Karbon adalah Sebuah atom karbon. massa karbon

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 05:30

Salah satu unsur paling menakjubkan yang dapat membentuk berbagai macam senyawa alam organik dan anorganik adalah karbon. Elemen ini sangat tidak biasa dalam sifat-sifatnya sehingga Mendeleev bahkan meramalkan masa depan yang hebat untuknya, berbicara tentang fitur yang belum diungkapkan.

Kemudian praktis dikonfirmasi. Diketahui bahwa itu adalah elemen biogenik utama planet kita, yang merupakan bagian dari semua makhluk hidup. Selain itu, mampu eksis dalam bentuk yang sangat berbeda dalam segala hal, tetapi pada saat yang sama hanya terdiri dari atom karbon.

Secara umum, struktur ini memiliki banyak fitur, dan kami akan mencoba mengatasinya dalam artikel ini.

Karbon: rumus dan posisi dalam sistem unsur

Dalam sistem periodik, unsur karbon terletak pada golongan IV (menurut model baru pada 14), subgrup utama. Nomor serinya adalah 6, dan berat atomnya adalah 12,011. Penunjukan unsur dengan tanda C menunjukkan namanya dalam bahasa Latin - carboneum. Ada beberapa bentuk berbeda di mana karbon ada. Oleh karena itu formulanya berbeda dan tergantung pada modifikasi spesifik.

Namun, untuk menulis persamaan reaksi, notasinya spesifik,tentu saja memiliki. Secara umum, ketika berbicara tentang suatu zat dalam bentuk murni, rumus molekul karbon C diadopsi, tanpa pengindeksan.

Riwayat penemuan elemen

Elemen ini sendiri sudah dikenal sejak jaman dahulu. Bagaimanapun, salah satu mineral terpenting di alam adalah batu bara. Oleh karena itu, bagi orang Yunani kuno, Romawi, dan bangsa lain, dia bukanlah rahasia.

Selain varietas ini, berlian dan grafit juga digunakan. Ada banyak situasi membingungkan dengan yang terakhir untuk waktu yang lama, karena seringkali, tanpa analisis komposisi, senyawa tersebut diambil untuk grafit, seperti:

• timbal perak;
• besi karbida;
• molibdenum sulfida.

Semuanya dicat hitam dan karena itu dianggap grafit. Kemudian, kesalahpahaman ini menjadi jelas, dan bentuk karbon ini menjadi dirinya sendiri.

Sejak tahun 1725, berlian memiliki kepentingan komersial yang besar, dan pada tahun 1970, teknologi untuk mendapatkannya secara artifisial telah dikuasai. Sejak 1779, berkat karya Karl Scheele, sifat-sifat kimia yang dipamerkan karbon telah dipelajari. Ini adalah awal dari serangkaian penemuan penting di bidang elemen ini dan menjadi dasar untuk menemukan semua fitur yang paling unik.

Isotop karbon dan distribusinya di alam

Meskipun unsur yang dimaksud adalah salah satu biogenik terpenting, kandungan totalnya dalam massa kerak bumi adalah 0,15%. Hal ini disebabkan fakta bahwa ia mengalami sirkulasi konstan, siklus alami di alam.

Secara umum, ada beberapasenyawa mineral yang mengandung karbon. Ini adalah keturunan alami seperti:

• dolomit dan batugamping;
• antrasit;
• minyak serpih;
• gas alam;
• batubara;
• minyak;
• lignite;
• gambut;
• aspal.

Selain itu, kita tidak boleh melupakan makhluk hidup, yang hanya merupakan penyimpan senyawa karbon. Bagaimanapun, mereka membentuk protein, lemak, karbohidrat, asam nukleat, yang berarti molekul struktural paling vital. Secara umum, dalam konversi berat badan kering dari 70 kg, 15 jatuh pada elemen murni. Begitu pula dengan setiap orang, tidak terkecuali hewan, tumbuhan, dan makhluk lainnya.

