פחמן: תכונות, מבנה, השגה, שימושים - כִּימִיָה - 2025

הפחמן היא בלתי - יסוד כימי מתכתי אשר הסימול הכימי הוא ג ע"ש פחם, ירקות או מינרלים, שבו האטומים שלו להגדיר מבנים שונים. מחברים רבים מגדירים אותו כמלך היסודות, מכיוון שהוא מהווה מגוון רחב של תרכובות אורגניות ואורגניות, ומתרחש גם במספר לא מבוטל של אלוטרופים.

ואם לא די בכך כדי להתייחס אליו כאל יסוד מיוחד, הוא נמצא בכל היצורים החיים; כל הבי-מולקולות שלה חייבות את קיומם ליציבות ולחוזק של קשרי ה- CC ולנטייתם הגבוהה לששור. פחמן הוא יסוד החיים, ועם האטומים שלו גופם בנוי.

עץ העצים מורכב בעיקר מפחמימות, אחת התרכובות הרבות העשירות בפחמן. מקור: Pexels.

התרכובות האורגניות עמן בנויות ביו-חומרים מורכבות למעשה משלדי פחמן והטרואטומים. ניתן לראות את אלה בעין בלתי מזוינת בעץ העצים; וגם, כאשר הברק מכה אותם וצולה אותם. למוצק השחור האינרטי שנותר יש גם פחמן; אבל זה פחם.

אם כן, ישנם ביטויים "מתים" של אלמנט זה: פחם, תוצר של בעירה בסביבות דלות חמצן; ופחם מינרלי, תוצר של תהליכים גיאולוגיים. שני המוצקים נראים זהים, הם שחורים, והם שורפים כדי לייצר חום ואנרגיה; אם כי עם תשואות שונות.

מכאן ואילך, הפחמן הוא היסוד ה -15 השופע ביותר בקרום כדור הארץ. אין פלא כשמייצרים מיליוני טונות פחם מדי שנה. מינרלים אלה שונים בתכונותיהם בהתאם לדרגת הזיהום, ומניחים אנתרציט כפחם המינרלים האיכותי ביותר.

קרום כדור הארץ עשיר לא רק בפחם מינרלי, אלא גם בקרבונט, בעיקר אבן גיר ודולומיטים. ולגבי היקום, זהו היסוד הרביעי השופע ביותר; כלומר, יש יותר פחמן בכוכבי לכת אחרים.

היסטוריה של פחמן

מבט לאחור

יתכן ופחמן ישן כמו קרום כדור הארץ עצמו. מאז ימי קדם, תרבויות קדומות נתקלו באלמנט זה במצגות הטבעיות הרבות שלו: פיח, פחם, פחם, פחם, יהלומים, גרפיט, זפת פחם, אנתרציט וכו '.

כל המוצקים הללו, למרות שהם חלקו את הגוונים הכהים (למעט יהלום), שאר המאפיינים הפיזיים שלהם, כמו גם ההרכב שלהם, היו שונים זה מזה באופן בולט. באותה תקופה אי אפשר היה לטעון שהם למעשה מורכבים מאטומי פחמן.

כך קרה שלאורך ההיסטוריה, פחם סווג על פי איכותו בשריפה והספקת חום. ועם הגזים שנוצרו על ידי הבעירה שלה, חמו המוני מים, אשר בתורם ייצרו אדים שהניעו טורבינות שיצרו זרמים חשמליים.

פחמן בדרך בלתי מעורערת היה קיים בפחם המיוצר על ידי שריפת עצים בחללים סגורים או הרמטיים; בגרפיט עמו נוצרו העפרונות; ביהלומים המשמשים כאבני חן; הוא היה אחראי לקשיות הפלדה.

ההיסטוריה שלה הולכת יד ביד עם עץ, אבק שריפה, גזי תאורה בעיר, רכבות וספינות, בירה, חומרי סיכה וחפצים חיוניים אחרים לקידום האנושות.

הַכָּרָה

באיזו נקודה הצליחו המדענים לקשר את האלוטרופים והמינרלים של הפחמן לאותו יסוד? פחם נתפס כמינרל, ולא נחשבו אליו כאל יסוד כימי הראוי לטבלה המחזורית. הצעד הראשון היה צריך להיות להראות שכל המוצקים הללו הפכו לאותו גז: פחמן דו חמצני, CO ₂ .

אנטואן לבואהייה בשנת 1772, באמצעות מסגרת עץ עם עדשות גדולות, מיקד את קרני השמש על דגימות של פחם ויהלום. הוא מצא שאף אחד מהם לא יצר אדי מים אלא CO ₂ . הוא עשה את אותו הדבר עם הפיח וקיבל את אותן תוצאות.

