saadaan hiilidisulfidia CS 2 , CS ja C 3 S 2 tunnetaan myös . Saatiin hiiliselenidi CSe2 . _
${\ce {H2))$ ${\ce {F2))$	${\ce {C + 2H2 ->[t, P, cat] CH4 ^}}$ ${\ce {C + 2F2 ->[>900{°}C]CF4))$	On mahdollista tuottaa metaania hiilestä rautaoksidien läsnä ollessa, mutta on paljon käytännöllisempää valmistaa metaania synteesikaasusta . Grafiitti ja amorfinen hiili alkavat reagoida vedyn kanssa lämpötilassa 1200 °C ja fluorin kanssa 900 °C:ssa [24] muodostaen freonia .
${\ce {Si}}$	${\ce {C + Si ->[t] SiC}}$	Sulattaessa saadaan piikarbidia .
${\ce {N2))$	${\näyttötyyli {\ce {2C + N2 ->[t] (CN)2))}$	Kun sähköpurkaus johdetaan hiilielektrodien väliin typpiatmosfäärissä, muodostuu syanidia . Korkeissa lämpötiloissa saattamalla hiilen reagoimaan H2: n ja N2 : n seoksen kanssa syaanivetyhappoa saadaan : ${\ce {NH3 + CH4 ->[Pt] HCN + 3H2 ^}}$ Syaania saadaan samalla reaktiolla. ${\näyttötyyli {\ce {2NH3 + 2CH4 ->[Pt] (CN)2 + 7H2 ^}}}$
${\ce {P}}$	Ei reagoi

Grafiitti muodostaa inkluusioyhdisteitä halogeenien , alkalimetallien ja muiden aineiden kanssa .

Reaktiot monimutkaisten aineiden kanssa

Yhtälö	Kuvaus
${\näyttötyyli {\ce {C + H2O ->[t] CO ^ + H2 ^))}$	Teollisuudessa tärkeää on hiilen reaktio höyryn kanssa synteesikaasun tuottamiseksi.
${\näyttötyyli {\ce {3C + S + 2KNO3 ->[t] K2S + 3CO2 ^ + N2 ^))}$	Palavaa mustaa jauhetta.
${\ce {5C + 4KNO3 -> 2K2CO3 + 3CO2 ^ + 2N2 ^}}$ ${\ce {C + 2KNO3 -> 2KNO2 + CO2 ^}}$	Kaliumnitraatilla hiilellä on pelkistäviä ominaisuuksia.
${\ce {3C + BaSO4 -> BaS + 2CO ^ + CO2 ^))$	Palauttaa bariumsulfaatin
${\näyttötyyli {\ce {C + M_{x}O_{y}->[t] M + CO ^))}$ ${\ce {3C + CaO ->[2500{°}C] CaC2 + CO ^}}$	Sulautuessaan hiili pelkistää metallioksidit metalleiksi. Tätä ominaisuutta käytetään laajalti metallurgisessa teollisuudessa .

Useimmissa metalleissa hiili muodostaa karbideja , esimerkiksi:

{\ce {4Al + 3C ->[t]Al4C3}}

(metanidi)

{\ce {Ca + 2C ->[t] CaC2))

(asetylenidi)

Orgaaniset yhdisteet

Hiilen kyky muodostaa polymeeriketjuja synnyttää valtavan luokan hiilipohjaisia yhdisteitä, joita on paljon enemmän kuin epäorgaanisia ja jotka ovat orgaanisen kemian tutkimusta . Niistä laajimmat ryhmät ovat: hiilivedyt , proteiinit , rasvat , hiilihydraatit jne.

Hiiliyhdisteet muodostavat maanpäällisen elämän perustan, ja niiden ominaisuudet määräävät suurelta osin olosuhteet, joissa tällaisia elämänmuotoja voi esiintyä. Elävien solujen atomien lukumäärällä mitattuna hiilen osuus on noin 25%, massaosuudessa - noin 18%.

Sovellus

Grafiittia käytetään kynäteollisuudessa, mutta se on sekoitettu saveen pehmeyden vähentämiseksi. Sitä käytetään myös voiteluaineena erityisen korkeissa tai matalissa lämpötiloissa. Sen uskomattoman korkea sulamispiste mahdollistaa sen valmistamisen upokkaiksi metallien kaatamiseen. Grafiitin kyky johtaa sähköä mahdollistaa myös korkealaatuisten elektrodien valmistamisen siitä.

