HIILI: OMINAISUUDET, RAKENNE, SAAMINEN, KÄYTTÖ - KEMIA - 2026

Hiili on ei - metallinen alkuaine, jonka kemiallinen symboli C. nimetty hiiltä, kasvi- tai mineraali-, jossa sen atomit määritellä eri rakenteita. Monet kirjoittajat määrittelevät sen alkuaineiden kuninkaaksi, koska se muodostaa laajan valikoiman orgaanisia ja epäorgaanisia yhdisteitä ja esiintyy myös huomattavassa määrässä allotrooppeja.

Ja jos tämä ei riitä viitaamaan siihen erityiseen elementtiin, sitä löytyy kaikista elävistä olennoista; kaikki sen biomolekyylit johtuvat olemassaolostaan ​​CC-sidosten vakauteen ja lujuuteen sekä niiden suureen taipumukseen ketjuttua. Hiili on elämän osa, ja atomien kanssa heidän ruumiinsa ovat rakennettu.

Puiden puu koostuu pääasiassa hiilihydraateista, joka on yksi monista monista hiilihapollisista yhdisteistä. Lähde: Pexels.

Orgaaniset yhdisteet, joiden kanssa biomateriaalit on rakennettu, koostuvat käytännössä hiilen luurankoista ja heteroatomista. Ne voidaan nähdä paljaalla silmällä puiden puussa; ja myös, kun salama iskee heihin ja paistaa heitä. Jäljelle jäävässä inertissä mustassa kiinteässä aineessa on myös hiiltä; mutta se on hiiltä.

Siksi tällä elementillä on "kuolleita" oireita: puuhiili, palamistuote hapeissa ympäristöissä; ja mineraalihiili, geologisten prosessien tuote. Molemmat kiintoaineet näyttävät samanlaisilta, ne ovat mustia ja palavat lämmön ja energian tuottamiseksi; tosin eri satoilla.

Tästä hetkestä lähtien hiili on maan kuoren 15. runsaimmin alkuaine. Ei ihme, kun vuosittain tuotetaan miljoonia tonneja hiiltä. Nämä mineraalit eroavat ominaisuuksistaan ​​epäpuhtauksien asteesta riippuen, ansiosta antrasiitti on korkealaatuisin mineraalihiili.

Maapallonkuoressa ei ole vain mineraalihiilen rikasa, vaan myös karbonaatteja, erityisesti kalkkikiveä ja dolomiiteja. Ja universumin suhteen se on neljänneksi runsas elementti; Tarkoitan, että muilla planeetoilla on enemmän hiiltä.

Hiilihistoria

Retrospect

Hiili voi olla yhtä vanha kuin itse maankuori. Muinaisista ajoista lähtien muinaiset sivilisaatiot ovat kohdanneet tämän elementin sen monissa luonnollisissa esittelyissä: noki, puuhiili, puuhiili, puuhiili, timantit, grafiitti, kivihiiliterva, antrasiitti jne.

Kaikki nämä kiinteät aineet, vaikka niillä oli yhteiset tummat sävyt (timanttia lukuun ottamatta), muut fysikaaliset ominaisuudet samoin kuin koostumus erottuivat huomattavasti. Tuolloin oli mahdotonta väittää, että ne koostuivat pääasiassa hiiliatomeista.

Näin ollen kivihiili luokiteltiin historiansa aikana sen laadun mukaan poltto- ja lämmöntuottohetkellä. Ja palaessaan muodostuvien kaasujen kanssa vesimassat lämmitettiin, mikä puolestaan ​​tuotti höyryjä, jotka liikuttivat turbiineja, jotka tuottivat sähkövirtauksia.

Hiiltä esiintyi epäilyttämällä tavalla puuhiilessä, jota syntyi polttamalla puita suljetuissa tai hermeettisissä tiloissa; grafiitissa, jolla lyijykynät tehtiin; jalokiviä koskevissa timanteissa; hän oli vastuussa teräksen kovuudesta.

Sen historia kulkee käsi kädessä puun, ruutin, kaupungin valaistuskaasujen, junien ja alusten, oluen, voiteluaineiden ja muiden ihmiskunnan edistymisen kannalta välttämättömien esineiden kanssa.

tunnustus

Missä vaiheessa tutkijat pystyivät yhdistämään hiilen allotrooppeja ja mineraaleja samaan alkuaineeseen? Hiiltä pidettiin mineraalina, eikä sitä ajateltu jaksollisen taulukon arvoiseksi kemialliseksi alkuaineeksi. Ensimmäisen vaiheen olisi pitänyt osoittaa, että kaikki nämä kiinteät aineet muuttuivat samaan kaasuun: hiilidioksidiin, CO _{2: een}.

