SZÉN: TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, ELŐÁLLÍTÁS, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A szén nemfémes kémiai elem, amelynek kémiai szimbóluma C. szén, növényi vagy ásványi anyag elnevezése, ahol atomjai különböző szerkezeteket határoznak meg. Sok szerző azt az elemek királyának minősíti, mivel számos szerves és szervetlen vegyületet képez, és jelentős számú allotrópban is előfordul.

És ha ez nem elég ahhoz, hogy különleges elemre hivatkozzon, akkor minden élőlényben megtalálható; biomolekuláinak fennállása a CC kötések stabilitásának és szilárdságának, valamint a nagy összekapcsolódási hajlandóságnak köszönhető. A szén az élet eleme, atomjaival testük felépül.

A fák fája főleg szénhidrátokból áll, amely a sok szénben gazdag vegyület egyike. Forrás: Pexels.

A szerves vegyületek, amelyekkel a biológiai anyagok épülnek, gyakorlatilag szénvázakból és heteroatomokból állnak. Ezek szabad szemmel láthatók a fák fájában; és amikor villámcsapás rájuk süti őket. A fennmaradó inert fekete szilárd anyagnak is van szénatomja; de ez faszén.

Ezért ennek az elemnek „halott” megnyilvánulása van: faszén, az oxigénszegény környezetben történő égés terméke; és ásványi szén, a geológiai folyamatok terméke. Mindkét szilárd anyag egyformán néz ki, feketék és égnek, és hőt és energiát generálnak; bár eltérő hozammal.

Ettől a ponttól kezdve a szén a földkéreg 15. legelterjedtebb eleme. Nem csoda, amikor évente millió tonna széntermelés történik. Ezek az ásványok tulajdonságaikban különböznek a szennyeződések mértékétől, az antracitot tekintve a legjobb minőségű ásványi szénnek.

A földkéreg nemcsak ásványi szénben gazdag, hanem karbonátokban is, különösen mészkőben és dolomitokban. Az Univerzumot tekintve ez a negyedik legszélesebb elem; Úgy értem, több szén van kint más bolygókon.

Szén-történelem

Visszapillantás

A szén olyan régi lehet, mint maga a földkéreg. Az ősi civilizációk az ősidők óta találkoznak ezzel az elemmel számos természetes megjelenésében: korom, faszén, faszén vagy faszén, gyémánt, grafit, kőszénkátrány, antracit stb.

Mindezen szilárd anyagok, bár megosztották a sötét árnyalatot (a gyémánt kivételével), fizikai tulajdonságaik többi része, valamint összetételük figyelemre méltóan különböztek egymástól. Akkoriban lehetetlen volt azt állítani, hogy ezek lényegében szénatomokból állnak.

Így a szén a történelem folyamán az égés és a hőellátás időpontjában fennálló minőségének alapján lett besorolva. És az égés során képződött gázokkal felmelegítették a víztömegeket, amelyek viszont gőzöket generáltak, amelyek turbinákat mozgattak, és elektromos áramot generáltak.

A szén gyanútlan módon jelen volt a faszénben, amelyet fák zárt vagy hermetikus terek égésével állítottak elő; abban a grafitban, amellyel a ceruzákat készítették; drágakövekként használt gyémántokban; ő volt felelős az acél keménységéért.

Története a fa, a fegyverpor, a városvilágító gázok, a vonatok és a hajók, a sör, a kenőanyagok és az emberiség fejlődésének alapvető elemeihez kapcsolódik.

Elismerés

Mikor tudták a tudósok a szén allotropjait és ásványait ugyanazzal az elemmel társítani? A szén ásványi anyagnak tekintették, és nem gondoltak rá olyan kémiai elemre, amely méltó a periódusos rendszerhez. Az első lépésnek meg kellett volna mutatnia, hogy ezek a szilárd anyagok ugyanazon gázzá alakulnak: szén-dioxid, CO ₂.

Antoine Lavoisier 1772-ben, nagy lencsékkel ellátott faváz segítségével, a fénysugár és a gyémánt mintáira összpontosította a nap sugarait. Megállapította, hogy egyikük sem képez vízgőzöket, csak a CO ₂ -ot. Ugyanezt tette a korommal, és ugyanazokat az eredményeket kapta.

