Die physikalische und chemische Geschichte der Kohlenstofffamilie - Graphen, Graphen, Fußball usw.

Kohlenstoff ist ein nichtmetallisches Element in der zweiten periodischen Familie von IVA. Carbonium, lateinisch für "Kohle, Holzkohle". Kohlenstoff ist ein sehr häufiges Element. Es ist in der Atmosphäre, Kruste und Lebewesen in vielen Formen weit verbreitet. Kohlenstoff ist seit langem bekannt und wird verwendet, eine Reihe von Kohlenstoffverbindungen - organisch ist das grundlegende Leben. Kohlenstoff ist einer der Bestandteile von Roheisen, Schmiedeeisen und Stahl. Kohlenstoff kann sich chemisch selbst binden und eine große Anzahl von Verbindungen bilden, die biologisch und kommerziell wichtige Moleküle sind. Die meisten Moleküle in lebenden Organismen enthalten Kohlenstoff, der sowohl als freie Elemente (Diamant, Graphit usw.) als auch als Verbindungen (hauptsächlich Calcium, Magnesium und andere elektropositive Elemente von Carbonat) vorliegt. Es liegt als Kohlendioxid vor, ein kleiner, aber äußerst wichtiger Bestandteil der Atmosphäre. Es wird erwartet, dass die Gesamtmenge an Kohlenstoff in Krustengesteinen stark variiert.

Der Diamant stammt aus dem Feuerkonglomerat Vulkantubulus (Vulkantubulus). Es ist eingebettet in ein weiches, dunkles alkalisches Gestein, das als "blaue Erde" oder "magmatisches Gestein mit Diamanten" bezeichnet wird. 1870 wurde ein solcher Vulkantubulus erstmals in der südafrikanischen Stadt Jimboli entdeckt. [10] Mit der Änderung der geologischen Zeit kann ein Diamant in der Erosion von Kies und Strand durch Verwitterung und Korrosion von Vulkanzylindern gefunden werden. Die ursprüngliche Art der Diamantkristallisation ist bis heute ein aktives Forschungsthema. Der Diamantgehalt in einem typischen Diamantvulkanzylinder ist extrem niedrig und liegt in der Größenordnung bei 1/5 Millionen. Mineralien müssen durch mechanische Methoden wie Zerkleinern und Elutrieren abgetrennt werden und durch den mit Salbe beschichteten Gürtel laufen, auf dem der Diamant haften bleibt. Dies erklärt zum Teil den extrem hohen Preis für Diamanten in Edelsteinqualität. Unter Bodenbedingungen kommt es selten vor, dass ein Element von einem Ort zum anderen gelangt. Die Menge an Kohlenstoff auf der Erde ist also eine effektive Konstante. Der Kohlenstoffstrom in der Natur bildet den Kohlenstoffkreislauf. Zum Beispiel nehmen Pflanzen Kohlendioxid aus der Umwelt auf, um Biomasseenergie wie die Kohlenstoffatmung und den Calvin-Zyklus (ein Prozess der Kohlenstofffixierung) zu speichern. Ein Teil der Biomasse wird durch Raubtiere übertragen, und ein Teil des Kohlenstoffs wird von den Tieren in Form von Kohlendioxid ausgeatmet. Die Struktur des Kohlenstoffkreislaufs ist viel komplizierter als das schematische Diagramm rechts. Beispielsweise löst sich etwas Kohlendioxid im Ozean auf, und die Überreste toter Pflanzen oder Tiere können Kohle, Öl und Erdgas bilden, die durch Verbrennen freigesetzt werden können, aber von bakterien nicht verwendet werden können.