Poikkeuksellisen kovuutensa ansiosta timantti on korvaamaton hankaava materiaali . Porakoneiden hiontasuuttimissa on timanttipinnoite. Lisäksi fasetoituja timantteja - briljantteja - käytetään jalokivinä koruissa . Harvinaisuutensa, korkeiden koristeellisten ominaisuuksiensa ja historiallisten olosuhteiden yhdistelmän vuoksi timantti on poikkeuksetta kallein jalokivi. Timantin poikkeuksellisen korkea lämmönjohtavuus (jopa 2000 W/m K) tekee siitä lupaavan materiaalin puolijohdeteknologiassa prosessorien substraatteina . Mutta timanttien louhinnan suhteellisen korkeat kustannukset (97,47 dollaria karaatilta [ 25] ) ja timanttien käsittelyn monimutkaisuus rajoittavat sen käyttöä tällä alueella.

Farmakologiassa ja lääketieteessä käytetään laajalti erilaisia hiiliyhdisteitä: hiilihapon ja karboksyylihappojen johdannaisia, erilaisia heterosyklejä , polymeerejä ja muita yhdisteitä. Joten karboleenia (aktiivihiiltä) käytetään erilaisten myrkkyjen imemiseen ja poistamiseen kehosta; grafiitti (voiteiden muodossa) - ihosairauksien hoitoon; hiilen radioaktiiviset isotoopit - tieteelliseen tutkimukseen ( radiohiilianalyysi ).

Hiilellä on valtava rooli ihmisen elämässä. Sen sovellukset ovat yhtä monipuolisia kuin tämä monipuolinen elementti itse. Erityisesti hiili on kiinteä osa terästä (jopa 2,14 painoprosenttia) ja valuraudaa (yli 2,14 painoprosenttia).

Hiili on kaikkien orgaanisten aineiden perusta. Jokainen elävä organismi koostuu suurelta osin hiilestä. Hiili on elämän perusta. Elävien organismien hiilen lähde on yleensä ilmakehästä tai vedestä peräisin oleva CO 2 . Fotosynteesin seurauksena se joutuu biologisiin ravintoketjuihin, joissa elävät olennot syövät toisiaan tai toistensa jäännöksiä ja uuttavat siten hiiltä rakentaakseen oman kehonsa. Hiilen biologinen kierto päättyy joko hapettumiseen ja palautumiseen ilmakehään tai loppusijoitukseen hiilen tai öljyn muodossa.

Hiili fossiilisten polttoaineiden muodossa: kivihiili ja hiilivedyt ( öljy , maakaasu ) on yksi ihmiskunnan tärkeimmistä energianlähteistä .

Myrkyllinen vaikutus

Hiili pääsee ympäristöön osana moottoriajoneuvojen pakokaasuja, kun hiiltä poltetaan lämpövoimalaitoksilla , kivihiilen avolouhintaan, maanalaiseen kaasutukseen, hiilirikasteiden saamiseen jne. Hiilipitoisuus polttolähteiden yli on 100– 400 µg/m 15,9 µg/m³, maaseudulla 0,5–0,8 µg/m³. Ydinvoimalaitosten kaasu- ja aerosolipäästöjen myötä ilmakehään pääsee (6–15)⋅10 9 Bq/vrk 14 CO 2 .

Ilmakehän aerosolien korkea hiilipitoisuus lisää väestön, erityisesti ylempien hengitysteiden ja keuhkojen , ilmaantuvuutta . Ammattitaudit ovat pääasiassa antrakoosi ja pölykeuhkoputkentulehdus . Työalueen ilmassa MPC, mg/m³: timantti 8,0, antrasiitti ja koksi 6,0, kivihiili 10,0, hiilimusta ja hiilipöly 4,0; ilmakehän ilmassa maksimi kertaluonteinen 0,15, keskimääräinen päivittäinen 0,05 mg / m³.

Biologisiin molekyyleihin (erityisesti DNA :ssa ja RNA: ssa) kuuluvan 14 C:n myrkyllisen vaikutuksen määrää sen säteilyvuorovaikutus β-hiukkasten kanssa ( 14 C (β) → 14 N), mikä johtaa kemiallisen koostumuksen muutokseen. molekyylistä. Sallittu pitoisuus 14 C työalueen ilmassa DK A 1,3 Bq/l, ilmakehän ilmassa DK B 4,4 Bq/l, vedessä 3,0⋅10 4 Bq/l, suurin sallittu saanti hengityselimistö on 3,2 ⋅10 8 Bq/vuosi.