קרל וילהלם שיל בשנת 1779, מצא את הקשר הכימי בין פחם לגרפיט; כלומר, שני המוצקים הורכבו מאותם אטומים.

סמית'סון טננט וויליאם הייד וולסטון בשנת 1797 אימתו באופן מתודולוגי (באמצעות תגובות) כי היהלום למעשה מורכב מפחמן בעת ​​ייצורו של CO ₂ בעייתו.

עם תוצאות אלה, אור הושלך במהרה על גרפיט ויהלום, מוצקים שנוצרו על ידי פחמן, ולכן, בעלי טוהר גבוה; בניגוד למוצקים הטמאים של פחם ומינרלים פחמניים אחרים.

נכסים

התכונות הפיזיקליות או הכימיות הנמצאות במוצקים, מינרלים או חומרים פחמניים כפופות למשתנים רבים. ביניהם: הרכב או דרגת הזיהום, הכלאות אטומי הפחמן, המגוון של המבנים והמורפולוגיה או גודל הנקבוביות.

כאשר מתארים את תכונותיו של פחמן, רוב הטקסטים או המקורות הביבליוגרפיים מבוססים על גרפיט ויהלום.

למה? מכיוון שהם האלוטרופים הידועים ביותר עבור אלמנט זה ומייצגים מוצקים או חומרים בעלי טוהר גבוה; כלומר, הם עשויים למעשה לא יותר מאשר אטומי פחמן (אם כי עם מבנים שונים, כפי שיוסבר בסעיף הבא).

המאפיינים של פחם ופחם מינרלים שונים במקורותיהם או ביצירותיהם, בהתאמה. לדוגמה, ליגניט (פחמן נמוך) כדלק זוחל לעומת אנתרציט (פחמן גבוה). ומה עם שאר האלקטרופים: צינורות ננו, פולרן, גרפן, גרגרים וכו '.

עם זאת, מבחינה כימית יש להם נקודה אחת משותפת: הם מתחמצנים עם עודף חמצן ב- CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

כעת המהירות או הטמפרטורה שהם דורשים לחמצון הם ספציפיים לכל אחד מהאלוטרופים הללו.

גרפיט לעומת יהלום

כאן תיכתב הערה קצרה לגבי המאפיינים השונים מאוד לשני האלוטרופים הללו:

טבלה בה משווים בין המאפיינים של שני האלוטרופים הגבישיים של פחמן. מקור: גבריאל בוליבר.

מבנה ותצורה אלקטרונית

הכלאות

קשר בין אורביטלים היברידיים לבין מבנים אפשריים לפחמן. מקור: גבריאל בוליבר.

תצורת האלקטרון לאטום הפחמן הוא 1s ² 2s ² 2p ² , כתוב גם כ- 2s ² 2p ² (תמונה עליונה). ייצוג זה תואם את מצבו הקרקע: אטום הפחמן מבודד ומתלה בוואקום כזה שהוא לא יכול לתקשר עם אחרים.

ניתן לראות כי באחד משני האורביטלים הדו-קרביים שלו חסר אלקטרונים, שמקבל אלקטרון מהקבוצה האלקטרונית הנמוכה משני אנרגיה נמוכה באמצעות קידום אלקטרוני; וכך, האטום רוכש את היכולת ליצור עד ארבעה קשרים קוולנטיים דרך ארבעת המעגלים ההיברידיים של ה- Sp ³ .

שימו לב כי כל ארבעת האורביטלים של ה- Sp ³ הם מנווונים באנרגיה (מיושרים באותה רמה). אורביטלים טהורים הם אנרגטיים יותר וזו הסיבה שהם ממוקמים מעל האורביטלים ההיברידיים האחרים (מימין לתמונה).

אם ישנם שלושה אורביטלים היברידיים, הסיבה לכך היא שנותרה מסלול אור בלתי מוגבל אחד; לפיכך, מדובר על שלושה מסלולי sp sp ² . וכשיש שניים מהאורביטלים ההיברידיים האלה, שני אורביטלים p זמינים ליצירת קשרים כפולים או משולשים, בהיותם הכלאה של פחמן sp.

היבטים אלקטרוניים כאלה חיוניים להבנת הסיבה שניתן למצוא פחמן באינסוף האלוטרופים.

מספרי חמצון

לפני שממשיכים במבנים, ראוי להזכיר כי בהתחשב בתצורת האלקטרון של הערך 2s ² 2p ² , הפחמן יכול לקבל את מספרי החמצון הבאים: +4, +2, 0, -2 ו- -4.