Allotropie

Diamant Carbon

Einige Allotrope von Kohlenstoff

Einige Allotrope von Kohlenstoff

Natürlich in Form von Anthrazit (eine Art Kohle), Graphit und Diamanten, historisch leichter als Asche oder Holzkohle erhältlich. Letztendlich wird angenommen, dass diese verschiedenen Materialien aus denselben Elementen bestehen. Es überrascht nicht, dass Diamanten am schwersten zu identifizieren sind. Der Naturforscher Giuseppe peaverani aus Florenz und der Mediziner CiprianoTargioni entdeckten erstmals, dass Diamanten durch Erhitzen zerstört werden können. 1694 verwendeten sie eine große Lupe, um das Sonnenlicht auf den Diamanten zu richten, und der Stein verschwand schließlich. Pierre-joseph Nomen und Godefroylle Taneuse wiederholten das Experiment 1771. Später, 1796, zeigte der britische Chemiker Smithson Tennant, dass beim Verbrennen nur CO2 erzeugt wurde, und bewies, dass Diamanten nur eine Form von Kohlenstoff waren. (Eine Struktur ist in Abbildung a dargestellt.)

Diamant ist die festeste Kohlenstoffstruktur, in der Kohlenstoffatome in Form der Kristallstruktur angeordnet sind. Jedes Kohlenstoffatom ist eng mit den anderen vier Kohlenstoffatomen verbunden, bildet eine räumliche Netzwerkstruktur und schließlich einen Feststoff mit hoher Härte und geringer Aktivität. Diamant mit hohem Siedepunkt, Schmelzpunkt von mehr als 3500 ° C, Schmelzpunkt entspricht der Oberflächentemperatur einiger Sterne. In einem Diamantmolekül ist jedes Kohlenstoffatom von vier anderen Kohlenstoffatomen umgeben. Diese Kohlenstoffatome sind mit starker Bindungskraft zu einem riesigen Molekül verbunden, so dass der Diamant sehr hart ist. Diamant ist ein Isolator. Verwenden Sie, um Schmuck zu machen, etwas Material zu warten.

Graphit ist ein dunkelgrauer metallischer Glanz und ein opaker, feinskaliger Feststoff. Graphit gehört zu einem Mischkristall, der sowohl die Eigenschaften des Atomkristalls als auch des Molekülkristalls aufweist. Weich, fettig, mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit. Hoher Schmelz- und Siedepunkt. Jedes Kohlenstoffatom im Graphitmolekül verbindet sich durch eine starke Kraft mit nur drei anderen Kohlenstoffatomen und bildet eine Lamellenstruktur. Die Lamellenbindungskraft ist gering, so dass Graphit als Schmiermittel verwendet werden kann. Es wird zur Herstellung von Stiften, Elektroden, Straßenbahnkabeln usw. verwendet (eine Struktur ist in Abbildung b dargestellt).

Soccerene wurde 1985 von Wissenschaftlern der Texas Ross University in den USA entdeckt. In einem C60-Molekül befinden sich 60 C-Atome, die 32 Flächen, 20 reguläre Sechsecke und 12 reguläre Pentagone bilden. Die Kohlenstoffatome in Fullerenen sind in kugelförmigen Kuppeln miteinander verbunden. (Struktur wie in Abbildung e, f gezeigt) ist ein Molekülkristall mit niedrigem Schmelz- und Siedepunkt, geringer Härte und Isolierung.

Lonsdaleit (das den gleichen Bindungstyp wie Diamant hat, die Atome jedoch in einer hexagonalen Form angeordnet sind, die auch als hexagonaler Diamant bezeichnet wird) (eine Struktur ist in Abbildung c dargestellt).

[Chaoit, das entsteht, wenn Graphit mit Meteoriten kollidiert und Atome in einem hexagonalen Muster angeordnet hat]

Schwarzit (eine hypothetische Struktur, bei der die hexagonalen Schichten aufgrund des Vorhandenseins eines Siebenecks zu einem Sattel mit "negativer Krümmung" verdreht sind) Kohlefaser (filamentöser Kohlenstoff)

Carbonaerogele (Carbonaerogele)

Carbonnanofoam (Spinnennetz, fraktale Struktur, Dichte 1% Kohlenstoff-Aerogel, ferromagnetisch) [9]