Jika kita mempertimbangkan komposisi udara dan air, yaitu hidrosfer secara keseluruhan dan atmosfer, maka ada campuran karbon-oksigen, yang dinyatakan dengan rumus CO_{2. Dioksida atau karbon dioksida adalah salah satu gas utama yang menyusun udara. Dalam bentuk inilah fraksi massa karbon adalah 0,046%. Bahkan lebih banyak karbon dioksida terlarut di perairan lautan.}

Massa atom karbon sebagai suatu unsur adalah 12,011 Diketahui bahwa nilai ini dihitung sebagai rata-rata aritmatika antara berat atom semua spesies isotop yang ada di alam, dengan mempertimbangkan prevalensinya (sebagai persentase). Hal ini juga berlaku untuk zat yang dimaksud. Ada tiga isotop utama di mana karbon ditemukan. Ini adalah:

• ¹²С - fraksi massanya sebagian besar adalah 98,93%;
• ¹³C -1,07%;
• ¹⁴C - radioaktif, waktu paruh 5700 tahun, pemancar beta stabil.

Dalam praktik penentuan usia geokronologis sampel, isotop radioaktif ¹⁴С banyak digunakan, yang merupakan indikator karena periode peluruhannya yang panjang.

Modifikasi alotropik suatu elemen

Karbon adalah unsur yang ada sebagai zat sederhana dalam beberapa bentuk. Artinya, ia mampu membentuk jumlah modifikasi alotropik terbesar yang dikenal saat ini.

1. Variasi kristal - ada dalam bentuk struktur kuat dengan kisi tipe atom biasa. Grup ini mencakup varietas seperti:

• berlian;
• fulerene;
• grafit;
• karabin;
• lonsdaleites;
• serat karbon dan tabung.

Semuanya berbeda dalam struktur kisi kristal, di mana ada atom karbon di simpulnya. Oleh karena itu, sifat-sifat yang benar-benar unik dan berbeda, baik fisik maupun kimia.

2. Bentuk amorf - mereka dibentuk oleh atom karbon, yang merupakan bagian dari beberapa senyawa alami. Artinya, ini bukan varietas murni, tetapi dengan kotoran elemen lain dalam jumlah kecil. Grup ini termasuk:

• karbon aktif;
• batu dan kayu;
• jelaga;
• karbon nanofoam;
• antrasit;
• karbon kaca;
• jenis zat teknis.

Mereka juga disatukan oleh fiturstruktur kisi kristal, menjelaskan dan memanifestasikan sifat.

3. Senyawa karbon berbentuk cluster. Struktur seperti itu, di mana atom ditutup dalam lubang konformasi khusus dari dalam, diisi dengan air atau inti elemen lain. Contoh:

• karbon nanocone;
• astralens;
• dikarbon.

Sifat fisik karbon amorf

Karena variasi modifikasi alotropik yang luas, sulit untuk mengidentifikasi sifat fisik umum untuk karbon. Lebih mudah untuk berbicara tentang bentuk tertentu. Sebagai contoh, karbon amorf memiliki ciri-ciri sebagai berikut.

1. Inti dari semua bentuk adalah jenis grafit kristal halus.
2. Kapasitas panas tinggi.
3. Sifat konduktif yang baik.
4. Kerapatan karbon sekitar 2 g/cm³.
5. Saat dipanaskan di atas 1600 ⁰C, terjadi transisi ke bentuk grafit.

Jelaga, arang dan varietas batu banyak digunakan untuk keperluan industri. Mereka bukan merupakan manifestasi dari modifikasi karbon dalam bentuk murni, tetapi mengandung dalam jumlah yang sangat besar.

Kristal karbon

Ada beberapa pilihan di mana karbon adalah zat yang membentuk kristal biasa dari berbagai jenis, di mana atom dihubungkan secara seri. Hasilnya, modifikasi berikut terbentuk.