למה? מספרים אלה תואמים את ההנחה שיש קשר יוני כך שאתה יוצר את היונים עם המטענים המתאימים; כלומר, C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (ניטרלי), C ^2- ו- C ^4- .

כדי שהפחמן יקבל מספר חמצון חיובי, עליו לאבד אלקטרונים; וכדי לעשות זאת, זה בהכרח צריך להיות קשור לאטומים אלקטרוניים מאוד (כמו חמצן).

בינתיים, בכדי לפחמן יש מספר חמצון שלילי, עליו להשיג אלקטרונים על ידי קשר לאטומים מתכתיים או פחות אלקטרונגטיביים ממנו (כמו מימן).

מספר החמצון הראשון, +4, פירושו שהפחמן איבד את כל האלקטרונים הערכיים שלו; 2s ו 2p אורביטלים נשארים ריקים. אם האורביטל 2p יאבד את שני האלקטרונים שלו, לפחמן יהיה מספר חמצון של +2; אם תרוויח שני אלקטרונים יהיה לך -2; ואם תרוויח עוד שני אלקטרונים על ידי השלמת שמיניית הערך שלך, -4.

דוגמאות

לדוגמה, עבור CO ₂ מספר החמצון של הפחמן הוא +4 (מכיוון שהחמצן הוא אלקטרונגטיבי יותר); ואילו עבור CH ₄ זה -4 (מכיוון שמימן פחות אלקטרוני-נגטיבי).

עבור CH ₃ OH, מספר החמצון של הפחמן הוא -2 (+1 עבור H ו- -2 עבור O); בעוד ש- HCOOH הוא +2 (בדוק שהסכום נותן 0).

מצבי חמצון אחרים, כמו -3 ו- +3, סבירים גם הם, במיוחד כשמדובר במולקולות אורגניות; למשל, בקבוצות מתיל, -CH ₃ .

גיאומטריות מולקולריות

התמונה העליונה לא רק הראתה את ההכלאה של האורביטלים לאטום הפחמן, אלא גם את הגיאומטריות המולקולריות שהתקבלו כאשר מספר אטומים (כדורים שחורים) נקשרו לאחד המרכזי. אטום מרכזי זה שיש לו סביבה גיאומטרית ספציפית בחלל, חייב להיות הכלאה כימית המתאימה לו.

לדוגמה, עבור הטטרהדרון הפחמן המרכזי כולל הכלאה sp ³ ; מכיוון שכזה הוא הסידור הכי יציב לארבעת המעגלים ההיברידיים של ה- Sp ³ . במקרה של פחמן sp ² , הם יכולים ליצור קשרים כפולים ויש להם סביבת מישור טריגונלית; וכך המשולשים הללו מגדירים משושה מושלם. ולגבי הכלאה SP, הפחמימות מאמצות גיאומטריה ליניארית.

לפיכך, הגיאומטריות הנצפות במבנים של כל האלוטרופים נשלטות פשוט על ידי טטרהדרה (sp ³ ), משושים או מחומשים (sp ² ), וקווים (sp).

טטרהדרה מגדירה מבנה תלת-ממדי, ואילו משושים, מחומשים וקווים, מבנים תלת-ממדיים או דו-מימדיים; האחרונים הם המטוסים או הסדינים הדומים לקירות חלת הדבש:

קיר עם עיצובים משושים של חלת דבש באנלוגיה למטוסים המורכבים מפחמן sp2. מקור: Pixabay.

ואם נקפל את הקיר המשושה הזה (מחומש או מעורב), נקבל צינור (צינורות ננו) או כדור (fullerenes), או דמות אחרת. האינטראקציות בין נתונים אלה מעוררות מורפולוגיות שונות.

מוצקים אמורפיים או גבישיים

אם מפנים את הגיאומטריות, ההכלאות או המורפולוגיות של המבנים האפשריים של הפחמן, ניתן לסווג את המוצקים הגלובליים לשני סוגים: אמורפיים או גבישיים. ובין שני הסיווגים הללו מופצים האלוטרופים שלהם.

פחמן אמורפי הוא פשוט כזה שמציג תערובת שרירותית של טטרה -דרה, משושים או קווים, שאינם מסוגלים ליצור דפוס מבני; זהו מקרה של פחם, פחם או פחם פעיל, קולה, פיח וכו '.

בעוד שהפחמן הגבישי מורכב מתבניות מבניות המורכבות מכל אחת מהגיאומטריות המוצעות; לדוגמה, יהלום (רשת תלת מימדית של טטרה -דרה) וגרפיט (יריעות משושה מוערמות).

