KOL: EGENSKAPER, STRUKTUR, ERHÅLLANDE, ANVÄNDNING - KEMI - 2025

Den kol är ett icke - metalliskt grundämne vars kemiska symbolen C. uppkallad efter kol, vegetabiliska eller mineraliska, där dess atomer definierar olika strukturer. Många författare betecknar det som kungen av elementen, eftersom det bildar ett brett spektrum av organiska och oorganiska föreningar och även förekommer i ett betydande antal allotroper.

Och om detta inte räcker för att hänvisa till det som ett speciellt element, finns det i alla levande varelser; alla dess biomolekyler är skyldiga deras existens till stabiliteten och styrkan i CC-bindningarna och deras höga tendens att sammanfoga. Kol är livets element och med sina atomer byggs deras kroppar.

Träets trä består huvudsakligen av kolhydrater, en av de många föreningar som är rika på kol. Källa: Pexels.

De organiska föreningarna med vilka biomaterial är byggda består praktiskt taget av kolskelett och heteroatomer. Dessa kan ses med blotta ögat i träets trä; och även när blixtnedslag slår dem och steker dem. Det återstående inerta svarta fastämnet har också kol; men det är kol.

Således finns det "döda" manifestationer av detta element: kol, en produkt av förbränning i syrefattiga miljöer; och mineral kol, en produkt av geologiska processer. Båda fasta partiklarna ser lika ut, de är svarta och de bränner för att generera värme och energi; men med olika utbyten.

Från denna tidpunkt är kol det 15: e vanligaste elementet i jordskorpan. Inte konstigt när miljontals ton kol produceras årligen. Dessa mineraler skiljer sig åt i sina egenskaper beroende på graden av föroreningar och placerar antracit som mineralkol av högsta kvalitet.

Jordskorpan är inte bara rik på mineralkol utan också på karbonater, särskilt kalksten och dolomiter. Och när det gäller universum, är det det fjärde vanligaste elementet; Jag menar, det finns mer kol där ute på andra planeter.

Kolhistoria

Återblick

Kol kan vara lika gammal som jordskorpan själv. Sedan urminnes tider har antika civilisationer stött på detta element i dess många naturliga presentationer: sot, kol, träkol eller kol, diamanter, grafit, koltjära, antracit, etc.

Alla dessa fasta ämnen, även om de delade de mörka tonerna (med undantag av diamant), skilde sig återstående av deras fysiska egenskaper, liksom deras sammansättning, anmärkningsvärt. Då var det omöjligt att hävda att de i huvudsak bestod av kolatomer.

Det var så att hela historien klassificerades kol enligt dess kvalitet vid tidpunkten för bränning och tillförsel av värme. Och med gaserna som bildades genom förbränningen upphettades vattenmassorna, som i sin tur producerade ångor som rörde turbiner som genererade elektriska strömmar.

Kol på ett oväntat sätt fanns i kol som produceras genom att bränna träd i stängda eller hermetiska utrymmen; i den grafit som pennorna gjordes med; i diamanter som används som ädelstenar; han var ansvarig för hårdheten i stålet.

Dess historia går hand i hand med trä, krutt, belysningsgaser i staden, tåg och fartyg, öl, smörjmedel och andra väsentliga objekt för att främja mänskligheten.

erkännande

Vid vilken tidpunkt kunde forskare associera kolens mineraler och mineraler med samma element? Kol sågs som ett mineral, och det ansågs inte som ett kemiskt element som är värt det periodiska systemet. Det första steget borde ha varit att visa att alla dessa fasta ämnen transformerades till samma gas: koldioxid, CO ₂ .

Antoine Lavoisier 1772, med en träram med stora linser, fokuserade solens strålar på prov av kol och en diamant. Han fann att ingen av dem bildade vattenångor utan CO ₂ . Han gjorde samma sak med soten och fick samma resultat.

Carl Wilhelm Scheele fann 1779 det kemiska förhållandet mellan kol och grafit; det vill säga båda fasta ämnen bestod av samma atomer.

Smithson Tennant och William Hyde Wollaston 1797 verifierade metodiskt (genom reaktioner) att diamanten faktiskt var sammansatt av kol när de producerade CO ₂ i sin förbränning.

Med dessa resultat kastades snart ljus på grafit och diamant, fasta ämnen bildade av kol, och därför med hög renhet; till skillnad från orena fasta ämnen i kol och andra kolhaltiga mineraler.

Egenskaper

De fysikaliska eller kemiska egenskaperna som finns i fasta ämnen, mineraler eller kolhaltiga material är föremål för många variabler. Bland dem är: sammansättningen eller graden av föroreningar, hybridiseringarna av kolatomerna, strukturens mångfald och porfornas morfologi eller storlek.

Vid beskrivning av kolens egenskaper är de flesta texter eller bibliografiska källor baserade på grafit och diamant.