1. Berlian. Strukturnya kubik, di mana empat tetrahedra terhubung. Akibatnya, semua ikatan kimia kovalen dari setiap atommaksimal jenuh dan tahan lama. Ini menjelaskan sifat fisik: densitas karbon adalah 3300 kg/m³. Kekerasan tinggi, kapasitas panas rendah, kurangnya konduktivitas listrik - semua ini adalah hasil dari struktur kisi kristal. Ada berlian yang diperoleh secara teknis. Mereka terbentuk selama transisi grafit ke modifikasi berikutnya di bawah pengaruh suhu tinggi dan tekanan tertentu. Secara umum, titik leleh berlian setinggi kekuatannya - sekitar 3500 ⁰C.
2. Grafit. Atom-atom disusun mirip dengan struktur zat sebelumnya, tetapi hanya tiga ikatan yang jenuh, dan ikatan keempat menjadi lebih panjang dan kurang kuat, menghubungkan "lapisan" cincin heksagonal kisi. Hasilnya, ternyata grafit adalah zat hitam yang lembut dan berminyak saat disentuh. Ini memiliki konduktivitas listrik yang baik dan memiliki titik leleh yang tinggi - 3525 ⁰C. Mampu sublimasi - sublimasi dari keadaan padat ke keadaan gas, melewati keadaan cair (pada suhu 3700 ⁰С). Kepadatan karbon adalah 2,26 g/cm^3, yang jauh lebih rendah daripada berlian. Ini menjelaskan sifat mereka yang berbeda. Karena struktur kisi kristal yang berlapis, dimungkinkan untuk menggunakan grafit untuk pembuatan timah pensil. Saat digesek di atas kertas, serpihannya terkelupas dan meninggalkan bekas hitam di kertas.
3. Fullerene. Mereka dibuka hanya pada tahun 80-an abad terakhir. Mereka adalah modifikasi di mana karbon saling berhubungan dalam struktur tertutup cembung khusus, yang memiliki pusatkekosongan. Dan bentuk kristal - polihedron, organisasi yang benar. Jumlah atomnya genap. Bentuk fullerene yang paling terkenal adalah ₆₀. Sampel zat serupa ditemukan selama penelitian:

• meteorit;
• sedimen dasar;
• folgurite;
• shungite;
• luar angkasa, di mana mereka terkandung dalam bentuk gas.

Semua jenis karbon kristal memiliki kepentingan praktis yang besar, karena mereka memiliki sejumlah sifat yang berguna dalam rekayasa.

Reaktivitas

Karbon molekuler menunjukkan reaktivitas rendah karena konfigurasinya yang stabil. Itu dapat dipaksa untuk masuk ke dalam reaksi hanya dengan memberikan energi tambahan ke atom dan memaksa elektron dari tingkat terluar untuk menguap. Pada titik ini, valensi menjadi 4. Oleh karena itu, dalam senyawa, ia memiliki keadaan oksidasi + 2, + 4, - 4.

Hampir semua reaksi dengan zat sederhana, baik logam maupun non-logam, berlangsung di bawah pengaruh suhu tinggi. Unsur yang dimaksud dapat menjadi zat pengoksidasi dan zat pereduksi. Namun, sifat yang terakhir sangat menonjol di dalamnya, dan ini adalah dasar untuk penggunaannya dalam industri metalurgi dan lainnya.

Secara umum, kemampuan untuk melakukan interaksi kimia bergantung pada tiga faktor:

• dispersi karbon;
• modifikasi alotropik;
• suhu reaksi.

Jadi, dalam beberapa kasus ada interaksi dengan berikutzat:

• nonlogam (hidrogen, oksigen);
• logam (aluminium, besi, kalsium, dan lainnya);
• oksida logam dan garamnya.

Tidak bereaksi dengan asam dan basa, sangat jarang dengan halogen. Sifat terpenting dari karbon adalah kemampuannya untuk membentuk rantai panjang satu sama lain. Mereka dapat menutup dalam satu siklus, membentuk cabang. Beginilah cara pembentukan senyawa organik, yang saat ini jumlahnya jutaan. Dasar dari senyawa ini adalah dua elemen - karbon, hidrogen. Atom lain juga dapat dimasukkan: oksigen, nitrogen, belerang, halogen, fosfor, logam, dan lainnya.

Senyawa utama dan karakteristiknya

Ada banyak senyawa berbeda yang mengandung karbon. Rumus yang paling terkenal di antaranya adalah CO₂ - karbon dioksida. Namun, selain oksida ini, ada juga CO - monoksida atau karbon monoksida, serta suboksida C₃O₂.