Antoine Lavoisier vuonna 1772 keskittyi suurella linssillä varustetun puurungon avulla auringonsäteet hiili- ja timanttinäytteisiin. Hän havaitsi, että kumpikaan muodostettu vesihöyryn mutta CO ₂. Hän teki samoin noen kanssa ja sai samat tulokset.

Carl Wilhelm Scheele löysi vuonna 1779 hiilen ja grafiitin kemiallisen suhteen; ts. molemmat kiinteät aineet koostuivat samoista atomeista.

Smithson Tennant ja William Hyde Wollaston 1797 menetelmällisesti todennettujen (reaktioilla), että timantti on itse asiassa koostuu hiilestä tuotettaessa CO ₂ sen palamisen.

Näiden tulosten avulla valoa heitettiin pian grafiitille ja timanteille, hiilen muodostamille kiinteille aineille, ja siksi erittäin puhtaalle; toisin kuin hiilen ja muiden hiilipitoisten mineraalien epäpuhtaat kiinteät aineet.

ominaisuudet

Kiinteissä aineissa, mineraaleissa tai hiilipitoisissa aineissa olevat fysikaaliset tai kemialliset ominaisuudet ovat monien muuttujien alaisia. Niitä ovat: epäpuhtauksien koostumus tai aste, hiiliatomien hybridisaatiot, rakenteiden monimuotoisuus ja huokosten morfologia tai koko.

Kun kuvataan hiilen ominaisuuksia, suurin osa teksteistä tai bibliografisista lähteistä perustuu grafiittiin ja timantiin.

Miksi? Koska ne ovat tämän elementin tunnetuimmat allotroopit ja edustavat kiinteitä aineita tai erittäin puhtaita materiaaleja; toisin sanoen ne ovat käytännössä valmistettu vain hiiliatomeista (tosin eri rakenteilla, kuten seuraavassa osiossa selitetään).

Hiilen ja mineraalihiilen ominaisuudet eroavat alkuperästä tai koostumuksesta. Esimerkiksi ruskohiili (vähän hiiltä) indeksoi polttoaineena verrattuna antrasiitiin (korkea hiili). Entä muut allotroopit: nanoputket, fullereenit, grafeenit, graffiinit jne.

Kuitenkin, kemiallisesti niillä on yksi piste: ne hapettuvat ylimäärällä happea CO ₂:

C + O ₂ => CO ₂

Nopeus tai lämpötila, jota he tarvitsevat hapettukseen, ovat ominaisia ​​jokaiselle näistä allotropeista.

Grafiitti vs timantti

Tässä tehdään myös lyhyt kommentti näiden kahden allotroopin hyvin erilaisista ominaisuuksista:

Taulukko, jossa verrataan kahden hiilen kiteisen allotroopin joitain ominaisuuksia. Lähde: Gabriel Bolívar.

Rakenne ja elektroninen kokoonpano

hybridizations

Hybridiorbitaalien ja hiilen mahdollisten rakenteiden välinen suhde. Lähde: Gabriel Bolívar.

Hiiliatomin elektronikonfiguraatio on 1s ² 2s ² 2p ², kirjoitettu myös nimellä 2s ² 2p ² (yläkuva). Tämä esitys vastaa sen perustilaa: hiiliatomi eristetään ja suspendoidaan sellaiseen tyhjiöön, että se ei voi olla vuorovaikutuksessa muiden kanssa.

Nähdään, että yhdestä sen 2p-orbitaaleista puuttuu elektroneja, jotka hyväksyvät elektronin alemman energian 2s: n kiertoradalta elektronisen edistämisen avulla; ja siten, atomi saa kyvyn muodostaa jopa neljä kovalenttisia sidoksia kautta neljä sp ³ hybridi-orbitaalien.

Huomaa, että kaikki neljä sp ³ -orbitaalia ovat energian rappeutuneita (kohdistettu samalle tasolle). Puhtaat p-kiertoradat ovat energisempiä, minkä vuoksi ne sijoitetaan muiden hybridiratojen yläpuolelle (kuvan oikealla puolella).

Jos hybridiorbitaalia on kolme, se johtuu siitä, että yksi hybridisoitumaton p-orbitaali jää; siksi ne ovat kolme sp ² -orbitaalia. Ja kun näitä hybridiorbitaaleja on kaksi, käytettävissä on kaksi p-kiertorataa kaksois- tai kolmoissidosten muodostamiseksi, mikä on sp-hiilen hybridisaatio.

Tällaiset elektroniset näkökohdat ovat välttämättömiä ymmärtääksesi, miksi hiiltä löytyy allotroopien äärettömyydestä.