Varför? Eftersom de är de mest kända allotroperna för detta element och representerar fasta ämnen eller material med hög renhet; det vill säga de är praktiskt taget gjorda av annat än kolatomer (även om de har olika strukturer, vilket kommer att förklaras i nästa avsnitt).

Egenskaperna för kol och mineralkol skiljer sig åt i respektive ursprung eller komposition. Till exempel kryper lignit (låg kol) som bränsle jämfört med antracit (högt kol). Och hur är det med de andra allotroperna: nanorör, fullerener, grafener, graffiner etc.

Men kemiskt har de en gemensam punkt: de oxiderar med ett överskott av syre i CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Nu är hastigheten eller temperaturen de behöver för att oxidera specifika för var och en av dessa allotroper.

Grafit vs diamant

En kort kommentar kommer också att göras här om de mycket olika egenskaperna för dessa två allotroper:

Tabell där vissa egenskaper hos de två kristallina kolototomerna jämförs. Källa: Gabriel Bolívar.

Struktur och elektronisk konfiguration

hybridiseringar

Förhållandet mellan hybridbana och möjliga kolstrukturer. Källa: Gabriel Bolívar.

Elektronkonfigurationen för kolatomen är 1s ² 2s ² 2p ² , även skriven som 2s ² 2p ² (toppbild). Denna representation motsvarar dess marktillstånd: kolatomen som isolerats och suspenderats i ett sådant vakuum att den inte kan interagera med andra.

Det kan ses att en av dess 2p orbitaler saknar elektroner, som accepterar en elektron från den lägre energin 2s omloppsbana genom elektronisk marknadsföring; och sålunda, förvärvar den atom förmågan att bilda upp till fyra kovalenta bindningar genom sina fyra sp ^tre hybrid orbitaler .

Observera att alla fyra sp ^3- orbitalerna är energidegenererade (inriktade på samma nivå). Rena orbitaler är mer energiska, varför de är placerade ovanför de andra hybridbanorna (till höger om bilden).

Om det finns tre hybridbanor, beror det på att en obehybridiserad p orbital kvarstår; därför är de tre sp ² orbitaler . Och när det finns två av dessa hybrid orbitaler, finns två p orbitaler tillgängliga för att bilda dubbla eller trippelbindningar, det vill säga hybridisering av sp kol.

Sådana elektroniska aspekter är viktiga för att förstå varför kol kan hittas i oändlighet av allotropes.

Oxidationsnummer

Innan man fortsätter med strukturerna är det värt att nämna att med tanke på elektronkonfigurationen av valens 2s ² 2p ² kan kol ha följande oxidationsnummer: +4, +2, 0, -2 och -4.

Varför? Dessa nummer motsvarar antagandet att det finns en jonisk bindning så att du bildar jonerna med respektive laddningar; det vill säga, C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (neutral), C ^2- och C ^4- .

För att kol ska ha ett positivt oxidationsnummer måste det förlora elektroner. Och för att göra det måste det nödvändigtvis vara bundet till mycket elektronegativa atomer (som syre).

Under tiden, för att kol ska ha ett negativt oxidationsnummer, måste det få elektroner genom att binda till metallatomer eller mindre elektronegativt än det (t.ex. väte).

Det första oxidationsnumret, +4, betyder att kolet har förlorat alla sina valenselektroner. 2s och 2p orbitaler förblir tomma. Om 2p-omloppet tappar sina två elektroner, kommer kolet att ha ett oxidationsantal på +2; om du får två elektroner har du -2; och om du får ytterligare två elektroner genom att fylla i din valensoktett, -4.

exempel

Till exempel för CO ₂ är oxidationsantalet kol +4 (eftersom syre är mer elektroniskt negativt); medan för CH ₄ , är det -4 (eftersom väte är mindre elektro).

För CH ₃ OH, är oxidationen antalet kol -2 (1 för H och -2 för O); medan HCOOH är +2 (kontrollera att summan ger 0).

Andra oxidationstillstånd, såsom -3 och +3, är också troliga, särskilt när det gäller organiska molekyler; till exempel, i metylgrupperna, -CH ₃ .

Molekylära geometrier

Den övre bilden visade inte bara hybridiseringen av orbitalerna för kolatomen, utan också de resulterande molekylära geometrierna när flera atomer (svarta sfärer) kopplades till en central. Denna centrala atom för att ha en specifik geometrisk miljö i rymden måste ha respektive kemisk hybridisering som tillåter den.

Till exempel har det centrala kolet för tetrahedron sp ^3- hybridisering ; eftersom ett sådant är det mest stabila arrangemanget för de fyra sp ^3- hybridbana . När det gäller sp ² kol kan de bilda dubbelbindningar och ha en trigonal planmiljö; och så definierar dessa trianglar en perfekt hexagon. Och för en sp-hybridisering antar kolerna en linjär geometri.