Graphen ist ein zweidimensionaler Kristall. Das größte Merkmal von Graphen ist, dass sich die Elektronen mit einer Geschwindigkeit von 1/300 der Lichtgeschwindigkeit bewegen, viel schneller als die Elektronen in gewöhnlichen Leitern. Dies macht Elektronen in Graphen oder genauer gesagt zu "Ladungsträgern", die relativistischen Neutrinos sehr ähnlich sind. Der übliche Graphit wird durch Stapeln von Schichten planarer Kohlenstoffatome in einer geordneten Anordnung mit Waben gebildet. Die Zwischenschichtkraft von Graphit ist schwach und es ist leicht, sich gegenseitig abzuziehen, um Graphitplatten zu bilden. Wenn eine Graphitschicht auf eine einzelne Schicht mit einer Dicke von einem Atom abgezogen wird, handelt es sich um Graphen.

Amorpher Kohlenstoff (Amorpher, nicht wirklich heteromorpher, aber Graphit) (siehe Abbildung g)

Chemische Bearbeitung

elementar

Elementeigenschaftendaten

Elementeigenschaftendaten

Es brennt in Sauerstoff

Intensives exothermes, blendend weißes Licht erzeugt farbloses, geschmackloses Calciumhydroxid-Lösungs-Trübgas (klares Kalkwasser)

Chemische Gleichung:

C + O2 == Zündung == CO2 (chemische Reaktion)

Brennen Sie in der Luft

Exotherme, kontinuierliche rote Hitze, erzeugt farblose und geruchlose Calciumhydroxidlösung (geklärtes Kalkwasser) trübes Gas CO2; Kohlenmonoxid entsteht, wenn die Verbrennung unzureichend ist, dh die Sauerstoffmenge nicht ausreicht:

Chemische Gleichung, wenn Sauerstoff ausreicht:

C + O2 == Zündung == CO2 (chemische Reaktion)

Chemische Gleichung bei Sauerstoffmangel:

2C + O2 == Zündung == 2CO (chemische Reaktion)

Als Reduktionsmittel

Kohlenstoff hat als Reduktionsmittel ähnliche chemische Eigenschaften wie Wasserstoff und Kohlenmonoxid (jedoch unterschiedliche Produkte) und kann aus Metalloxiden reduziert werden.

Kohlenstoffreduziertes Kupferoxid:

C + 2CuO == hohe Temperatur == 2Cu + CO2 (Substitutionsreaktion)

Kohlenstoffreduziertes Eisenoxid:

3C + 2Fe2O3 == hohe Temperatur == 4Fe + 3CO2-Reaktion (Verdrängungsreaktion)

Kohlendioxidreduktion:

C + CO2 == hohe Temperatur == 2CO (chemische Reaktion)

Der Kohlenstoff erwärmt sich jedoch im versiegelten Raum mit Kaliumpermanganat, das Sauerstoff abbaut, und der Kohlenstoff oxidiert schnell und explodiert.

Reaktion mit stark oxidierender Säure:

C + 2H2SO4 (konzentriert) == Erhitzen == CO2 + 2SO2 + 2H2O

C + 4HNO3 (konzentriert) == Erhitzen == CO2 4NO2 + 2H2O

Die Stabilität von

Kohlenstoff ist unter "normaler Temperatur" stabil und nicht leicht zu reagieren. Daher können berühmte antike Gemälde in der Neuzeit erhalten werden, und zum Schreiben von Archiven sollte Kohlenstofftinte verwendet werden [9].

Verbindung

Unter den Kohlenstoffverbindungen gehören nur die folgenden Verbindungen zu anorganischen Substanzen: Kohlenoxide, Carbide, Schwefelverbindungen von Kohlenstoff, Schwefelkohlenstoff (CS2), Carbonate, Bicarbonate, Cyanogene und eine Reihe von Pseudohalogenen und deren Quasihalogenate, Pseudo -halogenate wie Cyanogen [(CN) 2], Cyanogen [(OCN) 2], Cyanogen [(SCN) 2] und andere kohlenstoffhaltige Verbindungen sind alle organische Verbindungen.