Katso myös

Kommentit

↑ Atomimassaarvojen vaihteluväli on osoitettu johtuen isotooppien jakautumisen heterogeenisyydestä luonnossa.

Muistiinpanot

↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Alkuaineiden atomipainot 2011 (IUPAC Technical Report ) // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Vol. 85 , no. 5 . - s. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
↑ Hiiliatomin suhteellinen elektronegatiivisuus riippuu sen hybridisaation tilasta :
C sp 3 \u003d 2,5 (useimmissa taulukoissa)
C sp 2 \u003d 2,8
C sp 1 \u003d 3,2 (alkyynit)
Zurabyan S. E., Kolesnik Yu. A. A. , Kost A. A. ja muut / toim. N. A. Tyukavkina. Atomien keskinäinen vaikutus molekyylissä // Orgaaninen kemia: Oppikirja (Oppikirja. Lit. Farmaseuttisten oppilaitosten opiskelijoille). - M .: Lääketiede , 1989. - T. 1. - S. 36. - 432 s. - ISBN 5-225-00314-1 .
↑ Hiili : Binääriyhdisteet . Haettu: 6. joulukuuta 2007.
↑ Fourier-muunnosspektroskopia suihkujäähdytetyn CCI-vapaan radikaalin elektronisesta siirtymisestä (englanniksi) (linkki ei saatavilla) . Haettu 6. joulukuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 16. helmikuuta 2008.
↑ CP-järjestelmän Fourier-muunnosspektroskopia (englanniksi) (linkki ei saatavilla) . Haettu 6. joulukuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 16. helmikuuta 2008.
↑ 1 2 Savvatimskiy, A (2005). "Grafiitin sulamispisteen ja nestemäisen hiilen ominaisuuksien mittaukset (katsaus vuosille 1963–2003)". hiiltä . 43 (6): 1115–1142. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027
↑ Chemical Encyclopedia / Toimituslautakunta: Knunyants I. L. et al. - M. : Soviet Encyclopedia, 1988. - T. 1. - 623 s.
↑ Chemnet. Hiili: alkuaineen löytämisen historia. . (määrätön)
↑ Leipunsky O.I. Keinotekoisista timanteista // Advances in Chemistry . - Venäjän tiedeakatemia , 1939. - Numero. 8 . - S. 1519-1534 . (Venäjän kieli)
↑ Sinetti M. Pintaorientaation vaikutus timantin grafitoitumiseen. // Phys. stat. Sol., 1963, v. 3, s. 658.
↑ Evans T. Diamondin korkean lämpötilan käsittelyn tuottamat muutokset. // Timantin ominaisuudet. Academy Press, 1979, s. 403-424.
↑ Andreev V.D. Timantin spontaani grafitoituminen ja terminen tuhoutuminen lämpötilassa T > 2000 K // Solid State Physics, 1999, v. 41, no. 4, s. 695-201.
↑ Togaya M. Hiilen sulamiskäyttäytyminen korkean paineen alla // High Pressure Research, 1990, v. 4, s. 342. (12 AIRAPT Conf. Proc., 1989, Padeborn).
↑ Andreev V.D. Kokeellisia tietoja timantin ja grafiitin sulamisesta, ottaen huomioon poikkeava korkean lämpötilan lämpökapasiteetti // Chemical Physics, 2002, v. 21, nro 9, s. 3-11.
↑ Andreev V.D. Valitut teoreettisen fysiikan ongelmat . - Kiova: Outpost-Prim. – 2012.
↑ 1 2 A. M. Kondratyev, A. D. Rakhel. Grafiitin sulamisviiva // Physical Review Letters. - 03-05-2019 - T. 122 , no. 17 . - S. 175702 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.122.175702 .
↑ Venäläiset fyysikot tutkivat ensimmäisenä nestemäisen hiilen ominaisuuksia . RIA Novosti (14.5.2019). Käyttöönottopäivä: 14.5.2019. (Venäjän kieli)
↑ Tiedemiehet tutkivat ensin nestemäisen hiilen ominaisuuksia fysikaalisessa kokeessa . TASS . Käyttöönottopäivä: 14.5.2019. (Venäjän kieli)
↑ Nestemäisen hiilen ominaisuuksia tutkittiin ensimmäistä kertaa . Indikaattori.ru. Käyttöönottopäivä: 14.5.2019. (määrätön)
↑ VI Kasatotshkin, AM Sladkov et ai., Dokl. Akad. Nauk SSSR, 177, no. 2, 358 (1967).
↑ ArXiv.org Katharina Kaiser, Lorel M. Scriven, Fabian Schulz, Przemyslaw Gawel, Leo Gross, Harry L. Anderson 19. elokuuta 2019 Sp-hybridisoitu molekyylihiilen allotrooppi, syklo[18- hiili]
↑ Maxim Abaev. Hiilirengas // Tiede ja elämä . - 2019. - Nro 9 . - S. 63 . (Venäjän kieli)
↑ William F McDonough The composition of the Earth Arkistoitu 28. syyskuuta 2011. artikkelissa Earthquake Thermodynamics and Phase Transformation in the Earth 's Interior . - 2000. - ISBN 978-0126851854 .
↑ R. A. Lidin. Epäorgaanisten aineiden kemialliset ominaisuudet. - Kolmanneksi. - 2004. - S. 100. - 162 s.
↑ Venäjän federaation valtiovarainministeriö. Venäjän valtiovarainministeriö: Venäjä Kimberleyn prosessissa. Timanttikaivostoiminta Venäjän federaatiossa 1.1.2003 alkaen . minfin.ru (27. helmikuuta 2015). — Tilastotiedot luonnontimanttien louhinnasta 1.1.2003–31.12.2014, perustuvat lajittelun ja alustavan arvioinnin tuloksiin. Haettu: 28.6.2015. (määrätön)