Således styrs geometrierna i strukturerna i alla allotropes helt enkelt av tetraedrar (sp ³ ), hexagoner eller pentagoner (sp ² ) och linjer (sp).

Tetrahedra definierar en 3D-struktur, medan hexagoner, pentagoner och linjer, 3D- eller 2D-strukturer; De senare är planen eller lakan som liknar väggarna i honungskakorna:

Vägg med sexkantiga konstruktioner av en honungskaka i analogi med plan som består av sp2 kolatomer. Källa: Pixabay.

Och om vi viker den sexkantiga väggen (femkantig eller blandad), kommer vi att få ett rör (nanorör) eller en boll (fullerenes) eller en annan figur. Interaktioner mellan dessa siffror ger upphov till olika morfologier.

Amorfa eller kristallina fasta ämnen

Om man lämnar geometrierna, hybridiseringarna eller morfologierna för de möjliga kolstrukturerna, kan dess fasta ämnen globalt klassificeras i två typer: amorf eller kristallin. Och mellan dessa två klassificeringar fördelas allotroperna.

Amorft kol är helt enkelt ett som presenterar en godtycklig blandning av tetraedra, hexagoner eller linjer, som inte kan skapa ett strukturellt mönster; sådant är fallet med kol, kol eller aktivt kol, koks, sot, etc.

Medan det kristallina kolet består av strukturella mönster som består av någon av de föreslagna geometrierna; till exempel diamant (tredimensionellt nätverk av tetraeder) och grafit (staplade sexkantiga ark).

Erhållande

Kol kan vara rent som grafit eller diamant. Dessa finns i deras respektive mineralogiska avlagringar, spridda över hela världen och i olika länder. Det är därför som vissa länder är mer exportörer av ett av dessa mineraler än andra. Kort sagt, "du måste gräva jorden" för att få kolet.

Detsamma gäller mineralkol och dess typer. Men detta är inte fallet med kol, eftersom en kropp som är rik på kol måste först "förgås", antingen under eld eller en elektrisk blixt; naturligtvis i frånvaro av syre skulle annars CO ₂ släppas .

En hel skog är en kolkälla som kol; inte bara för dess träd utan också för dess fauna.

Generellt sett måste prover som innehåller kol genomgå pyrolys (bränna i frånvaro av syre) för att frigöra några av föroreningarna som gaser; och sålunda förblir ett fast material som är rikt på kol (amorft eller kristallint) som en rest.

tillämpningar

Återigen, liksom egenskaperna och strukturen, är användningarna eller tillämpningarna förenliga med allotroperna eller mineralogiska formerna av kol. Det finns dock vissa generaliteter som kan nämnas, förutom några välkända punkter. Sådana är:

-Kol har använts under lång tid som ett mineralreduceringsmedel för att erhålla rena metaller; till exempel järn, kisel och fosfor.

-Det är livets hörnsten och organisk kemi och biokemi är studierna av denna reflektion.

-Det har också varit ett fossilt bränsle som gjorde det möjligt för de första maskinerna att starta sina växlar. På samma sätt erhölls kolgas för de gamla belysningssystemen från den. Kol var synonymt med ljus, värme och energi.

-Blandat som tillsats med järn i olika proportioner tillät uppfinningen och förbättring av stål.

-Den svarta färgen ägde rum i konst, särskilt grafit och alla skrifter med sina linjer.

Risker och försiktighetsåtgärder

Kol och dess fasta ämnen utgör ingen hälsorisk. Vem har bryr sig om en påse med kol? De säljs i stora mängder inom vissa marknader, och så länge det inte finns någon eld i närheten kommer deras svarta block inte att brinna.

Koks kan å andra sidan utgöra en risk om svavelhalten är hög. När det bränner kommer det att släppa svavelhaltiga gaser som, förutom att vara giftiga, bidrar till surt regn. Och även om CO ₂ i små mängder inte kan kväva oss, har det en enorm inverkan på miljön som växthusgas.

Ur detta perspektiv är kol en "långsiktig" fara, eftersom dess förbränning förändrar klimat på vår planet.

Och i en mer fysisk mening transporteras fasta eller kolhaltiga material om de pulveriseras enkelt med luftströmmar; och följaktligen införs de direkt i lungorna, vilket kan oåterkalleligt skada dem.

För resten är det mycket vanligt att konsumera "träkol" när lite mat tillagas.

referenser

1. Morrison, RT och Boyd, R, N. (1987). Organisk kemi. 5: e upplagan. Redaktionell Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjätte upplagan). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10: e upplagan.) Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Kol, dess allotropes och strukturer. Återställd från: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Kol. Kemi förklarat. Återställd från: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 juli 2018). 10 kolfakta (atomnummer 6 eller C). Återställd från: thoughtco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Vad är kol? - Fakta & historielektion för barn. Studie. Återställd från: study.com
8. Föll. (Sf). Kolens historia. Återställd från: tf.uni-kiel.de