Da die durch Kohlenstoffatome gebildeten Bindungen relativ stabil sind, sind die Anzahl und Anordnung von Kohlenstoff in organischen Verbindungen sowie die Arten und Positionen der Substituenten sehr zufällig, was zu dem Phänomen führt, dass die Anzahl der organischen Verbindungen extrem groß ist. und die meisten der von modernen Menschen entdeckten Verbindungen sind organische Verbindungen. Organische Substanzen unterscheiden sich stark von anorganischen Substanzen in der Natur. Sie sind im Allgemeinen brennbar und in Wasser nicht leicht löslich. Der Reaktionsmechanismus ist komplex und hat einen unabhängigen Zweig gebildet - die organische Chemie. [11]

Methode bearbeiten

Diamant

Weltweite Diamantenproduktion im Jahr 2005

Weltweite Diamantenproduktion im Jahr 2005

Die Diamantlieferkette wird von einer begrenzten Anzahl berechtigter Handelsgruppen kontrolliert und ist in einem sehr kleinen Gebiet der Welt stark konzentriert. Nur eine sehr kleine Anzahl von Einlagen hat einen realen Wert. Beim Zerkleinern des Erzes muss darauf geachtet werden, dass die Diamanten nicht zerbrechen, und die Diamanten werden dann entsprechend ihrer Dichte sequenziert. Bis zum heutigen Tag, als Diamanten durch Röntgen bewertet wurden, wurde der endgültige Sortiervorgang von Hand durchgeführt. Bevor Röntgenmanipulationen an die Tagesordnung kamen, wurde die Trennung auf einem mit Salbe beschichteten Gürtel durchgeführt und Diamanten besser zusammengehalten als andere Mineralien. [14]

Graphit

Kommerziell wertvolle Graphitvorkommen befinden sich auf der ganzen Welt, aber die wichtigsten wirtschaftlichen Quellen sind China, Indien, Brasilien und Nordkorea. In Borrowdale, David Kotok, England, erreicht die Graphitlagerstätte zunächst eine ausreichende Größe und Reinheit, bevor vor dem 19. Jahrhundert einfach der natürliche Graphit mit einem Holzsägeblatt in Verpackungen gezeichnet wird. Nach dem 21. Jahrhundert wurden durch Zerkleinerung des Muttergesteins und der Oberfläche von leichtem Graphit kleine Graphitablagerungen erhalten

Bearbeitung der Anwendungsdomäne

Kohlenstoff ist für alle bekannten lebenden Systeme unverzichtbar, ohne die kein Leben existieren kann.

Der wirtschaftliche Hauptverbrauch von Kohlenstoff außer Lebensmitteln und Holz liegt in Form von Kohlenwasserstoffen (insbesondere Öl und Erdgas). Rohöl wird von der petrochemischen Industrie in Raffinerien durch ein Fraktionierungsverfahren zur Herstellung anderer Rohstoffe, einschließlich Benzin und Kerosin, hergestellt.

Cellulose ist ein natürliches kohlenstoffhaltiges Polymer, das aus Baumwolle, Hanf, Flachs und anderen Pflanzen gewonnen wird. Die Hauptaufgabe von Cellulose in Pflanzen besteht darin, die Struktur der Pflanze aufrechtzuerhalten. Kommerziell wertvolle Polymere, die von Tieren stammen, umfassen Polymere aus Wolle, Kaschmir, Seide usw., die Kohlenstoff sind, und häufig Stickstoff- und Sauerstoffatome, die regelmäßig auf dem Grundgerüst des Polymers angeordnet sind.

Kohlenstoff und seine Verbindungen sind vielfältig. Kohlenstoff kann auch Legierungen mit Eisen bilden, am häufigsten Kohlenstoffstahl; Graphit kann auch als Schmiermittel und Pigment verwendet werden. Es kann auch als Formmaterial für die Glasherstellung verwendet werden. Graphit wird für Elektroden, Galvanisieren, Galvanoformen, Elektromotoren und Bürsten verwendet. Koks kann zum Grillen, Zeichnen von Materialien und zur Eisenherstellung verwendet werden. Edelsteindiamanten werden als Schmuck, Industriediamanten zum Bohren, Schneiden und Polieren sowie als Werkzeuge zur Verarbeitung von Steinen und Metallen verwendet.

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