Kirjallisuus

Berezkin V. I. Hiili: suljetut nanohiukkaset, makrorakenteet, materiaalit . - Pietari: ARTEGO, 2013. - 450 s. — ISBN 978-5-91014-051-0
Bukharkina T. V. Luonnollisten energian kantajien ja hiilimateriaalien kemia / T. V. Bukharkina, N. G. Digurov. - M . : RKhTU im. DI. Mendelejev, 1999. - 195 s. — ISBN 5-7237-0139-8 .
Ola D.A. Hypercoordinated carbon chemistry = Hupercarbon chemistry / Ola J., Prakash G.K.S., Williams R.E. jne. Käännös englannista. IN JA. Minkin. - M .: Mir, 1990. - 336 s. — ISBN 5-03-001451-9 .
Sladkov A.M., Kudryavtsev Yu.P. Timantti, grafiitti, karbiini ovat hiilen allotrooppisia muotoja // Priroda. 1969. Nro 5. - s. 37-44.
Kirk - Othmer encyclopedia, 3 painos, osa 4, N.-Y., 1978, s. 556-709.
Saranchuk V. I., Oshovsky V. V., Vlasov G. O. Palavien kopaliinien kemia ja fysiikka. - Donetsk: Skhіdniy vydavnichiy dіm , 2003. 204 s.

Robert Hazen. Sinfonia nro 6 Hiili ja melkein kaiken kehitys = Robert M. Hazen. Sinfonia in C: Hiili ja (melkein) kaiken kehitys / Anastasia Naumenko. - M . : Alpina tietokirjallisuus, 2021. - 410 s. - ISBN 978-5-00139-283-5 .

Linkit

Hiili Webelementeissä
Hiili suositussa kemiallisten elementtien kirjastossa
Carbon Information Arkistoitu 21. tammikuuta 2011 Wayback Machinessa
Aleksei Sladkovin hiili _ _ _ _
Sladkov A. M. Karbin - hiilen kolmas allotrooppinen muoto: Monografia (toim. Bubnov Yu. N.)

Hiilen allotropia
sp 3	Timantti Lonsdaleite
sp 2	Grafiitti Grafeeni fullereeni Nanokonit Nanoputket Astralens
sp	Karbiini
sekoitettu sp 3 /sp 2	lasimainen hiili nanovaahtoa
muu	C1_ _ C2_ _ C3_ _ Nanokuituja fulleriitti
hypoteettinen	metallista hiiltä Chaoite
liittyvät	Noki Hiilenmusta Hiili ( fossiili Woody aktivoitu )

Hiilen isotoopit
Epävakaa (alle päivä): 8 C: hiili-8 , 9 C: hiili-9 , 10 C: hiili-10 , 11 C: hiili-11 Stabiili: 12 C: Hiili-12 , 13 C: Hiili-13 10-10 000 vuotta: 14 C: Hiili-14 Epästabiili (alle päivä) : 15 C: Hiili-15 , 16 C: Hiili-16 , 17 C: Hiili-17 , 18 C: Hiili-18 , 19 C: Hiili-19 , 20 C: Hiili-20 , 21 C: Hiili-21 , 22 C: Hiili-22
Katso myös. Hiili , Nukliditaulukko