להשיג

הפחמן יכול להיות טהור כמו גרפיט או יהלום. אלה נמצאים בשקעים המינרלוגיים שלהם, הפזורים ברחבי העולם ובמדינות שונות. לכן מדינות מסוימות הן יותר יצואניות של אחד מהמינרלים הללו מאשר אחרות. בקיצור, "צריך לחפור את האדמה" כדי להשיג את הפחמן.

כך גם בפחם מינרלי וסוגיו. אבל זה לא המקרה עם פחם, מכיוון שגוף עשיר בפחמן צריך קודם "להיכחד", אם תחת אש, או ברק חשמלי; כמובן, בהיעדר חמצן, אחרת CO ₂ ישוחרר .

יער שלם הוא מקור פחמן כמו פחם; לא רק בעציו, אלא גם בפאונה.

באופן כללי, דגימות המכילות פחמן חייבות לעבור פירוליזה (צריבה בהיעדר חמצן) בכדי לשחרר חלק מהזיהומים כגזים; וכך, מוצק עשיר בפחמן (אמורפי או גבישי) נשאר כשאריות.

יישומים

שוב, כמו המאפיינים והמבנה, השימושים או היישומים תואמים את האלוטרופים או הצורות המינרלוגיות של הפחמן. עם זאת, ישנם כלליות מסוימות שניתן להזכיר, בנוסף לכמה נקודות ידועות. כאלה הם:

-פחמן משמש במשך זמן רב כחומר להפחתת מינרלים בהשגת מתכות טהורות; למשל, ברזל, סיליקון וזרחן, בין היתר.

זה אבן הפינה של החיים, וכימיה אורגנית וביוכימיה הם מחקרי ההשתקפות הזו.

זה היה גם דלק מאובן שאיפשר למכונות הראשונות להפעיל את ההילוכים שלהם. באותה דרך הושג ממנו גז פחמן למערכות התאורה הישנות. פחם היה שם נרדף לאור, חום ואנרגיה.

מעורב כתוסף עם ברזל בפרופורציות שונות אפשר את ההמצאה ושיפור הפלדות.

-צבעו השחור התרחש באמנות, בעיקר גרפיט וכל הכתבים שנעשו בקוויו.

סיכונים ואמצעי זהירות

הפחמן והמוצקים שלו אינם מהווים שום סיכון בריאותי. למי אכפת משקית פחם? הם נמכרים בהמוניהם בתוך המעברים של שווקים מסוימים, וכל עוד אין אש בקרבת מקום, הבלוקים השחורים שלהם לא יישרפו.

קולה לעומת זאת עלולה להוות סיכון אם תכולת הגופרית שלה גבוהה. כאשר הוא נשרף, הוא ישחרר גזים גופרתיים שבנוסף להיות רעילים תורמים לגשם חומצי. ולמרות ש CO ₂ בכמויות קטנות לא יכול לחנוק אותנו, יש לו השפעה עצומה על הסביבה כגז חממה.

מנקודת מבט זו, הפחמן מהווה סכנה "לטווח ארוך", מכיוון שבערתו משנה את האקלים של כדור הארץ שלנו.

ובמובן הפיזי יותר, חומרים מוצקים או פחמימיים אם הם מועתקים מועברים בקלות באמצעות זרמי אוויר; וכתוצאה מכך הם מוכנסים ישירות לריאות, מה שעלול לפגוע בהם באופן בלתי הפיך.

לכל השאר, מקובל מאוד לצרוך "פחם" כאשר אוכלים מעט אוכל.

הפניות

1. מוריסון, RT ובויד, R, N. (1987). כימיה אורגנית. המהדורה החמישית. עורכת אדיסון ווסלי אינטרמריקנה.
2. קארי פ '(2008). כימיה אורגנית. (המהדורה השישית). מק גריי היל.
3. גרהם סולומונס TW, קרייג ב. פרלה. (2011). כימיה אורגנית. אמינים. (מהדורה 10). וויילי פלוס.
4. אנדרו. (2019). פחמן, האלוטרופים והמבנים שלו. התאושש מ: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). פֶּחָם. הסבר על כימיה. התאושש מ: chemistryexplained.com
6. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (11 ביולי 2018). 10 עובדות פחמן (אטומי מספר 6 או ג). התאושש מ: thoughtco.com
7. Tawnya Eash. (2019). מה זה פחמן? - שיעור עובדות והיסטוריה לילדים. לימוד. התאושש מ: study.com
8. פאל. (sf). תולדות הפחמן. התאושש מ: tf.uni-kiel.de