Carl Wilhelm Scheele 1779-ben megállapította a faszén és a grafit kémiai kapcsolatát; vagyis mindkét szilárd anyag azonos atomokból állt.

Smithson Tennant és William Hyde Wollaston 1797 módszertanilag ellenőrzött (reakciók révén), hogy a gyémánt valóban áll a szén által termelő CO ₂ saját égés.

Ezekkel az eredményekkel hamarosan fényt bocsátottak a grafitra és a gyémántra, a szén által alkotott szilárd anyagokra, tehát nagy tisztaságúakra; a szén és más széntartalmú ásványok tiszta szilárd anyagától eltérően.

Tulajdonságok

A szilárd anyagokban, ásványokban vagy széntartalmú anyagokban található fizikai vagy kémiai tulajdonságok számos változónak vannak kitéve. Ezek között szerepel: a szennyeződések összetétele vagy mértéke, a szénatomok hibridizációi, a szerkezetek sokfélesége, valamint a pórusok morfológiája vagy mérete.

A szén tulajdonságainak leírásakor a legtöbb szöveg vagy bibliográfiai forrás grafiton és gyémánton alapul.

Miért? Mivel ezek az elemek a legismertebb allotrópok és szilárd anyagokat vagy nagy tisztaságú anyagokat képviselnek; vagyis gyakorlatilag nem más, mint szénatomokból készülnek (bár eltérő szerkezetűek, amint azt a következő szakaszban elmagyarázzuk).

A faszén és az ásványi szén tulajdonságai származásukban vagy összetételükben különböznek. Például a barnaszén (alacsony széntartalmú) mint tüzelőanyag mászik az antracithoz (magas széntartalmú anyaghoz) képest. És mi van a többi allotrópmal: nanocsövek, fullerének, grafének, graffinok stb.

Kémiai szempontból azonban van egy közös pontjuk: oxigénnel oxidálnak CO ₂ -ben lévő oxigénfelesleggel:

C + O ₂ => CO ₂

Most, hogy az oxidációhoz szükséges sebesség vagy hőmérséklet ezen alotrópok mindegyikére jellemző.

Grafit vs gyémánt

Röviden kommentáljuk a két alotróp nagyon eltérő tulajdonságait is:

Táblázat, amelyben összehasonlítják a szén két kristályos allotrop tulajdonságait. Forrás: Gabriel Bolívar.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

hibridizációkat

A hibrid pályák és a szén lehetséges szerkezete közötti kapcsolat. Forrás: Gabriel Bolívar.

A szénatom elektronkonfigurációja 1s ² 2s ² 2p ², más néven 2s ² 2p ² (felső kép). Ez a reprezentáció megfelel annak alapállapotának: a szénatomot olyan vákuumban elkülönítik és szuszpendálják, hogy nem tudnak kölcsönhatásba lépni másokkal.

Látható, hogy egyik 2p-os pályájának elektronja hiányzik, amely az elektronikus előmozdítás révén az alsó energiájú 2s-es pályán elektronot vesz fel; és így az atom megszerezheti a képességét négy kovalens kötést képezni négy sp ³ hibrid pályáján keresztül.

Vegye figyelembe, hogy mind a négy sp ³ pálya energiája degenerált (azonos szintre igazítva). A tiszta p-orbitálisok energikusabbak, ezért helyezkednek el a többi hibrid orbitál felett (a kép jobb oldalán).

Ha három hibrid orbitál van, az azért van, mert egy nem hibridizált p pálya marad; tehát három sp ² keringőpont. És amikor ezek közül a hibrid orbitálok közül kettő létezik, akkor két p pálya áll rendelkezésre kettős vagy hármas kötések létrehozására, ami az sp-szén hibridizációja.

Az ilyen elektronikus szempontok elengedhetetlenek annak megértéséhez, hogy miért található meg a szén az allotrópok végtelenségében.

Oxidációs számok

A szerkezet folytatása előtt érdemes megemlíteni, hogy tekintettel a valencia 2s ² 2p ² elektronkonfigurációjára, a szén a következő oxidációs számmal rendelkezik: +4, +2, 0, -2 és -4.