Hapetusnumerot

Ennen rakenteiden jatkamista on syytä mainita, että ottaen huomioon valenssin 2s ² 2p ² elektronikonfiguraation, hiilellä voi olla seuraavat hapetuslukut: +4, +2, 0, -2 ja -4.

Miksi? Nämä numerot vastaavat olettamusta, että on olemassa ioninen sidos, joka muodostaa ionit vastaavilla varauksilla; että on, C ⁴⁺, C ²⁺, C ⁰ (neutraali), C ^2- ja C- ^4-.

Jotta hiilellä olisi positiivinen hapetusluku, sen on hävitettävä elektronit; Ja tehdä niin, se on välttämättä sidottava hyvin sähköä negatiivisiin atomiin (kuten happea).

Samaan aikaan, jotta hiilellä olisi negatiivinen hapetusluku, sen on saatava elektroneja sitoutumalla metallisiin atomeihin tai vähemmän sähköään negatiivisia kuin se (kuten vety).

Ensimmäinen hapetusluku, +4, tarkoittaa, että hiili on menettänyt kaikki valenssielektroninsa; 2s ja 2p kiertoradat pysyvät tyhjinä. Jos 2p-kiertorata menettää kaksi elektroniaan, hiilen hapetusluku on +2; jos saat kaksi elektronia, sinulla on -2; ja jos saat kaksi muuta elektronia täyttämällä valenssikoktetin, -4.

esimerkit

Esimerkiksi, CO ₂ hapettumisen määrä hiiltä on +4 (koska happi on elektronegatiivinen); kun taas CH ₄, se on -4 (koska vety on vähemmän elektronegatiivinen).

CH ₃ OH, hapettumisen määrä hiiltä on -2 (+1 H ja -2 O); kun taas HCOOH: lla se on +2 (tarkista, että summa antaa 0).

Muut hapetustilat, kuten -3 ja +3, ovat myös todennäköisiä, etenkin kun kyse on orgaanisista molekyyleistä; esimerkiksi metyyliryhmien, -CH ₃.

Molekyylin geometriat

Yläkuva ei osoittanut vain orbitaalien hybridisaatiota hiiliatomille, vaan myös tuloksena saatuja molekyylin geometrioita, kun useita atomeja (mustia palloja) oli kytketty keskeiseen. Tällä keskusatomilla, jolla on tietty geometrinen ympäristö avaruudessa, on oltava vastaava kemiallinen hybridisaatio, joka sen sallii.

Esimerkiksi tetraedrin Keski hiili on sp ³ hybridisaatio; koska tällainen on vakain järjestely neljän sp ³ hybridi-orbitaalien. Sp ² -hiilien tapauksessa ne voivat muodostaa kaksoissidoksia ja niillä voi olla trigonaalitasoympäristö; ja niin nämä kolmiot määrittelevät täydellisen kuusikulmion. Ja sp-hybridisaatiossa hiilillä on lineaarinen geometria.

Siten kaikkien allotrooppien rakenteissa havaittuja geometrioita säätelevät yksinkertaisesti tetraedrat (sp ³), kuusikulmio tai viisikulma (sp ²) ja viivat (sp).

Tetrahedra määrittelee 3D-rakenteen, kun taas kuusikulmio, viisikulma ja viiva, 3D- tai 2D-rakenne; Viimeksi mainitut ovat hunajakennojen seiniin samanlaisia ​​tasoja tai arkkeja:

Seinä, jossa on hunajakennon kuusikulmainen malli, analogisesti sp2-hiileistä koostuvien koneiden kanssa. Lähde: Pixabay.

Ja jos taittamme tämän kuusikulmaisen seinän (viisikulmainen tai sekoitettu), saadaan putki (nanoputket) tai pallo (fullereenit) tai jokin muu luku. Näiden kuvioiden väliset vuorovaikutukset johtavat erilaisiin morfologioihin.

Amorfiset tai kiteiset kiinteät aineet

Jättämättä sivuun hiilen mahdollisten rakenteiden geometriat, hybridisaatiot tai morfologiat, sen kiinteät aineet voidaan luokitella globaalisti kahteen tyyppiin: amorfinen tai kiteinen. Ja näiden kahden luokituksen välillä jaetaan niiden allotrooppeja.

Amorfinen hiili on yksinkertaisesti sellainen, joka sisältää mielivaltaisen seoksen tetraedrejä, kuusikulmioita tai viivoja, jotka eivät pysty muodostamaan rakennekuviota; kuten hiili, puuhiili tai aktiivihiili, koksi, noki jne.