Di antara garam yang mengandung unsur ini, yang paling umum adalah kalsium dan magnesium karbonat. Jadi, kalsium karbonat memiliki beberapa sinonim dalam namanya, karena itu terjadi di alam dalam bentuk:

• kapur;
• marmer;
• batu kapur;
• dolomit.

Pentingnya karbonat logam alkali tanah dimanifestasikan dalam fakta bahwa mereka adalah peserta aktif dalam pembentukan stalaktit dan stalagmit, serta air tanah.

Asam karbonat adalah senyawa lain yang membentuk karbon. rumusnya adalahH₂CO₃. Namun, dalam bentuknya yang biasa, ia sangat tidak stabil dan segera terurai menjadi karbon dioksida dan air dalam larutan. Oleh karena itu, hanya garamnya yang diketahui, dan bukan dirinya sendiri, sebagai solusi.

Karbon halida - diperoleh terutama secara tidak langsung, karena sintesis langsung hanya terjadi pada suhu yang sangat tinggi dan dengan hasil produk yang rendah. Salah satu yang paling umum - CCL₄ - karbon tetraklorida. Senyawa beracun yang dapat menyebabkan keracunan jika terhirup. Diperoleh dari reaksi substitusi fotokimia radikal atom hidrogen dalam metana.

Karbida logam adalah senyawa karbon yang menunjukkan keadaan oksidasi 4. Hal ini juga memungkinkan untuk berasosiasi dengan boron dan silikon. Sifat utama karbida dari beberapa logam (aluminium, tungsten, titanium, niobium, tantalum, hafnium) adalah kekuatan tinggi dan konduktivitas listrik yang sangat baik. Boron karbida ₄С adalah salah satu zat terkeras setelah intan (9,5 menurut Mohs). Senyawa ini digunakan dalam rekayasa, serta dalam industri kimia, sebagai sumber untuk produksi hidrokarbon (kalsium karbida dengan air mengarah pada pembentukan asetilena dan kalsium hidroksida).

Banyak paduan logam dibuat menggunakan karbon, sehingga secara signifikan meningkatkan kualitas dan karakteristik teknisnya (baja adalah paduan besi dan karbon).

Perhatian khusus layak mendapatkan banyak senyawa organik karbon, di mana karbon adalah elemen fundamental yang mampu bergabung dengan atom yang sama menjadi rantai panjang dengan berbagai struktur. Ini termasuk:

• alkana;
• alkena;
• arena;
• protein;
• karbohidrat;
• asam nukleat;
• alkohol;
• asam karboksilat dan banyak kelas zat lainnya.

Penggunaan karbon

Pentingnya senyawa karbon dan modifikasi alotropiknya dalam kehidupan manusia sangat tinggi. Anda dapat menyebutkan beberapa industri paling global untuk memperjelas bahwa ini benar.

1. Elemen ini membentuk semua jenis bahan bakar fosil dari mana seseorang menerima energi.
2. Industri metalurgi menggunakan karbon sebagai reduktor terkuat untuk mendapatkan logam dari senyawanya. Karbonat juga banyak digunakan di sini.
3. Konstruksi dan industri kimia mengkonsumsi sejumlah besar senyawa karbon untuk mensintesis zat baru dan mendapatkan produk yang diperlukan.

Anda juga dapat menyebutkan sektor-sektor ekonomi seperti:

• industri nuklir;
• perhiasan;
• peralatan teknis (pelumas, wadah tahan panas, pensil, dll.);
• penentuan umur geologi batuan - pelacak radioaktif ¹⁴С;
• karbon adalah adsorben yang sangat baik, yang membuatnya cocok untuk membuat filter.

Sirkulasi di alam

Massa karbon yang ditemukan di alam termasuk dalam siklus konstan yang berputar setiap detik di seluruh dunia. Dengan demikian, sumber karbon atmosfer - CO₂, diseraptumbuhan dan dikeluarkan oleh semua makhluk hidup dalam proses respirasi. Begitu berada di atmosfer, ia diserap lagi, sehingga siklusnya tidak berhenti. Pada saat yang sama, kematian residu organik menyebabkan pelepasan karbon dan akumulasinya di bumi, yang kemudian diserap kembali oleh organisme hidup dan dilepaskan ke atmosfer dalam bentuk gas.