Miért? Ezek a számok annak a feltételezésnek felelnek meg, hogy létezik olyan ionkötés, amely az ionokat a megfelelő töltésekkel alkotja; azaz, a C ⁴⁺, C ²⁺, C ⁰ (semleges), C ^2- és C ^4-.

Ahhoz, hogy a szénnek pozitív oxidációs száma legyen, el kell veszítenie az elektronokat; És ehhez feltétlenül nagyon elektronegatív atomokhoz (például oxigénhez) kell kapcsolódnia.

Eközben ahhoz, hogy a szénnek negatív oxidációs száma legyen, elektronoknak kell nyernie, ha fématomokhoz kötődnek, vagy kevésbé elektronegatív (mint például hidrogén).

Az első oxidációs szám (+4) azt jelenti, hogy a szén elvesztette összes vegyérték-elektronát; a 2s és 2p pálya üres. Ha a 2p-es pálya elveszíti két elektronát, akkor a szén oxidációs száma +2; ha két elektronot nyer, akkor -2 lesz; és ha még két elektronot nyer a valencia-oktet kitöltésével, -4.

Példák

Például, a CO _{2 esetében} a szén oxidációs száma +4 (mivel az oxigén elektronegatívabb); míg a CH ₄, ez -4 (mert a hidrogén kevésbé elektronegatív).

A CH ₃ OH, az oxidációs száma szén -2 (+1 H és -2 O); míg a HCOOH esetén +2 (ellenőrizze, hogy az összeg 0-t ad-e).

Más oxidációs állapotok is, például -3 és +3, szintén valószínűek, különösen, ha a szerves molekulákról van szó; például a metilcsoportok, -CH ₃.

Molekuláris geometriák

A felső kép nemcsak a szénatom körüli pályák hibridizációját mutatta, hanem a kapott molekuláris geometriákat is, amikor több atom (fekete gömb) kapcsolódott egy központi atomhoz. Ennek a központi atomnak, hogy az űrben sajátos geometriai környezete legyen, a megfelelő kémiai hibridizációval kell rendelkeznie, amely ezt lehetővé teszi.

Például a tetraéder esetében a központi szénnek sp ³ hibridizációja van; mert ez a legstabilabb elrendezése a négy sp ³ hibrid pályán. Sp ² szénatomok esetén kettős kötéseket képezhetnek és trigonális sík környezettel rendelkeznek; így tehát ezek a háromszögek egy tökéletes hatszöget határoznak meg. És egy sp hibridizációhoz a szén lineáris geometriát vesz fel.

Így az összes allotróp szerkezetében megfigyelt geometriákat egyszerűen a tetraéderek (sp ³), a hatszögek vagy ötszögek (sp ²) és a vonalak (sp) szabályozzák.

A Tetrahedra 3D struktúrát, míg hatszögek, ötszögek és vonalak, 3D vagy 2D struktúrákat definiál; Ez utóbbi a méhsejt falaihoz hasonló síkok vagy lapok:

Fal egy méhsejt hatszögletű mintázatával, az sp2 szénatomból álló síkok analógiájával. Forrás: Pixabay.

És ha összehajtogatjuk ezt a hatszögletű (ötszögletű vagy vegyes) falat, akkor egy csövet (nanocsövek) vagy egy golyót (fullerének), vagy egy másik alakot kapunk. Ezen ábrák közötti kölcsönhatások különböző morfológiákat eredményeznek.

Amorf vagy kristályos szilárd anyagok

Ha nem vesszük figyelembe a szén lehetséges szerkezetének geometriáit, hibridizációit vagy morfológiáját, szilárd anyagait globálisan két típusba lehet sorolni: amorf vagy kristályos. És e két osztályozás között megoszlanak az allotrópok.

Az amorf szén egyszerűen olyan, amely tetraéderek, hatszögek vagy vonalak tetszőleges keverékét képezi, amelyek képtelenek létrehozni szerkezeti mintázatot; ilyen a szén, faszén vagy aktív faszén, koksz, korom stb.