Vaikka kiteinen hiili koostuu rakenteellisista kuvioista, jotka koostuvat mistä tahansa ehdotetusta geometriasta; esimerkiksi timantti (kolmiulotteinen tetraedraverkko) ja grafiitti (pinotut kuusikulmaiset levyt).

Saada

Hiili voi olla puhdasta grafiittina tai timanttina. Niitä löytyy niiden vastaavista mineralogisista esiintymistä, jotka ovat hajallaan ympäri maailmaa ja eri maissa. Siksi jotkut maat vievät enemmän näitä mineraaleja kuin toiset. Lyhyesti sanottuna "sinun täytyy kaivaa maa" saadaksesi hiiltä.

Sama pätee mineraalihiileen ja sen tyyppeihin. Mutta tämä ei pidä paikkaansa hiilellä, koska hiilirikkaan elimen on ensin "hukkaantava" joko tulen alla tai sähköinen salama; tietysti ilman happea, muuten CO ₂ vapautuisi.

Koko metsä on hiilen lähde, kuten puuhiili; ei vain puidensa, vaan myös eläimistönsä vuoksi.

Yleensä hiiltä sisältävien näytteiden on tehtävä pyrolyysi (palaminen ilman happea), jotta osa epäpuhtauksista vapautuisi kaasuina; ja siten kiinteä hiilirikas (amorfinen tai kiteinen) jää jäännökseksi.

Sovellukset

Jälleen, kuten ominaisuudet ja rakenne, käyttö tai sovellukset ovat yhdenmukaisia ​​hiilen allotrooppien tai mineralogisten muotojen kanssa. Joidenkin tunnettujen kohtien lisäksi voidaan kuitenkin mainita tiettyjä yleisyyksiä. Tällaisia ​​ovat:

-Hiiltä on käytetty pitkään mineraaleja vähentävänä aineena puhtaiden metallien saamiseksi; esimerkiksi rauta, pii ja fosfori.

-Se on elämän kulmakivi, ja orgaaninen kemia ja biokemia ovat tämän pohdinnan tutkimuksia.

-Se on ollut myös fossiilista polttoainetta, joka antoi koneille mahdollisuuden aloittaa vaihde. Samalla tavalla siitä saatiin hiilikaasua vanhoille valaistusjärjestelmille. Hiili oli synonyymi valolle, lämmölle ja energialle.

- Sekoitettu lisäaineena rautaa eri suhteissa mahdollisti terästen keksimisen ja parantamisen.

- Sen musta väri tapahtui taiteessa, erityisesti grafiitti ja kaikki sen linjoilla tehdyt kirjoitukset.

Riskit ja varotoimet

Hiili ja sen kiinteät aineet eivät aiheuta terveysriskiä. Kuka on välittänyt pussista hiiltä? Niitä myydään droveina joidenkin markkinoiden käytävillä, ja niin kauan kuin lähistöllä ei ole tulta, niiden mustat lohkot eivät pala.

Koksi puolestaan ​​voi aiheuttaa riskin, jos sen rikkipitoisuus on korkea. Palaessaan se vapauttaa rikkipitoisia kaasuja, jotka ovat myrkyllisten lisäksi myös happosateessa. Ja vaikka CO ₂ pieninä määrinä voi tukahduttaa meitä, sillä ei ole suuri vaikutus ympäristöön kasvihuonekaasu.

Tästä näkökulmasta hiili on ”pitkäaikainen” vaara, koska sen palaminen muuttaa planeettamme ilmastoa.

Ja fysikaalisemmassa mielessä kiinteät tai hiilipitoiset materiaalit, jos ne jauhetaan, kuljetetaan helposti ilmavirtojen avulla; ja siten ne johdetaan suoraan keuhkoihin, mikä voi vahingoittaa niitä korjaamattomasti.

Muilta osin on hyvin yleistä kuluttaa "hiiltä", kun ruokaa keitetään.

Viitteet

1. Morrison, RT ja Boyd, R, N. (1987). Orgaaninen kemia. 5. painos. Toimituksellinen Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Orgaaninen kemia. (Kuudes painos). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Orgaaninen kemia. Amiineja. (10. painos.). Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Hiili, sen allotrooppeja ja rakenteita. Palautettu osoitteesta: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Hiili. Kemia selitetty. Palautettu osoitteesta: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, tohtori Anne Marie (11. heinäkuuta 2018). 10 hiilifaktat (atominumero 6 tai C). Palautettu osoitteesta: gondo.com
7. Tawnya Eash. (2019). Mikä on hiili? - Tietoja ja historiaa oppitunti lapsille. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com
8. Foll. (SF). Hiilen historia. Palautettu osoitteesta: tf.uni-kiel.de