Míg a kristályos szén a javasolt geometriák bármelyikéből álló szerkezeti mintákból áll; például a gyémánt (a tetraéderek háromdimenziós hálózata) és a grafit (egymásra hatszögletű lapok).

beszerzése

A szén lehet tiszta grafit vagy gyémánt formájában. Ezek megtalálhatók a megfelelő ásványtani betéteikben, amelyek szétszórva vannak a világon és a különböző országokban. Ezért egyes nemzetek sokkal inkább exportálják ezeket az ásványokat, mint mások. Röviden: "meg kell ásni a földet", hogy megkapja a szén.

Ugyanez vonatkozik az ásványi szénre és annak típusaira. De nem ez a helyzet a faszén esetében, mivel egy szénben gazdag testnek először "el kell pusztulnia", akár tűz, akár egy elektromos villámlás alatt; természetesen oxigén hiányában egyébként CO ₂ szabadul fel.

Az egész erdő olyan szénforrás, mint a faszén; nem csak a fáira, hanem a faunára is.

Általában a széntartalmú mintákat pirolízisnek kell alávetni (oxigén hiányában elégetve), hogy a szennyeződések egy része gázként szabaduljon fel; így szénben gazdag (amorf vagy kristályos) szilárd anyag marad maradékként.

Alkalmazások

A tulajdonságokhoz és a szerkezethez hasonlóan a felhasználás vagy alkalmazás összhangban van a szén allotrópjaival vagy ásványtani formáival. Vannak azonban néhány általános jellegzetességek, amelyek megemlíthetők, néhány közismert kérdés mellett. Ilyenek:

- A szénet hosszú ideje használják ásványi redukálószerként tiszta fémek előállítására; például a vas, a szilícium és a foszfor.

-Ez az élet sarokköve, ennek a reflexiónak a tanulmánya a szerves kémia és a biokémia.

- Ez egy fosszilis tüzelőanyag volt, amely lehetővé tette az első gépek számára a fogaskerekek indítását. Hasonló módon szén-dioxidot nyertek belőle a régi világítási rendszerek számára. A szén a fény, a hő és az energia szinonimája volt.

- Összekeverve adalékanyaggal, különböző arányú vasalással, lehetővé tette az acélok feltalálását és fejlesztését.

- A fekete szín a művészetben zajlott le, különös tekintettel a grafitra és a vonalaival készült összes írásra.

Kockázatok és óvintézkedések

A szén és szilárd anyagai nem jelentenek semmilyen egészségügyi kockázatot. Ki érdekel egy zsák faszén? Egyes piacok folyosóin belüli drogokban árusítják őket, és mindaddig, amíg nincs tűz a közelben, fekete tömbök nem égnek.

A koksz viszont veszélyt jelenthet, ha magas kéntartalma van. Ha ég, kéntartalmú gázokat bocsát ki, amelyek amellett, hogy mérgezőek, hozzájárulnak a savas esőkhöz is. És bár CO ₂ kis mennyiségben nem megfullad nekünk, ez nagy hatással van a környezetre, mint az üvegházhatást okozó gázok.

Ebből a szempontból a szén „hosszú távú” veszély, mivel égése megváltoztatja bolygónk éghajlatát.

És fizikai értelemben a szilárd vagy széntartalmú anyagokat, ha porszívóznak, könnyen szállítják légáramok; következésképpen közvetlenül a tüdőbe kerülnek, ami helyrehozhatatlanul károsíthatja őket.

Ami a többi, nagyon gyakori a "faszén" fogyasztása, amikor bizonyos ételeket főznek.

Irodalom

1. Morrison, RT és Boyd, R, N. (1987). Szerves kémia. 5. kiadás. Szerkesztői Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Szerves kémia. (Hatodik kiadás). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Szerves kémia. Aminok. (10. kiadás). Wiley Plus.
4. András. (2019). Szén, annak allotropjai és szerkezete. Helyreállítva: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Szén. A kémia magyarázata. Helyreállítva: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. július 11.) 10 szén tény (6. vagy C atomszám). Helyreállítva: gondolat.com
7. Tawnya Eash. (2019). Mi a szén? - Tények és történelem lecke gyerekeknek. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
8. Föll. (Sf). A szén története. Helyreállítva: tf.uni-kiel.de